基于復(fù)合材料制備及研究方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探

趙燕春+寇生中+李春燕

摘要：黨的十屆三中全會(huì)強(qiáng)調(diào)深化教育領(lǐng)域綜合改革，教學(xué)改革一直是教育領(lǐng)域探討的重要課題。本文基于形狀記憶合金復(fù)合材料創(chuàng)新課程，以理論為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐為主體教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力，啟迪學(xué)生探索新材料、新學(xué)科、新問題的興趣，逐步研究創(chuàng)新課程的教學(xué)改革，以期達(dá)到創(chuàng)新課程申請(qǐng)與設(shè)置的目的和要求。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；復(fù)合材料制備；創(chuàng)新能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）15-0078-02

形狀記憶合金復(fù)合材料的TRIP（Transition Induced Plasticity，相變誘發(fā)塑性）效應(yīng)分析是針對(duì)材料類專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新課程。其中，復(fù)合材料制備及組織性能研究部分通過理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)分析方法教學(xué)，是多學(xué)科研究的交叉點(diǎn)，涉及鑄造、熱處理工藝和材料科學(xué)微觀組織、力學(xué)性能的表征方法，是原理及其應(yīng)用、理論及其與實(shí)踐辯證關(guān)系的很好體現(xiàn)。本課程的任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對(duì)理論專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力，結(jié)合課題項(xiàng)目研究，講授研究背景、實(shí)驗(yàn)原理、分析測(cè)試方法等，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，熔煉制備合金，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行表征，分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的科研熱情，培養(yǎng)他們專業(yè)方向的創(chuàng)新意識(shí)。

一、明確創(chuàng)新課程的設(shè)置背景，凝聚學(xué)生的注意力和關(guān)注度

材料科學(xué)研究無論是理論教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的注意力和對(duì)材料領(lǐng)域的關(guān)注度不是很積極，似乎更在乎考試成績(jī)，這是因?yàn)椴牧峡茖W(xué)理論枯燥，實(shí)驗(yàn)步驟繁多，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性卻難以保證，只能不斷實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，依據(jù)理論分析數(shù)據(jù)來判斷材料研制是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。近年來，總結(jié)課程隨堂教學(xué)，但凡講一些課題背景和現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)的價(jià)值意義，就會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的熱情高漲，問得多，想得也多。

創(chuàng)新課程形狀記憶合金復(fù)合材料的TRIP效應(yīng)分析是總結(jié)項(xiàng)目過程中筆者發(fā)現(xiàn)的材料研究相變誘發(fā)塑性的分析方法，目的是激起對(duì)新材料研制的注意和關(guān)注。形狀記憶效應(yīng)（shape memory effect，簡(jiǎn)稱SME），主要源于合金的隨溫度升降而消長(zhǎng)的熱彈性馬氏體相變及其逆轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)，一些高溫形狀記憶合金體系，如目前應(yīng)用最為廣泛的NiTi系，具有優(yōu)異的形狀記憶和超彈性能、良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性和生物相容性，并同時(shí)具有一定的非晶形成能力，引起學(xué)者們的重視。隨著老齡化社會(huì)的到來，人們的健康問題日益突顯，用替代品更換老化或損壞的器官、組織的需求越來越多。隨著生活水平的提高，人們對(duì)健康、審美的需求也相應(yīng)提升，已不滿足于只用不銹鋼等普通材料進(jìn)行器官修復(fù)，對(duì)綜合性能優(yōu)異的材料需求日增。NiTi形狀記憶合金與傳統(tǒng)醫(yī)用材料316L不銹鋼相比，其密度小，與骨組織相近，適合硬組織的修復(fù)。它的彈性模量低，與人體骨骼接近，極大地降低應(yīng)力遮擋作用，避免骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮等，但NiTi形狀記憶合金里含有大量Ni離子，局部腐蝕形成后，Ni離子大量溶出，造成生物相容性惡化，因此，綜合性能更為優(yōu)異的新型記憶合金亟待研制。

通過創(chuàng)新課程設(shè)置的背景，明確學(xué)科地位，提升關(guān)注度，分析研究材料的優(yōu)越性，抓住其強(qiáng)度高、比重輕、耐蝕性好、生物相容性優(yōu)良等特點(diǎn)，提出需要研究解決的科學(xué)問題，激發(fā)學(xué)生的注意力和關(guān)注度。

二、創(chuàng)新課程理論教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思考

教學(xué)理論是研究課程本身的規(guī)律及其應(yīng)用的理論，其研究對(duì)象是TRIP效應(yīng)理論分析和教學(xué)問題，揭示其在復(fù)合材料形變過程中的作用機(jī)制，總結(jié)新材料的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過介紹形狀記憶合金材料的研究前沿及其在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、航空航天上的應(yīng)用，使學(xué)生充分地理解課程背景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探知欲。通過結(jié)合專業(yè)理論，揭示新材料的研究規(guī)律，不斷提高理論成果的抽象概括水平，在已有理論和原理的指導(dǎo)下，通過多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，在教學(xué)過程中充分利用多媒體展示圖形、重要概念和結(jié)論及公式、理論擴(kuò)展分析等內(nèi)容，適時(shí)采用板書教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充，借用視頻等生動(dòng)活潑的素材向?qū)W生告知目前的研究重點(diǎn)和存在問題，如，材料探索、形成經(jīng)驗(yàn)規(guī)律、判據(jù)，材料加工、鑄造、擠壓等工藝條件的影響，凝固過程的組織演變和溫度場(chǎng)的關(guān)系，形狀記憶晶相在基體中的變形機(jī)制及TRIP效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律等，凸顯新材料的優(yōu)越性、實(shí)用性、科學(xué)性和先進(jìn)性，使學(xué)生親身感受這門課程確有科學(xué)研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，繼而提出亟待解決的關(guān)鍵問題，充分挖掘?qū)W生對(duì)該課程的崇尚情感和價(jià)值觀，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度和品格修養(yǎng)。創(chuàng)新課程要更好地注意難易結(jié)合，采用多回憶、多提醒的方式啟發(fā)學(xué)生回憶以前的基本知識(shí)，使學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到復(fù)合材料制備過程涉及的成分設(shè)計(jì)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、組織結(jié)構(gòu)和性能等是一個(gè)完善的整體，是應(yīng)用于材料工程中的一套完整理論，是理解已有生產(chǎn)技術(shù)和工藝流程、建立新技術(shù)和工藝流程的指南和工具，起著承上啟下、基礎(chǔ)理論與專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐相聯(lián)系的橋梁和紐帶作用。激發(fā)學(xué)生思考和探知，可以啟發(fā)他們形成發(fā)散性思維、批判性思維和創(chuàng)造性思維。

三、掌握學(xué)生的性格特長(zhǎng)，合理安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)

創(chuàng)新課程是為了滿足部分學(xué)生的興趣、愛好和特長(zhǎng)而設(shè)置的，由學(xué)生根據(jù)自身素質(zhì)結(jié)合課程設(shè)置要求和培養(yǎng)目標(biāo)自愿選擇。因?yàn)檫@門課程是跨學(xué)科、跨專業(yè)的，所以選課的學(xué)生能力和特點(diǎn)各有不同，教學(xué)過程中一定要把握好學(xué)生的性格特征和心理特點(diǎn)[1，2]，讓學(xué)生多交流，多發(fā)言，積極創(chuàng)造學(xué)習(xí)情感氛圍，創(chuàng)造一種以學(xué)生為本、以學(xué)生為中心的課堂環(huán)境，理解學(xué)生發(fā)言是根據(jù)自己的能力思考而說出來的，通過“啟發(fā)式”和“互動(dòng)式”教學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲，使學(xué)生養(yǎng)成良好的分析問題能力和勤于思考的習(xí)慣。培養(yǎng)學(xué)生自主做好實(shí)驗(yàn)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)式的討論、提問、講解，教師要及時(shí)總結(jié)方法。注重講授內(nèi)容完整性的同時(shí)，教師在教學(xué)過程中應(yīng)注意難點(diǎn)的平緩過渡，做到通俗易懂，根據(jù)學(xué)生的言論和特點(diǎn)給予高度鼓勵(lì)和評(píng)價(jià)，通過雙向交流、觀察、討論掌握學(xué)生的性格特點(diǎn)，合理安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)。掌握微觀組織表征和分析方法，包括XRD分析相組成、金相組織分析、掃描電鏡等，了解透射電鏡制樣方法和分析；掌握利用熱力學(xué)分析測(cè)定相變溫度、相變潛熱、特征溫度的方法；掌握力學(xué)性能測(cè)試，包括顯微硬度、壓縮或拉伸性能等，會(huì)分析應(yīng)力—應(yīng)變曲線。這些實(shí)驗(yàn)并不是每個(gè)學(xué)生可以單獨(dú)完成的，需要共同協(xié)作，需要具體分工，通過平時(shí)的交流觀察，進(jìn)行合理分工，充分發(fā)揮每個(gè)人的特長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)要發(fā)揮整體效能，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，讓每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受學(xué)習(xí)的快樂，享受實(shí)驗(yàn)成功的喜悅和成就感。

四、創(chuàng)新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要讓學(xué)生掌握這門課程的教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)[3]。合理的教學(xué)安排，就是創(chuàng)新的體現(xiàn)。形狀記憶合金復(fù)合材料的TRIP效應(yīng)分析課程設(shè)置要讓學(xué)生掌握：原料的選擇和母合金熔制；理解合金體系成分選擇思路和原理，掌握煉制母合金的方法及反復(fù)熔煉的影響；掌握水冷銅坩堝懸浮熔煉—銅模鑄造法制備合金試樣，理解設(shè)備原理，掌握熔煉鑄造中的操作方法和參數(shù)控制，了解真空度和過熱度等對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響；微觀組織表征與性能測(cè)試，掌握微觀組織表征和分析方法，分析溫度梯度場(chǎng)中組織梯度的演變規(guī)律；理解銅模鑄造過程中，在沿徑向負(fù)溫度梯度場(chǎng)作用下，鑄態(tài)組織的梯度性特點(diǎn)，總結(jié)成分—組織之間的關(guān)系；學(xué)會(huì)TRIP效應(yīng)對(duì)基體的韌塑化分析等。這些內(nèi)容是研究新材料的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)方案，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的最佳方法。通過項(xiàng)目實(shí)施過程的成功經(jīng)驗(yàn)，并用其帶動(dòng)和影響學(xué)生參與科研活動(dòng)，積極開辟第二課堂，如QQ群、微信群、會(huì)議等，通過吸收學(xué)生參與科研課題，鞏固和深化專業(yè)培養(yǎng)思想。只有讓學(xué)生積極地投入實(shí)踐，才能將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，逐漸提高他們的實(shí)踐動(dòng)手能力、自學(xué)能力、分析問題和解決問題的能力。

五、展現(xiàn)人文關(guān)懷，啟迪學(xué)生探索新材料的積極性

孔子曰：師者，所以傳道授業(yè)解惑也。中國(guó)自三黃五帝以來，一直對(duì)教師都很崇拜。教師是人類靈魂的工程師，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、生活和工作都會(huì)產(chǎn)生重要影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)環(huán)境的變化及就業(yè)壓力等，學(xué)生的心理和性格都會(huì)受到一些影響，“良師益友”成為當(dāng)代教學(xué)、教師與學(xué)生的經(jīng)典話語，也更為重要。加強(qiáng)和改進(jìn)教育教學(xué)的工作作風(fēng)，注重學(xué)生的人文關(guān)懷和心理疏導(dǎo)，緊密結(jié)合當(dāng)代大學(xué)生的所想、所思、所行、所為，給予積極的引導(dǎo)，在生活上、學(xué)習(xí)上、實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)施人性化管理，展現(xiàn)人文關(guān)懷，不斷改進(jìn)教學(xué)服務(wù)態(tài)度，創(chuàng)新教學(xué)服務(wù)方式，尊重學(xué)生，關(guān)心學(xué)生，理解學(xué)生，做學(xué)生的朋友。啟迪學(xué)生探索新材料的積極性，主動(dòng)掌握學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)目的和出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)責(zé)任感等非智力的情感因素。

總之，創(chuàng)新課程在教學(xué)過程會(huì)遇到很多問題和困難，要積極地探索新的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的求知、探索及創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，夯實(shí)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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