《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革淺析

周 念 顧 強(qiáng) 周登鳳 何杰軍

（[1]貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院 貴州·貴陽 550003；[2]重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院 重慶 401120）

隨著社會(huì)信息技術(shù)的普及，新時(shí)代背景下對(duì)課程教學(xué)的改革提供了新的思路。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程作為材料專業(yè)最重要基礎(chǔ)課程，在相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)和掌握上對(duì)材料專業(yè)的學(xué)生要求頗高。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的知識(shí)點(diǎn)具有一定的文科課程性質(zhì)，文字闡述較多，概念介紹大量存在，也包含了大量理論推導(dǎo)。圍繞材料四要素進(jìn)行分析材料科學(xué)基礎(chǔ)課程，可以發(fā)現(xiàn)在成分、工藝、組織、性能四要素的互相關(guān)系上，有關(guān)成分和工藝在宏觀尺度的知識(shí)較少。在成分上，材料科學(xué)基礎(chǔ)更強(qiáng)調(diào)微觀的原子、分子及其鍵合方式和晶格結(jié)構(gòu)等這些共性的理論概念問題。在工藝上，材料科學(xué)基礎(chǔ)在機(jī)械加工上強(qiáng)調(diào)彈性變形和塑性變形的基礎(chǔ)原理理論知識(shí)，在熱處理上強(qiáng)調(diào)原子擴(kuò)散、凝固（液固轉(zhuǎn)變）、相變（固固轉(zhuǎn)變）等基礎(chǔ)概念。在組織上，材料科學(xué)基礎(chǔ)更強(qiáng)調(diào)晶體中的微觀結(jié)構(gòu)的缺陷概念和缺陷演變等，包括點(diǎn)（固溶、空位）、線（位錯(cuò)）、面（層錯(cuò)，晶界，相界）、體（沉淀，固溶）缺陷。在性能上，材料科學(xué)基礎(chǔ)更偏向于金屬結(jié)構(gòu)材料，重點(diǎn)突出四大強(qiáng)化機(jī)制以及微觀結(jié)構(gòu)、組織相結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響。對(duì)于非結(jié)構(gòu)材料，則主要以介紹各類型功能材料為主。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)仍需要學(xué)生強(qiáng)化記憶知識(shí)點(diǎn)，但要引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)。

1 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

本文試圖從學(xué)生角度分析課程學(xué)習(xí),針對(duì)學(xué)生的心態(tài)建立一種課程改革思路。教學(xué)的目的是為了使學(xué)生得到知識(shí)，因此，作為知識(shí)受體的學(xué)生首先要主觀上愿意接受知識(shí)。為了保證材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果，首先要保證學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。從教師的角度來講，大量高校教師工作者強(qiáng)調(diào)第一節(jié)課的形象生動(dòng)，可以在課程過程中引入名人事跡，強(qiáng)調(diào)結(jié)合生產(chǎn)案例，以及采用多媒體教學(xué)等建議。但是，除了教師的上述措施，還應(yīng)從學(xué)生的角度分析。提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性還與學(xué)生的基礎(chǔ)素質(zhì)有關(guān)。基礎(chǔ)素質(zhì)包括個(gè)人學(xué)習(xí)態(tài)度、個(gè)人基礎(chǔ)理論深度、個(gè)人學(xué)習(xí)能力高低等方面。其中任何一方面有所缺失，都會(huì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生厭學(xué)心態(tài)。態(tài)度不端，學(xué)生從根本上就不愿意學(xué)習(xí)?；A(chǔ)不牢，對(duì)課程中出現(xiàn)的較深的理論學(xué)習(xí)困難。學(xué)習(xí)能力差，很難快速適應(yīng)大學(xué)教育中海量的綜合課程信息。因此，本文對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程本身的改革分析基于上述三個(gè)方面分別論述。對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度問題，和材料科學(xué)基礎(chǔ)課程本身關(guān)系較小，對(duì)于學(xué)生而言是所有課程的共性問題。態(tài)度問題上需要強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的思政教育工作，突出輔導(dǎo)員的指導(dǎo)作用；學(xué)生干部和學(xué)生之間親和力更好，相互了解容易，要充分發(fā)揮學(xué)生干部的基礎(chǔ)作用。其次針對(duì)學(xué)生的生活需求進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)鼓勵(lì)。在學(xué)習(xí)鼓勵(lì)上多方位引導(dǎo)學(xué)生，針對(duì)滿足考核條件的學(xué)生進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。需要指出，在主動(dòng)提高學(xué)生積極性的同時(shí)，還需強(qiáng)化考核強(qiáng)度，豐富考核方式。

對(duì)于已經(jīng)具備學(xué)習(xí)積極性的學(xué)生，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程本身具有知識(shí)點(diǎn)多且課時(shí)緊張、理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、知識(shí)體系邏輯性弱等特點(diǎn)。這些客觀問題存在關(guān)系著學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)理論深度兩個(gè)方面。在學(xué)習(xí)能力上，要注重分析學(xué)生的想象力（理解能力）、記憶力、思維邏輯能力、注意力（認(rèn)真）等。要基于對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)的課程分析，對(duì)課程進(jìn)行合適的調(diào)整來契合學(xué)生的能力問題。根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有主流的材料科學(xué)基礎(chǔ)教材以及互聯(lián)網(wǎng)中值得借鑒的教學(xué)資料，其理論深度參差不齊。在教學(xué)中根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)素質(zhì)情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整改革，做到有的放矢，才能提高教學(xué)效率。通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)的分類分析，本文認(rèn)為根據(jù)具體專業(yè)方向適當(dāng)收縮課程知識(shí)點(diǎn)，解決知識(shí)點(diǎn)多的問題，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)能扎實(shí)學(xué)習(xí)本專業(yè)方向的材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中含有數(shù)學(xué)理論體系的主要包括位錯(cuò)理論及位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散理論、相變理論。從理論深度上講，這幾部分理論分別都有單獨(dú)的理論教材去完整的進(jìn)行理論體系的詳細(xì)、深刻的推導(dǎo)論述，其在邏輯上更為完備。試圖在材料科學(xué)基礎(chǔ)這門綜合性基礎(chǔ)課程中讓學(xué)生完全理解有一定難度。因此，可以弱化對(duì)這幾部分理論的推導(dǎo)教學(xué)。弱化深度數(shù)學(xué)理論的推導(dǎo)不等于放棄不講，而是強(qiáng)調(diào)以通識(shí)介紹、理清理論邏輯為主，使學(xué)生對(duì)相關(guān)理論有整體的認(rèn)識(shí)，以此解決材料科學(xué)基礎(chǔ)理論性強(qiáng)的問題。

材料科學(xué)基礎(chǔ)教程還普遍存在內(nèi)容抽象的問題。對(duì)于材料專業(yè)的學(xué)生，材料科學(xué)基礎(chǔ)往往是學(xué)生在材料專業(yè)課程中的第一門課。在課程教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生想象，了解學(xué)生的普遍接受能力，幫助學(xué)生理解。針對(duì)抽象問題，目前已有大量教師提出較多方案，如采用動(dòng)圖、圖片、實(shí)踐等方式。動(dòng)態(tài)圖、圖片等方式的確對(duì)學(xué)生在理解抽象性上有較好的啟發(fā)效果，然而目前教學(xué)中大多數(shù)教師的影像資料來源于網(wǎng)絡(luò)、教材，重復(fù)性較高，且局限于二維平面，對(duì)幫助理解仍然有限。實(shí)踐方式上基于每個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件，往往局限于學(xué)生在金相、相圖、熱處理等操作性強(qiáng)的方面實(shí)踐，對(duì)較為微觀的晶面、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界、多晶結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)認(rèn)知幫助仍然有限。本文提出采用幾種材料結(jié)構(gòu)建模和模擬軟件，建立三維可視化的晶面、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界、多晶結(jié)構(gòu)等，提高學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)理解能力，解決知識(shí)抽象問題。此外，基于針對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)教材的分析，構(gòu)建了基于力影響和熱影響的知識(shí)點(diǎn)分類思維導(dǎo)圖，從而為學(xué)生建立一個(gè)良好的知識(shí)體系，解決知識(shí)體系邏輯弱的問題。

圖1：材料科學(xué)基礎(chǔ)課程基于力影響和熱影響的知識(shí)點(diǎn)分類思維導(dǎo)圖

2 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革

2.1 課程知識(shí)體系邏輯

材料科學(xué)基礎(chǔ)作為材料專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)入門課程，其知識(shí)體系上具有綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。材料科學(xué)的幾個(gè)重要分類在材料科學(xué)基礎(chǔ)中都有所包容體現(xiàn)。材料在種類上包含金屬材料、高分子材料、無機(jī)非金屬材料以及復(fù)合材料。材料的知識(shí)體系又包括成分、工藝、組織、性能及其相互關(guān)系等方面。材料在變化過程中吸收的能量形式包括功（變形）和熱（熱處理）。材料在功能上又包括光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)以及相互耦合等性能。不同特征分類之間又交叉結(jié)合，致使材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的知識(shí)點(diǎn)紛繁復(fù)雜。例如，在上海交通大學(xué)出版的教材中，各種類型材料的知識(shí)分散在各個(gè)章節(jié)中。從教材編著的角度講，作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，追求知識(shí)點(diǎn)的全面是為了滿足更廣泛的材料科技工作者的需求。然而對(duì)于學(xué)生而言，如此豐富的信息魚貫而入，顯然很難在短時(shí)間將信息內(nèi)化為知識(shí)。

本文基于金屬材料最常用的兩類處理方式（變形和熱處理）為核心，將普遍使用的材料科學(xué)基礎(chǔ)教材中的知識(shí)分為三大模塊，如圖1所示。第一模塊為固體材料基礎(chǔ)知識(shí)。這一模塊為材料科學(xué)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，主要圍繞構(gòu)成固體的最基本單元原子和晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，以及晶體結(jié)構(gòu)材料中的缺陷形式。第二模塊為與材料加工相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。主要圍繞固體材料在力和熱的作用下，材料的組織結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變化規(guī)律。在力的作用下，材料會(huì)產(chǎn)生彈性和塑性變形。協(xié)調(diào)材料塑性變形的方式主要為位錯(cuò)形核運(yùn)動(dòng)和孿晶形核長大。在熱的作用下，材料中原子的擴(kuò)散性和遷移性提高，與此相關(guān)的組織變化是液固轉(zhuǎn)變（凝固）和固固轉(zhuǎn)變（相變）。此外，在力和熱的共同作用下，材料還會(huì)有耦合的組織變化形式，如再結(jié)晶、熱變形等。根據(jù)這種歸類思路，還可以發(fā)現(xiàn)如果打破這種分類方式，將力和相變結(jié)合，可以聯(lián)系到最近處于研究前沿的TRIP鋼。第三模塊將一些特殊固體材料綜合在一起。其中包括了物理功能類材料和新材料，如碳材料、納米材料、高熵合金、復(fù)合材料等。這一模塊中的材料往往是目前科學(xué)研究前沿，還沒有形成完整體系的理論，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中也注重于認(rèn)識(shí)了解。

通過對(duì)知識(shí)進(jìn)行模塊化劃分，除了可以從復(fù)雜眾多的知識(shí)點(diǎn)中找到一根理解準(zhǔn)繩，還可以從學(xué)生的能力角度調(diào)整教學(xué)的深度。例如，第一模塊作為基礎(chǔ)，必須是所有材料學(xué)科都需要強(qiáng)化記憶理解的重點(diǎn)。只有在這些基礎(chǔ)知識(shí)深刻理解的基礎(chǔ)之上，后續(xù)的知識(shí)學(xué)習(xí)才能順利的進(jìn)行。因此，在這一部分學(xué)習(xí)過程中，有必要放慢教學(xué)速度，如多采用黑板板書，使學(xué)生有較多的課堂時(shí)間去逐漸理解。又如，對(duì)于第二模塊，是金屬材料專業(yè)所有相關(guān)課程的基石。只有理清金屬材料在力和熱作用下發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，才能形成完整的金屬材料基礎(chǔ)理論。因此，此模塊中力熱影響下材料的微觀結(jié)構(gòu)變化應(yīng)成為教學(xué)重點(diǎn)。

圖2：材料微觀結(jié)構(gòu)的形象化

2.2 模擬形象化

材料的性能由微觀結(jié)構(gòu)決定。材料科學(xué)基礎(chǔ)旨在給材料的宏觀概念提供理論基礎(chǔ)，因此在有關(guān)概念介紹中基本會(huì)脫離現(xiàn)實(shí)生活的認(rèn)知范圍，進(jìn)入微觀尺度深入解釋材料性能表現(xiàn)的依據(jù)。這就使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中必須建立微觀的概念，接受抽象的認(rèn)知對(duì)象。例如，晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)、孿晶、相組織等。通過對(duì)這些基礎(chǔ)對(duì)象的深刻認(rèn)識(shí)，才能讓學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有效的吸收和深刻的理解。盡管這些對(duì)象屬于微觀尺度，但還沒有進(jìn)入量子尺度范疇，通過現(xiàn)有的材料表征手段可以實(shí)際觀察到。目前的教學(xué)實(shí)踐中已經(jīng)存在幾種形象化模式，如晶體結(jié)構(gòu)示意圖、位錯(cuò)示意圖、金相照片等。但是，這些形象化手段還存在維度不足、動(dòng)態(tài)效果差、脫離材料實(shí)際等問題，學(xué)生的實(shí)際接收效果并不好。本文結(jié)合科研實(shí)踐，在對(duì)材料的模擬研究中發(fā)現(xiàn)許多微觀結(jié)構(gòu)對(duì)象可以在模擬中以非常形象豐富的方式呈現(xiàn)，例如，在經(jīng)典的材料科學(xué)基礎(chǔ)教材中，對(duì)刃型位錯(cuò)、層錯(cuò)、不全位錯(cuò)、擴(kuò)展位錯(cuò)的概念均建立在示意圖層面，在認(rèn)識(shí)過程中難以形成深刻的認(rèn)識(shí)。作者在研究面心立方金屬的變形過程中，觀察到上述概念均可動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，如圖2所示。其呈現(xiàn)的可視化原子排列清晰可見，缺陷特征明確，并展現(xiàn)出實(shí)際存在于材料的變形過程中。又如，對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的堆垛形式和密勒指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，盡管在傳統(tǒng)教材中已有較為清晰的示意圖，但通過模擬建模，可以通過短視頻方式三維展示不同層次的原子面堆垛方式，使學(xué)生對(duì)不同晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別認(rèn)識(shí)更加深刻。

3 總結(jié)

材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生需要掌握的重點(diǎn)課程。結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)中存在的問題，本文提出了一種新的思維導(dǎo)圖理清本門課程中的知識(shí)邏輯。此外，針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的抽象理解問題，本文認(rèn)為可以借鑒材料模擬軟件對(duì)其中的微觀抽象概念進(jìn)行形象化。這種形象化可以使得大量抽象概念得以明確的區(qū)分和認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以同步結(jié)合到材料的加工過程中，降低學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的吸收和接受難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。最后，這種模擬形象化可以進(jìn)一步拓展結(jié)合到線上課堂中，建立基于模擬的實(shí)踐仿真課程。