研究生材料熱力學課程的教學探索與實踐

朱利安+張虹+李順+葉益聰

[摘 要]作為材料科學與工程專業研究生的專業基礎核心課程，材料熱力學的根本任務在于培養研究生將熱力學基本原理應用于材料科研實踐中的能力。以國防科技大學研究生課程材料熱力學為例，可以從教學設計及實踐的革新入手，對課程的教學內容、教學方法和考核等進行探索和實踐，以提高研究生專業核心課程材料熱力學的教學效果。

[關鍵詞]材料熱力學；研究生；教學探索

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0096-02

材料熱力學對于材料類專業的學生來說是一門理論性和應用性都很強的專業基礎課程。材料熱力學對學生以后相關專業的學習以及研究有重要的作用。材料熱力學是利用熱力學原理來研究材料問題的科學。具體來說，它是研究基于經典熱力學和統計熱力學研究材料在制備、加工及相變過程中的相和組織的形成規律。材料熱力學課程具有理論性突出、應用性強、概念抽象及公式繁多等特點。在我校的課程體系設計中，該課程為材料科學與工程專業研究生的專業基礎核心課程，其根本任務在于培養學生將熱力學基本原理應用于材料科研實踐中的能力。針對上述目標，研究生課程應當從教學設計到實踐進行相應的探索和革新，以實現研究生理論水平及科研實踐能力的雙重提升。為此，本文從教學內容、教學方法和課程考核等方面進行教學探索和實踐，以提高研究生專業核心課程材料熱力學的教學效果。

一、教學內容

（一）內容設計固基礎重提升

我校材料科學與工程專業研究生生源多樣，本科專業涉及應用化學、材料物理、材料化學及材料加工工程等。因此，在材料熱力學的教學中既要考慮學生的專業差異，鞏固不同專業學生的熱力學基礎，又要注重內容的提升，使學生在進一步掌握熱力學理論的基礎上初步具備從事材料熱力學研究的能力。為此，在教學內容的設計上，我們將內容劃分為上、下兩個篇章。第一篇章為基礎篇，包括熱力學第一定律、熱力學第二定律和附加函數等章節，重點講解熱力學三大定律及熱力學性質和函數間的關系，目的是鞏固和強化材料熱力學的基礎理論。第二篇章為應用篇，包括純物質相平衡、溶體熱力學、二組元材料相平衡、相變熱力學、界面熱力學及材料設計與熱力學等章節，重點講解材料熱力學在處理純物質及溶體的相平衡、相變及表界面問題中的應用，目的是提升學生利用材料熱力學理論解決實際問題的能力。

（二）教材選取博采眾長

為了服務于上述教學內容，我們在教材的選取上博采眾長。課程以David R. Gaskell主編的《Introduction to the Thermodynamics of Materials》為主要參考教材。該書知識結構完整，內容翔實，系統嚴謹，且實例豐富，兼具實用性和趣味性。[1]同時以郝士明主編的《材料熱力學》、徐祖耀主編的《材料熱力學》和西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學》為輔助參考教材，三本教材各有所長。郝士明主編的《材料熱力學》偏重溶體熱力學知識的介紹，對自由能近似和相關模型的講述全面系統，且包含與科研實踐緊密聯系的計算相圖熱力學方面的內容，尤其重視選材的新穎和解說的例證性。[2]徐祖耀主編的《材料熱力學》是材料科學與工程專業的研究生教材，注重基礎知識和相關理論的深化和提升，其中有關界面熱力學和相變熱力學的介紹系統深入，理論性強。[3]西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學》著眼于應用熱力學理論解釋材料微觀組織變化的規律，案例豐富、圖解直觀、闡述系統。[4]教學時我們根據不同章節的特點合理選取上述參考教材，集眾家之所長。

（三）教學案例突出應用

針對材料熱力學理論性強、概念抽象等特點，我們在授課時以應用為牽引，將重點放在運用熱力學基本原理解決材料科學問題上。通過分析日常生活、科研生產中的實際案例，講解重要理論及關鍵抽象概念的理解及其在材料研究中的應用，在讓學生在理解這些理論及抽象概念的同時，掌握運用它們解決材料研發問題的能力，從而激發學生的學習興趣。[5]例如在講解化學勢的定義和意義時，介紹上坡擴散現象及其原因，讓學生認識元素擴散的根本驅動力；在講解熵的統計表達時，介紹高熵合金的發現和研究現狀；在講解界面熱力學時，介紹采用計算高溫難熔金屬熔體界面能的方法解決超高溫下液態材料界面能測量困難的問題等。

（四）實踐教學服務科研

為了突出材料熱力學服務科研的功能和作用，幫助研究生掌握使用材料熱力學原理解決材料科研問題的方法，我們在教學中特別注重實踐教學環節的設置。通過課程前期建設，我們引進了包含Nb基合金數據庫的PANDAT相圖計算軟件。該軟件是一款用于計算多元合金相圖和熱力學性能的集成工具，面向工業、研究及教學的初中高級用戶，具有功能強大、簡單易學的特點。利用該相圖計算和應用操作平臺來指導學生上機學習和操作，可以使其親身體驗熱力學原理如何指導材料研究，了解理論對實踐的重要指導作用。實踐教學增加了學生的感性認識，使其對所學知識理解得更加透徹，同時也讓他們初步具備運用CALPHAD（熱力學計算相圖）方法指導科研實踐的能力，為其將來從事相關研究打下基礎。

二、教學方法

（一）板書為主，多媒體為輔

材料熱力學的課程教學涉及的公式多、符號種類多且符號標注復雜、信息量大，宜采用板書的形式進行熱力學公式和例題的推導、講解。板書的優點是講解速度適中、邏輯性強，學生在做筆記的同時能加深對定義、公式和各種符號的理解和記憶，同時能緊跟教師講解思路，有利于促進知識的消化吸收。[6]針對復雜圖示，如三元相圖的解剖分析等，可采用多媒體課件輔助呈現，這能在節約教師板書和畫圖時間的同時，提高講課效率。

（二）討論式教學

我們在教學中挑選章節的重點和難點內容設置討論式教學環節，以加深學生對重難點問題的理解，同時培養學生的參與意識與問題意識。[7]一般在課程結束后我們會布置相關的思考題，讓學生自由分組，并在下次上課時派代表上臺講解，各組學生針對講解內容進行提問和討論并進行互評，最后由教師進行點評和總結。[8]例如在講解自由能平衡判據時，我們以《生物體中球狀蛋白有序構型形成的熱力學解釋》為題設置討論思考題，以加深學生對自由能平衡判據的理解。

（三）階段性總結答疑

針對個別章節理論性強、公式多的特點，適時設置總結答疑課，對章節重點內容進行梳理和總結，幫助學生掌握重點概念、理論和公式，為后續章節的講解打好理論基礎。此外，期中和期末組織集中學習和答疑，通過對重要知識點的梳理、總結、凝練，制成表格，幫助學生更快更好地消化所學知識。

三、課程考核

考核內容的設計與教學內容相呼應，分別采用閉卷考試、上機考試和課程綜合設計作業三種考核方式。其中，閉卷考核占比60%，題型以與實際應用密切相關的問答題和計算題為主，主要考核學生對材料熱力學基本概念和理論的掌握情況。上機考試占比20%，主要考核學生對Calphad方法的理解和對熱力學數據庫的運用能力。課程綜合設計作業占比20%，主要考核學員利用所學知識解決實際問題的綜合能力。考核時以組為評價單位，每組3-4人，小組采取自由組合的方式，每組題目各不相同，采用抽簽的方式從題庫中選定。在課程綜合設計作業的完成過程中，學員間積極討論交流，進一步加深了對所學知識的理解。同時，這也培養和鍛煉了學生查閱文獻、撰寫科技文章的能力及團隊合作協作意識，有益于他們即將開展的課題及論文研究工作。從學生們的反饋看，學生對這種考核形式很有興趣且很重視，我們也取得了理想的核效果。

四、結束語

作為研究生專業核心課程，材料熱力學是一門注重理論和實踐相結合的課程。課程教學的目標是培養學生掌握熱力學基本原理，并將其靈活應用于材料科研實踐中。針對該目標，我們在近幾輪的教學實踐中著力從教學內容、教學方法和課程考核等方面進行教學探索和實踐。從課堂教學情況、學員反饋和考試結果來看，上述措施增強了學生的學習興趣，提高了教學效果，提升了學生解決實際問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] David R. Gaskell. Introduction to the Thermodynamics of Materials [M]. 4th edition. Abingdon： Taylor & Francis， 2003.

[2] 郝士明.材料熱力學[M].北京： 化學工業出版社，2004.

[3] 徐祖耀，李麟.材料熱力學[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 西澤泰二.微觀組織熱力學[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5] 楊琪，林文松.如何提高《材料熱力學》的教學效果[J].教育教學論壇，2013（41）.

[6] 楊琪.材料熱力學教學中提高學生興趣的探討[J].科教文匯，2013（13）.

[7] 李青春，常國威，陳淑英，岳旭東.“材料熱力學”課程教學改革探索和實踐[J].中國電力教育，2014（2）.

[8] 楊琪.材料熱力學教學中提高學生興趣的探討[J].科教文匯（上旬刊），2013（5）.

[責任編輯：陳 明]