功能材料專業材料科學基礎課程教學心得

白 靜 滕 飛 黃明麗 羅紹華 齊建全

東北大學秦皇島分校 河北秦皇島 066004

21世紀，材料科學與工程技術是國家經濟建設的重要基礎和支撐之一。材料科學基礎是材料科學與工程類學科的一門專業基礎課程，這門課程既要密切聯系理論，又要為其他專業課程打下扎實的基礎[1]。通過材料科學基礎課程教學，學生能較好地了解材料的成分與組織結構，合成與制備，材料的性能及應用的基本知識，相互關系及其影響規律；對培養學生科學的思維方法、創新能力及運用基礎理論知識解決實際問題的能力作用巨大。高等教育專業設置變化和課程體系的改革以及材料科學技術的迅猛發展，對材料科學與工程類人才素質提出了新的要求，已從原來較單一的技術人才轉變為高素質、寬口徑的復合型人才，材料科學基礎課程教學中存在的問題也日益顯現。研究和探討課程體系的優化，兼顧金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的共性和個性，對提高該課程教學效果，培養復合型人才具有十分重要的意義。

1 材料科學基礎教學改革的基本思路

材料科學基礎教學改革的基本思路是：以厚基礎、寬口徑、面向現代工程為前提，根據本校實際情況進行。2011年，我校應教育部要求開設功能材料新學科，而功能材料以所需知識領域寬、學科發展迅速區別于常規的結構材料學科。

(1)我校集合常年工作在金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料教學和科研一線的教師編寫了一本《材料科學基礎》(功能材料用)新教材，融入金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的共性和個性知識，并結合經濟與科技的發展以及本校學科建設的進展，突出《材料科學基礎》理論的共性，書中尤其注意了不同種類材料之間知識的交叉和滲透。

(2)著重培養學生科學的思維方法和創新能力以及運用基礎理論解決實際問題的能力，即注重培養學生獲取知識、運用知識、創新知識的能力。功能材料領域材料科學發展非常迅速，課本的知識永遠落后于最新的科研成果，因而，能力的發展重于知識的傳授。

①我校對大學二年級的學生采用導師制培養方式，每位導師都有自己的專攻學術領域，而學生根據自己的興趣愛好可以自主選擇導師。在導師帶領下，學生開始進入實驗室，學習使用相關的實驗儀器設備以及最新的學科動態。學校方面，給予大學二年級和三年級的學生一定的實驗經費，通過創新實踐培養學生的科研興趣和自學能力。很多學生在教師的帶領下參加各種國家級、省級科技競賽，如全國大學生節能減排大賽和全國大學生挑戰杯科技競賽等，并多次獲得獎項。2013年我院81002班本科生張溪溪等人“利用提釩棄渣制備鋰離子電池正極材料LiFePO4及其電化學性能研究”，81002班侯瑞等人的“基于廢棄鋅錳干電池制備ZnMn2O4及其電化學性能研究”獲得2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽三等獎。

②為切實做到“強專業、重實踐”，我校采用3+1教學模式，即3年授課+1年畢業設計。在“3+1”模式的導向下，越來越多的學生在本科階段有了更為清晰的專業成長目標。充足的畢業設計時間，使大四本科生充分參與到指導教師的科研課題中，對本專業的前沿領域和基礎知識的實際應用有了深刻的了解，優秀大四學生能多次發表學術論文以及申請專利項目。例如，羅紹華(本校教師)、翟向樂(學生)、張雅倩(學生)、田勇(學生)、李輝(學生)，申請的發明專利“硅酸錳鋰/納米氧化物復合正極材料及其制備方法”(專利號：ZL 201110109725.0)已獲國家知識產權局授權。

在教學過程中，適當安排部分章節讓學生自學。學生通過查找相關參考書籍，總結概括自學部分的知識要點，科研領域的名人軼事，材料領域發展中的重大里程碑進展等，然后分小組分析討論，提高學生的自學能力和對材料專業課的學習興趣。此外，在教學安排中，每年度安排兩次參觀。一次是參觀本校太陽能電池和鋰離子電池實驗室，一次是參觀磁性材料生產企業，讓學生可以理論聯系實際，運用理論知識解決實際問題。我們還通過加強實驗教學，提高學生的動手能力[2]。

2 將最新科研成果融入材料科學基礎課程講授中

在材料科學基礎課程備課過程中，注意融入最新的相關領域的科研成果。學生覺得所學知識非常新鮮和超前，能夠及時了解本學科的前沿動態，從而提升學習興趣，對傳統知識的理解亦會更為深刻。這種教學方法抓住了“90后”學生喜歡新鮮事物的特性，獲得了良好的教學效果。

圖1 強磁場對Fe-C二元合金相圖共析點的影響

例如：在講授Fe-C二元相圖時，加入了全國優秀百篇博士論文獲得者張宇東博士(東北大學畢業)關于10特斯拉強磁場對Fe-C相圖影響的內容[2]。強磁場的使用會使共析點向高溫高碳的方向移動(如圖1所示)。從而將課本中平衡相圖的局限打破，引入了外場對平衡相圖的影響。

另外，在講述固態相變—馬氏體轉變章節時，講授應用馬氏體相變過程中的體積效應可以實現溫控形狀記憶效應。在該部分，融入了最新的研究成果，說明由馬氏體相變引起的形狀記憶效應不僅可以由溫度場驅動，還可以由磁場驅動，由此產生一類新的智能材料被稱為磁控形狀記憶合金，它兼具大的磁場誘導應變(傳統的溫控形狀記憶合金)以及快速的響應頻率(壓電陶瓷和磁致伸縮材料)，現已成為國際范圍內智能材料的研究熱點，從而補充和擴展了原有的知識體系。

3 合理運用板書與多媒體教學方式

材料科學基礎課程內容多且抽象性、理論性強，為了提高該課程的教學效果，應該采用有效的教學手段和教學方法。

傳統的板書教學是課堂教學的一種重要手段[3,4]。板書這種教學手段數百年來在教學發展史上起到了重要的作用，即使在科技高度發達的今天，也始終沒有退出歷史舞臺。但是單純使用板書教學的局限性也是顯而易見的，如信息容量小且板書內容不易保存，缺乏生動性和趣味性，學生很難保持持續的注意力，已不能完全滿足課堂教學的需求。

隨著社會的不斷進步和科學技術的迅速發展，多媒體教學已經啟動并迅速開展。與板書相比，多媒體教學有很多優點，能創造出一個有聲有色、圖文并茂的教學環境，把抽象的事物直觀化，把復雜的問題簡單化，為教師教學的順利實施提供形象的表達工具，從而可以激發學生的學習興趣。如將F-R位錯源、位錯掃過、位錯的多滑移和交滑移、熱聚合物拉伸變形、馬氏體的表面浮凸現象等由書本的平面教學轉為多媒體3D教學，使原來單調的課堂教學直觀生動、新奇有趣，易于學生理解和接受，激起學生的學習興趣。多媒體教學省去教師板書的時間，可以增加課堂信息量，提高課堂教學效率。

當然，也有教師指出過多使用多媒體手段的弊端，如教師備課不充分，多媒體教學要求教師制作課件，因而沒有充足的時間備課；有的教師自己不制作課件，使用其他教師的課件，不能把課本知識充分消化理解，把講課變成了“念課”，不利于學生學習能力、思維能力和創新能力的培養。而且一旦停電，講課教師便束手無策，影響正常上課秩序。因此，授課教師必須充分備課、認真備課，將課本知識深刻理解，并且充分了解學生的知識水平，將學生難于理解的知識點用通俗易懂的語言流利地表達出來。課堂教學時使用恰當的教學方式，利用板書和多媒體課件相結合的方式來授課。將理論知識和一些不易使用板書的教學內容用多媒體課件呈現；對于一些學生應重點掌握的知識點則使用板書的形式著重強調。將每堂課的知識點精心組織，恰當地設置問題進行啟發，并預見學生的回答。從而達到板書、多媒體與啟發式教學完美地結合，保證教學按照預期效果順利完成。

4 結束語

綜上所述，材料科學基礎是一門傳統的基礎課程，在建設創新型國家以及材料科學快速發展、本科教育向應用型方向轉變的背景之下，該課程的教學要求、目標、重點、手段都已發生了根本性的變化。緊跟現代材料科學發展的步伐，及時更新和充實材料科學的最新理論及應用成果，使課堂教學與實踐教學相結合，才能卓有成效地提高材料科學基礎課程的教學質量。

[1]周細應,李培耀,童建華.《材料科學基礎》教學改革的實踐探討[J].上海工程技術大學教育研究,2005(2):1-3.

[2]張宇東.強磁場下鋼的擴散型相變的理論與實驗研究[D].沈陽:東北大學,2007.

[3]范群成,徐彤,席生岐.研究型教學在“材料科學基礎”課程的實踐與思考[J].中國大學教學,2012(8):61-62.

[4]賈淑果,寧向梅,田保紅.材料科學基礎多媒體教學探討[J].中國現代教育裝備,2010(5):87-89.

[5]代凱.大學本科材料科學基礎課程教改初探[J].牡丹江師范學院學報:自然科學版,2011(1):66-68.

附：

工程材料及材料科學(與工程)基礎課程協作組簡介

工程材料及材料科學(與工程)基礎課程協作組是高校間具有協作性和學術性的組織，課程協作組的宗旨是研究教學改革工作，交流教學經驗，開展課程協作，以提高工程材料、材料科學(與工程)基礎課程的教學質量和教學水平。

工程材料及材料科學基礎課程協作組的前身是金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理教材編寫組，1980年正式命名為“金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理”課程協作組，其后又改稱為“工程材料及材料科學(與工程)基礎”課程協作組。

1962年冬天及1963年5月，分別在西安、杭州召開了全國高等工科院校機械類專家會議，參加會議的代表除了各學科專業教材編審、委員會委員的高校代表外，還有相關研究所和工廠的代表。成立了機械類各學科專業教材編審委員會，推選了各專業教材編寫委員會委員名單。各個專業教材編審委員會討論及確定了各門課程的教學大綱(含生產實習和畢業實習大綱)；確定了各門課程的編審委員會和主編、主審。例如：《金屬學》(上海交通大學徐祖耀)；《金屬學與熱處理》(北京理工大學石霖)等。

1972年年底及1973年5月，機械部組織專家分別在西安與濟南召開教學成果及教學經驗座談會和機械類熱加工專業教材編審組會議。各高校代表深感責任重大，解決教材的有無及編寫好各門課的教材是急需解決的大問題。在濟南會議上成立了《金屬材料及熱處理》和《金屬學及熱處理》教材編寫組。《金屬材料及熱處理》和《金屬學及熱處理》教材編寫組即課程協作組的前身。

1974年出版了各門課的第1版教材，教材署名為《金屬材料及熱處理》《金屬學及熱處理》教材編寫組。

1978年機械部教育局在天津召開機械類各專業教材編寫會議，決定在第1版的基礎上重新編寫各課程教材。決定《金屬學與熱處理》由河北工學院王建安負責(東北重型機械學院崔明勛主審)；《金屬材料及熱處理》由東北重型機械學院楊慧心及上海機械學院史美堂負責。為保證教材質量，機械部決定從各高校抽調部分教師，在機械工業出版社內成立教材編寫室。

1979～1980年間，先后出版了史美堂主編、東北重型機械學院楊慧心參編的《金屬材料及熱處理》，王建安主編、東北重型機械學院崔明勛主審的《金屬學與熱處理》。

1980年機械部為了加強兩門課的教學管理及提高教學質量，決定在原教材編寫組的基礎上成立金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理課程協作組，東北重型機械學院(燕山大學)為課程協作組組長單位，湖南大學、合肥工大為副組長單位(后陜西機械學院、北京理工大學為副組長單位)。每兩年召開一次會議。交流各高校的教學改革情況；根據形勢修訂教學大綱；根據需要編寫《金屬材料及熱處理》《金屬學與熱處理》教材及其實驗指導書；探討各章節的教學方法及兩門課的教學方法、改革經驗交流；負責兩門課教學質量的提高。

1980～2001年“金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理”課程協作組共召開9屆課程協作組會議。

機械部取消后，為提高兩門課的教學水平及教學質量，2001年原機械部“金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理” 課程協作組改為全國“工程材料與材料科學基礎”課程協作組，成立了“工程材料與材料科學基礎”課程協作組理事會。推選清華大學為理事長單位；燕山大學(兼秘書長)、湖南大學為副理事長單位；清華大學、燕山大學、湖南大學、西安理工大學、西南交通大學、哈爾濱工業大學、山東工業大學為理事單位。由“工程材料與材料科學基礎”課程協作組理事會主辦全國“工程材料與材料科學(與工程 )基礎”課程教學會議，并在會議期間改選理事會。

三十余年來，“金屬材料及熱處理、金屬學與熱處理”(工程材料與材料科學基礎)課程協作組做了大量工作，召開了14屆課程協作組會議或全國性教學會議，對工程材料、材料科學基礎、材料科學與工程基礎課程的教學水平及教學質量的提高起到了重要的作用，取得了豐碩成果。據不完全統計，已建設7門國家級精品課、17門省級精品課、7個國家級教學團隊(北京工業大學、鄭州大學、山東大學、清華大學、東北大學、北京科技大學、燕山大學)、2個國家級材料科學與工程實驗教學中心(燕山大學、清華大學)。