《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

易繼勇，楊學(xué)弦，向延鴻，朱 嶺

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是面向材料類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要理論基礎(chǔ)課，它從材料的組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的關(guān)系，闡述各種材料的共性基礎(chǔ)知識(shí)及其個(gè)性特征[1]。筆者承擔(dān)了《材料科學(xué)基礎(chǔ)》這門課的教學(xué)任務(wù)，主要對象為吉首大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生。這門課程是本專業(yè)最重要的一門專業(yè)主干課程，筆者選用中南大學(xué)出版社出版的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》(第二版)這本教材，主要課程包括：原子材料的結(jié)構(gòu)，空位與位錯(cuò)，材料的表面與界面，材料的凝固，單元系、二元系、三元系相圖，固體材料中的擴(kuò)散，材料的變形與斷裂，回復(fù)與再結(jié)晶，固態(tài)相變，材料的強(qiáng)化與韌化等。

該課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的銜接點(diǎn)，是培養(yǎng)一個(gè)優(yōu)秀學(xué)生向一個(gè)合格工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)變的切入點(diǎn)。但材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的廣泛性與學(xué)時(shí)的局限性之間的矛盾，影響了學(xué)生掌握更多的材料學(xué)知識(shí)，限制了學(xué)生分析能力和設(shè)計(jì)能力的提升。而且傳統(tǒng)的教學(xué)模式相對單一、學(xué)生理解費(fèi)力，會(huì)使得學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)失去信心，最終影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[2-5]。因此，針對傳統(tǒng)教學(xué)的不足，在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中找到一種新的教學(xué)方法是十分必要的。

1 精簡講授過程，優(yōu)化講授內(nèi)容

(1)抽象-具體教學(xué)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中，涉及到很多微觀的概念，例如典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)特征、堆垛方式與間隙、位錯(cuò)及擴(kuò)散等。學(xué)生剛剛結(jié)束高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、化學(xué)等公共課學(xué)習(xí)，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料學(xué)專業(yè)的入門課，這些知識(shí)點(diǎn)為微觀結(jié)構(gòu)，沒有可供參照的實(shí)物，需要有較強(qiáng)的三維空間想象能力。那么如何將這些抽象的微觀的知識(shí)點(diǎn)實(shí)體化與形象化，是筆者考慮的第一個(gè)改革方向。如：在講授三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)單個(gè)晶胞的間隙個(gè)數(shù)與位置、密排面堆垛方式、以及刃型位錯(cuò)等知識(shí)點(diǎn)時(shí)，通過等徑球棍模型搭建晶體結(jié)構(gòu)框架，使晶體結(jié)構(gòu)、堆垛方式與位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)從“微觀”到“宏觀”，提高教學(xué)效果。此外，在講授固體擴(kuò)散知識(shí)點(diǎn)時(shí)，結(jié)合金屬在切削加工過程中不同條件下的擴(kuò)散磨損，通過面掃描與線掃描圖片，直觀形象的體現(xiàn)固體材料在不同條件下的界面擴(kuò)散行為及擴(kuò)散行為的影響因素，讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)感受現(xiàn)代科學(xué)的魅力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)串聯(lián)知識(shí)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容較多，在材料成分一定的前提下，材料的加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能都是相互關(guān)系的內(nèi)容，由于沒有可參照的實(shí)物，均是抽象的理論知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)“學(xué)后忘前”或“相互混淆”。在課程講授時(shí)，不能只單獨(dú)講某一個(gè)具體的知識(shí)點(diǎn)，而是應(yīng)該把相關(guān)內(nèi)容串聯(lián)起來講授。如將材料的塑性變形與位錯(cuò)密切相關(guān)，在介紹金屬材料塑性變形后組織與性能變化時(shí)，將之與位錯(cuò)的萌生、增殖、運(yùn)動(dòng)、塞積、交滑移等等串聯(lián)起來，并聯(lián)系前后知識(shí)點(diǎn)建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。此外，材料在凝固過程、再結(jié)晶過程、固態(tài)相變過程均有新晶粒形核、長大過程，這三個(gè)過程中新相產(chǎn)生與長大的機(jī)制與驅(qū)動(dòng)力異同等通過表格方式進(jìn)行串聯(lián)對比教學(xué)，建立系統(tǒng)的知識(shí)體系，可以加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。

(3)適當(dāng)溶入最新研究成果

本課程以培養(yǎng)有研究和創(chuàng)新精神的材料專業(yè)人才為主要任務(wù)，詳細(xì)講授《材料科學(xué)基礎(chǔ)》相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立遠(yuǎn)大的理想和正確的價(jià)值觀，材料科學(xué)是涉及裝備制造、基礎(chǔ)建設(shè)、生物醫(yī)療、國防建設(shè)等各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)內(nèi)容，在講述材料的變形時(shí)，推薦學(xué)生閱讀如盧磊等關(guān)于結(jié)構(gòu)梯度定量可控的納米孿晶銅材料高強(qiáng)韌性、余倩教授等關(guān)于原子尺度的濃度波起伏獲得高強(qiáng)韌高熵合金的論文。

2 多種教學(xué)方法融合提高教學(xué)效率

新冠病毒的大流行，客觀上促進(jìn)大學(xué)線上教育的流行與完善。騰訊課堂、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等更是把“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代高等教育的快速發(fā)展體現(xiàn)的淋漓盡致。通過在超星泛雅平臺(tái)上發(fā)布預(yù)習(xí)/復(fù)習(xí)資料、習(xí)題以及相關(guān)科技研究成果，能夠獲得學(xué)生學(xué)習(xí)效果、拓寬視野并提高學(xué)習(xí)興趣。此外，學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)通手機(jī)APP進(jìn)行隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)更加便捷。

在傳統(tǒng)的45分鐘課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，可以更多增加教學(xué)互動(dòng)性。例如在講授晶體內(nèi)部間隙時(shí)，讓學(xué)習(xí)提前預(yù)習(xí)，在課堂上身份互換，在了解金屬晶體基本結(jié)構(gòu)的前提下結(jié)合高中所學(xué)立體幾何知識(shí)，讓學(xué)生講授各種晶型單個(gè)晶胞內(nèi)的間隙數(shù)目、間隙半徑等，提高學(xué)生的自學(xué)能力。此外、學(xué)生經(jīng)過長時(shí)間學(xué)習(xí)后注意力不夠集中，可以在課堂上提出問題，增加課堂趣味。例如，提出α-Fe和γ-Fe中哪種結(jié)構(gòu)中的C溶解量比較大，以及不銹鋼的固態(tài)相變熱處理工藝設(shè)計(jì)等等，引導(dǎo)學(xué)生思考，提高學(xué)習(xí)趣味。

許多與材料力學(xué)、熱學(xué)、應(yīng)力相關(guān)軟件如Ansys、Abaques、Deform等可作為輔助教學(xué)工具提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如：利用deform軟件模擬金屬材料的鐓粗過程中的應(yīng)變與應(yīng)力分布，讓學(xué)生通過軟件的學(xué)習(xí)，了解應(yīng)變過程與應(yīng)力分布，及何鐓粗后會(huì)形成單鼓形狀及可能的開裂位置。

3 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合提高學(xué)習(xí)興趣

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程作為一門應(yīng)用學(xué)科，除了基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，還要理論聯(lián)系實(shí)踐，學(xué)以致用。因此，除了常規(guī)的理論知識(shí)教學(xué)，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還需鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，參與設(shè)計(jì)制備材料的實(shí)驗(yàn)。材料科學(xué)是研究“材料成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能”相互關(guān)系的科學(xué)，通過“實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，不僅將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐過程中，還能在動(dòng)手過程中加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，真正地學(xué)以致用。例如，通過鐵-碳二元相圖結(jié)合固態(tài)相變理論，讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過鐵-碳相圖確定淬火45#鋼溫度，經(jīng)隨爐冷卻、水淬等不同的熱處理工藝，測試不同條件處理后的材料組織結(jié)構(gòu)與硬度，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到材料在成分不變的前提下，工藝-組織-性能這個(gè)材料的黃金三角含義。此外，金屬塑性變形和再結(jié)晶工藝與材料組織密切相關(guān)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對比鐵、銅等金屬材料的塑性變形程度、再結(jié)晶溫度、保溫時(shí)間等對金屬材料組織與性能的影響，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中自己獲得知識(shí)。

4 結(jié) 語

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課，筆者通過優(yōu)化教授內(nèi)容、多種方法融合、以及與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合等三種不同的教學(xué)方式，對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)進(jìn)行了改革，探索了該門課程在材料專業(yè)的實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。在今后的教學(xué)工作中，經(jīng)過不斷的努力，在教學(xué)過程中不斷反思、總結(jié)與學(xué)習(xí)，繼續(xù)推動(dòng)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革。