“材料性能學”課程的教學改革與實踐

陳建清 江靜華 楊東輝 宋丹 馬愛斌

摘要：“材料性能學”是材料科學與工程一級學科主干專業基礎課程。針對“材料性能學”課程的教學現狀，并考慮材料學科的發展趨勢、學校特色及高等教育改革的基本要求，從教學體系調整和教學內容優化著手，以培養學生的知識應用能力和創新能力為目標，對課程進行了教學改革和實踐。采用案例教學結合小組研討等方式豐富課堂，結果表明這種教學改革的嘗試是成功的，收效很大。

關鍵詞：材料性能學;課程改革;實踐

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）43-0104-03

教書育人是高校的基本功能之一，教學質量關系到培養人才的質量，是高校賴以生存和發展的基礎。隨著社會的發展，高等教育改革與發展的深化，學科之間的交叉、重組和優化，以前針對某個專業開設的一些課程已經不能滿足科技發展的要求，必須進行改革。

一、課程性質與特點

“材料性能學”課程是材料科學與工程專業主干課程，是一門重要的專業基礎課，是學生專業素質和專業基礎的重要組成部分，對于學生的就業和進一步深造都有著重要的影響。很多材料專業都開設了相關課程[1，2]。我校“材料性能學”課程的前身是“無機材料性能”，講授對象是無機非金屬材料專業的本科生。根據教育部提出的拓寬專業口徑，按專業大類進行人才培養的基本思路，我校從2005年開始按一級學科專業“材料科學與工程”招生培養。根據培養方案，原“無機材料性能”變更為“材料性能學”。“材料性能學”是聯系材料微觀結構與宏觀性能的一門重要課程，既是材料科學與工程學科的重要研究內容，也是材料生產和應用的重要基礎，是材料科學與工程專業學生的必修課程。通過本課程的學習，使學生具備以下能力：根據材料的性能參數判斷材料的優劣，立足材料的性能正確選擇和使用材料，改變材料的性能從而探索新材料、新性能、新工藝，為最終實現建立材料結構—性能—制備—應用之間的關系——這一材料學科研究的最終目標打下理論基礎。在教學過程中，注重培養學生的研究能力、工程素質和綜合應用能力，創新實踐能力和團隊合作能力，以及應用專業知識和技能解決材料科學與工程領域復雜問題的能力。

本課程具有如下特點。

1.內容廣泛，學科交叉性強。“材料性能學”不再是針對某一種材料，而是針對材料大類，涉及材料種類眾多，同時涉及的性能也是多方面的，有力學性能、物理性能和化學性能等。力學性能內容廣泛自不必說，很多學校的材料力學性能是一門單獨的課程;物理性能涉及熱、光、電、介電、磁等性能;化學性能包括耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩定性等。涉及物理、化學、力學、材料科學基礎、材料研究方法、材料工藝等[3]。

2.與工程實際聯系緊密，同時兼具敘述性與理論性。“材料性能學”課程是介紹材料各種主要性能的基本概念、物理本質、影響因素、變化規律、性能指標的工程意義以及測試、評價及應用。各種性能的物理本質和變化規律與材料的化學成分及基本結構間的關系較為抽象，理論性較強，同時，由于涉及的性能眾多，各性能的指標、測試、評價與應用等具有一定的敘述性。

3.理論與實際相結合，實踐性強。材料的各種性能都有一定的應用場合，或者根據不同的應用要求，需要特定的性能，因此，無論是材料各種性能本身的測試和研究還是和工程實際相結合都具有很強的實踐性。

二、課程存在的問題和改革的必要性

1.專業拓寬的影響。我國的高等教育最初照搬蘇聯模式，培養“專業”人才，但是隨著社會的發展和科學的進步，交叉學科和新興學科興起，原來狹窄的專業模式已難以適應我國經濟發展的需求，更阻礙了科技的進步。因此，教育部于1998年進行了大范圍的本科專業目錄調整，我校的材料專業也于2005年按材料科學與工程一級學科專業招生，相應的課程也改為“材料性能學”，但是教學內容和教學大綱仍然沿用了過去“無機材料物理性能”課程的教學體系，講授的內容變化不大。

2.課程教學本身存在的問題。傳統的課堂教學以教師講授為主，教學方法相對單一，而“材料性能學”課程具有理論性較強和講授的概念較為抽象的特點，傳統的講授方法很難讓學生迅速而有效地理解教學內容。因此，如何把抽象和艱深的理論內容深入淺出地展現給學生，讓學生迅速有效地理解教學內容是一個難點，同時也是課堂教學的重點。目前，雖然采用了多媒體課件，但是大多是用PowerPoint制作的簡單課件，其表現力仍有限，在教學效果上力不從心。

3.由于條件限制，目前我校的“材料性能學”課程只有理論教學環節，而沒有實踐教學環節。但該課程本身是一門實踐性很強的課程，缺少實踐教學使得學生在接受教學內容上產生了一定的困難。“我聽過就忘了，我看見就記住了，我做了就理解了”是華盛頓兒童博物館上的格言，這不單對幼兒適用，對剛剛邁入成年的大學生也是適用的。因此，要想辦法創造條件開展實踐教學。

三、教學改革措施

1.課程體系和教學內容改革。我校“材料性能學”課程的前身是“無機材料物理性能”，側重點是無機非金屬材料物理性能，隨著專業面的拓寬和人才培養模式的調整，調整后的“材料性能學”，從材料種類來說不能再拘泥于單一的無機非金屬材料，而要整合金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等相關性能;從性能上來說要從物理性能拓寬到力學性能、物理性能和化學性能。對這些內容進行綜合優化，形成系統理論。課程內容要涵蓋主要材料主要性能的基本知識和理論，同時要緊跟學科前沿，涵蓋新模型、新概念和新技術。在目前條件下，應選用合適的教材，同時爭取重新編寫教材以切合課程體系。課程體系的調整，使得課程涵蓋內容大幅增加，但目前大學本科教育的趨勢是課時大幅減少，我校“材料性能學”課程為48學時，課時大幅壓縮，要想涵蓋全部內容存在很大難度，在內容的廣度和深度上存在矛盾。在這種背景下，課程體系和教學內容的改革是重點也是難點。在課程內容的設計上，以“寬口徑、強基礎、重實踐”為指導思想，培養具有扎實基礎理論和較強實踐能力的復合型人才為目標。教學重點與學校實際情況相結合，根據材料專業的實際情況確定課程的內容和要求，分清主次，哪些是必須的，以“必須、夠用”為度。“材料性能學”課程主要包括如下七個模塊：材料的力學性能、熱學性能、電學性能、介電性能、磁學性能、光學性能和化學性能。在各個模塊中，以每種性能的基本概念—物理（化學）本質—影響因素—性能指標的工程意義—指標的測試、評價及應用為主線貫穿始終[3]。同時，教學內容需體現科技的發展，適時講授相關領域的研究動態和發展前沿，保持教學前瞻性，拓寬學生的視野，激發學生的創新意識。

2.教學方法和教學手段改革。傳統的教學模式是一根粉筆加一本教科書貫穿一堂課，現在用上了多媒體[4]，但很多時候只是把板書搬到了PPT上，仍然是教師講、學生聽，對于抽象的概念和理論，學生難于理解和掌握。在教學方法上，要改變傳統教學模式，綜合運用啟發式、討論式、案例式等多種教學方法，激發學生的學習興趣，提高教學效果。

在教學手段上，一要完成多媒體課件制作：充分運用文字、圖形、圖像、聲音、動畫、影像等多種媒體素材，制作多媒體課件，把抽象、復雜的理論內容生動形象、深入淺出地展示給學生，加大課堂教學的信息量，一定程度上降低課時壓縮的影響;二要建立網絡教學環境：利用網絡平臺，建立和完善課程網站，利用課后延伸環節，為學生的自主性學習提供條件。

3.實踐環節建設。實踐是工科教育的靈魂，教學中實踐環節的設置有利于學生的學習和理解，有利于學生創新思維和創造性的培養。本課程由于條件的限制，目前并沒有實踐環節。因此，一方面要積極向學院、學校申請資源，努力爭取建立基本實踐條件，同時在目前條件下，充分利用現有的條件，探索開展實踐教學的方法。

四、教學改革實踐示例及效果

材料對電場的響應主要有兩種，一種是帶電粒子的長程運動，稱為電導，一種是帶電粒子的短程運動，稱為極化，內容很多也很復雜。以往的教學中要分別介紹電子電導、離子電導、半導體、介質極化等[5]，這些內容理論性強，學生不容易理解，也很難產生興趣。因此，在教學中采用“應用先行”的辦法，以生活中和高科技領域中的應用為引子，引導學生發現材料的獨特性能，激發學生的學習興趣;發現了材料的獨特性能后，引導學生分析研究其中的原理、機制和物理本質;然后再從物理本質出發，分析影響材料該性能的因素，從影響因素出發，進一步分析討論改進、提高材料性能的方法和實現手段;再從性能出發，分析材料可能的其他應用，啟發學生的發散思維和創新精神。實踐示例：材料的熱敏特性教學。材料的熱敏特性是指材料對溫度變化具有響應的特性，材料的熱敏特性在許多領域具有廣泛的應用，是許多功能材料的基礎。對于這個特性，首先從家庭日常使用的電飯煲出發。為什么電飯煲能夠自動把飯煮好？這個問題引起了同學的興趣，同學紛紛發言：有的說通過電加熱把飯煮熟，教師追問電飯鍋怎么知道熟了，既不會夾生也不會焦掉？有同學說那應該是有傳感器，教師追問會是什么樣的傳感器呢？帶著這一系列的問題和各色各樣的答案，教師對問題進行總結：電飯煲煮飯是把適量的水和米混合在一起，通過電加熱，水的溫度逐漸升高直至沸騰。沸騰后，由于水的沸點在一定的大氣壓下是恒定的，在我們生活的低海拔地區基本上可以認為是保持100℃不變，因此鍋底的溫度一直保持100℃不變。隨著時間的延長，一部分水分被大米吸收，另外一部分水分慢慢蒸發，直到飯熟后，鍋底沒有了液態水，鍋底溫度升高，此時電飯鍋就需要停止加熱，否則飯要燒焦了。這一點電飯鍋是如何做到的呢？此時該我們的主角——熱敏材料閃亮登場了。有一類材料他們的電阻隨溫度升高而顯著地變化，飯沒熟，溫度在100℃時，材料的電阻比較小，線路導通，發熱元件工作;當溫度超過100℃達到103℃時，電阻突然上升幾個數量級，此時線路斷開，停止加熱，這種材料稱為“正溫度系數（PTC）熱敏陶瓷”，可以作為恒溫發熱元件，電阻突變的點稱為“居里點”。不同材料的居里點不同，通過調整材料的成分和結構可以調整居里點，做成各種各樣不同的元器件，應用于不同的場合。這時引入科學的概念，進行課堂核心內容講授——PTC效應的機理及影響因素，介紹熱敏材料及其應用，介紹相關的知識點。除了PTC效應，還有NTC效應——負溫度系數等。核心知識點講授完成后，進一步發散，除了電阻對溫度變化的響應，還有材料的其他性能如介電常數、電流、磁化強度等都對溫度變化有響應，如介電常數—溫度敏感的鐵電材料、電流—熱量敏感的熱釋電材料、磁化強度—溫度敏感的磁性陶瓷等。介紹相關特性，布置小組討論作業：介電常數—溫度敏感、電流—熱量敏感、磁化強度—溫度敏感的機理、影響因素及應用等，引導學生利用學校圖書館的數據庫，查閱科技文獻，了解相關問題的最新研究發展動態。學生每4～5人分為一組，選擇感興趣的內容進行研討，利用教材和參考書對每一個主題所涉及的性能的基本概念、物理本質和影響因素進行分析，查閱科技文獻了解材料的應用領域及最新研究方向和成果。每個小組提交一份研討報告，同時準備演講PPT，進行演講匯報。演講過程中，學生積極提問、質疑、討論，形成了良好的學習氛圍，培養了學生的團隊協作能力、創新能力及領導力。

“材料性能學”是材料專業的一門主干課程，隨著專業的調整以及課程本身的特點，必須對其教學內容、教學方法進行改革。文中提及的一些思路，有些已經實施，也取得了較好的效果，有些仍需創造條件進行實踐，在教學實踐中不斷完善。學生掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質、變化規律、性能指標及其工程意義;了解影響材料性能的主要因素，材料性能與化學組成、組織結構之間的關系，從而為判斷材料優劣、正確選擇和使用材料，改變材料性能、探索新材料、新性能、新工藝打下理論基礎，培養學生的知識應用能力和創新能力。

參考文獻：

[1]成都理工大學 材料物理性能精品課程申報網站http：//www.itat.cdut.edu.cn/qvy/

[2]武漢理工大學.材料力學性能[EB/OL].精品課程網站

http：//course.jingpinke.com/details？uuid=ba97957d-

122e-1000-8376-144ee02f1e73&courseID=X0500304.

[3]王從曾.材料性能學[M].北京：北京工業大學出版社，2004.

[4]田中青.李暉“材料性能學”課程建設中存在的問題及應對[J].科教文匯，2009，（10）：50.

[5]賈德昌，宋桂明.無機非金屬材料性能[M].北京：科學出版社，2008.

Instructional Reform and Practice in "Properties of Materials" Course

CHEN Jian-qing，JIANG Jing-hua，YANG Dong-hui，SONG Dan，MA Ai-bin

（College of Mechanics and Materials，Hehai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Abstract：The course of "Properties of Materials" has an important role in the course construction and is one of the major required courses for the students major in Materials Science and Engineering. According to the characteristics of Hohai University and requirements in higher education reform，and with the aim to develop the knowledge application and cultivating the innovation ability of the students，the instructional system and contents are adjusted based on the present situation，achievements and problems of the "Properties of Materials" teaching and the development tendency of materials discipline. Case-based instruction and group study were used in the instructional reform practice successfully and obtained satisfactory results.

Key words：Properties of Materials;instructional reform;practice