《材料熱力學》課程信息化教學模式初探①

谷萬里 方曉英 朱光明 秦聰祥

摘? 要：該文對《材料熱力學》課程的信息化教學改革進行了探討。主要內容包括：嘗試利用互聯網的優勢來實現教學互動;在網上實現作業布置、答疑解惑和討論以幫助學生理解，讓學生之間相互討論以加深對重點知識的理解;鼓勵學生用發散式思維來理解問題，充分調動學生的主觀能動性。近些年的教學實踐表明，上述這些教學改革嘗試收到了比較好的效果。

關鍵詞：材料熱力學? 信息化教學? 教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0075-02

材料科學已經成為目前科技發展的一個重要的基礎學科并受到廣泛的重視。近年來，為了提高材料科學與工程專業學生的理論水平，很多院校開設了《材料熱力學》這門專業基礎課。這表明了該課程已經在材料類專業具有了一定的地位和作用。從本科生課程設置來看，多數學校都將其設定為最先開設的專業課之一，因此，該課程也具有引領學生走入材料科學領域的向導作用。該課程還是很多后續專業課程的基礎。從這個意義上講，該課程的教學質量在一定程度上決定了整個專業人才培養的成敗，隨著近年來信息化教學被越來越重視，對該課程信息化教學改革方面的探討具有十分重要的意義。

1? 目前的課程設置現狀和教學中存在的問題

目前國內各高校材料類專業所設置的《材料熱力學》課程基本是以物理專業的熱力學作為基礎，將物理專業熱力學課程中的基本理論進行介紹，然后再添加一部分材料科學的相關知識。應該說，這種設置是基本合理的，也恰好與課程的名稱是相符的，但是，據我們多年來的教學經驗來看，這種設置還是存在一定的問題。主要問題在于：在物理專業，熱力學與統計物理是傳統的四大力學之一，在學習這門課程之前，學生要首先學習包括熱學在內的普通物理的課程，從數學基礎上看，物理專業的學生還要學習數理方程，這些都是學習四大力學的基礎。然而，對于材料專業的學生而言，它們只是在高中和大學物理里面掌握了一些熱力學前期的所需知識，這與物理專業的學生相比存在著巨大的差距，這也就造成了學習《材料熱力學》這門課程的先天不足。

由于該課程的理論性較強，學生的前期知識儲備不足。所需要的一些物理與化學知識超出了目前《大學物理》等前期課程的知識范圍，這就使學生在學習時面臨著很大的困難。例如，在學習熱力學第一定律時涉及到的焓的概念，學習熱力學第二定律時涉及到的熵的概念以及隨后的吉布斯自由能、亥姆霍茲自由能等概念，都屬于熱力學基本概念，而這些概念對于工科學生來說理解起來都具有一定的困難，很多概念要反復多次才能有個基本理解。另一方面，由于數學基礎的不足，在進行數學計算時也會帶來比較多的困難。

在這種情況下，與傳統的教學模式相比，信息化教學模式就有了明顯的優勢。信息化教學作為一種近年來出現的教學手段，目前已在眾多的教學領域被不斷嘗試，從高等教育[1]、職業教育[2]到中小學[3，4]的各個階段都有眾多的老師在嘗試著利用信息化教學，也取得了較好的教學效果。信息化教學最大的優勢在于教與學的互動性，傳統模式下，教師在課堂上講解，學生在下邊聽，如果學生對哪個問題沒有理解清楚，要想再找老師請教相對來說比較困難，很多學生出于各種原因很少和老師交流，這樣就使得沒有在課堂上消化的知識一直無法真正弄懂，學習效果就大打折扣了。而信息化教學恰好彌補了這個缺陷。

2? 教學改革中的一些嘗試

針對以上情況。近年來，筆者在教學過程中進行了一些嘗試。

筆者利用學校教務處的網上教學平臺，首先把全部課件上傳到了網上，讓學生可以在課后進一步學習課程內容有了方便條件。隨后又開通了在線討論，每講授一個內容后讓學生在網上進行討論，哪些概念能理解、哪些概念還不能充分理解都可以在網上提出來，很多時候，都是學生之間通過討論加強了對概念的理解。事實表明，這種互動式教學往往可以起到事半功倍的效果，這一點也是被眾多的信息化教學的實踐者所證實的[5，6]。

網上討論還有一個非常明顯的優勢，那就是對于一些比較抽象的概念，這種討論更方便用比較通俗的語言來進行講解。例如，由于學生缺少必要的熱力學知識，對焓、熵、自由能等概念的認識比較困難。在涉及到這類概念時筆者就進行了很多通俗化的處理。在討論為何提純材料的純度越高越困難時，筆者一方面介紹當雜質的含量很低時，對熵的影響很大;另一方面給學生舉例，假如已知在某個公共場所有100個賊，抓到50個的時候應該是比較容易的，越往后抓越困難，如果最后還剩3個賊，抓起來的難度可能比前面那97個還困難。這就表明雜質剩得越少清除越困難。雖然這兩者之間跨度較大，但二者之間也是有一定內在聯系的，事實表明，通過這種生活中常見的事例來講解可以讓學生比較容易對那些抽象概念進行理解。

這種用生活中的事情來類比材料科學中的熱力學問題的方法在網上討論時經常會用到，由于生活中的事例都是常見的、容易理解的，而很多人則沒有對其背后隱藏的科學性進行思考，因此，如果將其背后的科學性和一些真正的科學問題相類比往往會起到幫助理解科學問題的作用。例如，講解熱力學的穩定狀態與亞穩狀態時，一個典型的實例就是鐵碳相圖的二重性問題，從理論上講，就是熱力學條件和動力學條件這對矛盾統一體的相互協調問題，我們在課堂上也是這樣講解的，這本身當然無可厚非。然而，很多學生還是對為何在熱力學上不占優勢的亞穩態可以存在而表示不理解，在網上討論的時候很多學生就表現出了困惑。

為了幫助學生理解這個概念，筆者在網上請學生先考慮一個生活中的例子，先請同學考慮在廣場上混亂分布著兩個學院的學生，然后下集合令要求相同學院的學生要聚在一起。問學生一個問題：是要兩個學院的學生完全形成聚集容易還是只形成了部分聚集容易呢（所謂部分聚集是只在一個區域中某一個學院的學生數量比平均數多，但還有一些另外學院的學生未來得及撤出）？學生回答當然是部分聚集容易一些。再啟發學生，這兩種情況哪個需要更長的時間呢？很顯然也是完全聚集需要更長的時間。借著這一問題我們考慮鐵碳合金，當鐵原子和碳原子混合在一起的時候，如果其中的碳要形成石墨結構，就必須使這一區域形成只有碳原子的完全聚集的情況，而要形成滲碳體，則只需在該區域中形成碳原子的相對富集，這一過程顯然要比前者更容易實現。再回到熱力學的問題，形成石墨是熱力學最穩定的狀態，但動力學上比較困難，形成滲碳體是熱力學上亞穩狀態，但動力學上比較容易。這種熱力學和動力學的矛盾統一就構成了材料形態的千姿百態。筆者又進一步啟發學生，從上面操場集合的例子來看，要形成石墨結構，應該具備兩個條件，一方面，要給碳原子的富集留有足夠的時間，這就要求有比較慢的冷卻速度。另一方面，當冷卻速度一定時，碳原子的活動能力越大，形成完全富集的可能性也越大，就相當于給定時間的情況下，學生跑的速度越快，達到完全聚集狀態的可能性越大。同時，碳原子的含量越高，形成完全富集的可能性也越大。這就表明，含碳量高的鐵碳合金中易形成石墨，而在整個冷卻過程中，高溫階段也比低溫階段更容易形成石墨結構。這也就解釋了為何高溫階段的石墨化比低溫階段容易完成的原因。

事先給學生布置一些思考問題，在網上增加師生的互動也是筆者近年來嘗試的一個重點。為了增強學生發散式思維方式的培養，筆者尤其鼓勵學生用教材之外的知識來思考問題。鼓勵學生用表面上完全不相干的事情來解釋課程中出現的問題。例如，在學習枝晶長大問題時，布置學生思考為何有些晶粒會出現異常長大。有學生將其與改革開放初期讓一部分人先富起來相聯系，說大多數人是在舊體制中束縛著，一少部分人脫離了這一束縛，再加上政策扶植和個人努力就先富起來了，這兩件事情之間雖然距離較遠，但本質確實有著相同之處，對這樣的回答筆者給予了充分的肯定。再例如，在學習回復和再結晶問題時，有的同學說，回復過程中只是位錯進行了重新排列，這相當于舊體制下的小變革，可以緩解一些社會矛盾。再結晶則是無畸變的新晶粒替代變形晶粒，這相當于一個新的社會體系代替舊的社會體系，是對舊體制的一種徹底摧毀。而之前的變形所儲存的能量就相當于社會矛盾，很顯然，只有社會矛盾積累到一定程度后才會出現新舊社會的更新，這就是需要有較大的畸變能才會出現再結晶的原因。再結晶需要形核，只有超過一定臨界尺寸的晶核才能長大，這相當于新勢力要形成一定規模才能和舊勢力對抗，新勢力的先進性就相當于相變驅動力。

從前期的教學實踐來看，充分利用互聯網，采用信息化教學方式是對傳統教學模式的一個有益的補充，它可以更好地發揮學生的主觀能動性，讓學生充分參與到教學過程中來，一方面提高了教學效果，另一方面也更好地提高了學生的語言組織能力和表達能力。一些學生在開始階段比較膽怯，尤其是其考慮的問題與教材相差較遠時會有顧慮，當這類思考不僅沒被打擊反而還得到贊賞的時候，會加大其對自身能力的認知，也會進一步促進其發散式思維方式的培養，從而在教學中形成一種良性循環。

3? 結語

近幾年的教學改革實踐表明，利用互聯網對傳統的教學過程可以起到補充的作用，這種模式更方便采用類比的方法和師生互動的方法，可以讓學生比較迅速地掌握一些復雜的理論。鼓勵學生采用發散式思維將不同學科的知識相互聯系能有效拓展學生的思維方式，這方面在前期教學實踐中收到了一定效果，今后還將進行更多的嘗試。

參考文獻

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