《材料科學導論》課程的教改探索與實踐

范圣男，楊振國

摘要：《材料科學導論》課程是復旦大學材料科學系面向本系三個專業及上海第二軍醫大學的臨床醫學專業學生開設的一門專業必修課程。本文結合教學實踐，就課程教學難點、教學實踐、教學效果與評價等方面進行了一定的探討和分析。

關鍵詞：《材料科學導論》；教學模式；教學方法；案例教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）45-0094-04

一、引言

從石器時代到信息時代，人類的文明史就是利用材料的歷史，每一種新材料的發現和利用，都會將人類的物質文明和精神文明推進一大步。新材料、信息技術和生物技術是21世紀的三大主要發展領域，其中，新材料又是汽車、航空航天、電子通訊、家用電器、信息技術、生物醫藥、國防工業、新型能源、城市建設等領域的物質基礎。為此，我國許多高校都設立了材料學院或材料科學系或材料工程系，以適應新材料的研發和基礎材料應用的人才之需。

復旦大學材料科學系的學科方向主要是以功能材料為特色，本科階段分別設有“材料物理”、“材料化學”、“電子科學與技術（功能材料）”三個專業[1]。為了使學生系統地掌握材料科學的基礎知識，具備應有的專業素養，材料科學系于2010年起開設了面向三個專業的平臺基礎課《材料科學導論》。本文根據該門課程開設六年來的教學實踐情況及教學過程中來自學生的反饋信息，對該課程的實踐與改革進行總結，期望能推動課程的進一步完善和提高，適應材料學科日新月異的發展要求。

二、教學難點淺析

《材料科學導論》作為一門專業基礎課程，涉及內容廣，涵蓋了原子基本結構、晶體學理論、材料熱力學理論、材料結晶與生長、原子擴散和遷移、材料基本性能、新材料應用等專業知識[2]，同時涉及相關實驗課程。材料科學的主要特點是概念多、內容廣、涉及面寬、概念抽象、內容缺少連慣性、材料之間缺少必然聯系，尤其是材料性能煩瑣枯燥，缺乏理論依托，理論知識又難以應用于實踐，故學生在學習材料科學過程中對于吃不透的理論知識普遍存在學得快、忘得快的現象。例如課程難點材料熱力學及相圖部分，許多學生不求甚解，課后習題只比照例題“湊”出結果，并沒有真正掌握讀相圖的能力，自然很快就會忘記相關的知識點。此外，該課程內容多，理論性強，教學課時吃緊，許多學生在學期初就會產生畏難情緒。若不能及時解決，會嚴重影響其后續材料學專業課程的學習。對此，我們在教學過程中主要推行了一些新的教改措施，并取得了良好的教學效果。

三、教學模式探索

1.重視案例教學。受傳統觀念的影響，很多學科教學中都存在重理論、輕實踐的問題，為了優化教學效果，我們在理論性較強的基礎課中，加入切合教學內容的相關生產、生活及科研的實例，讓學生在真實情境中體會材料學知識的實用性及重要性。比如，講解聚合物材料特性時，特別舉出生活中無處不在的、常用的七種塑料：1號PET、2號HDPE、3號PVC、4號LDPE、5號PP、6號PS及7號PC，并將生活中隨處可見的這7種塑料制品帶到課堂，讓同學們親自觀察、比較，同時啟發學生思考為何不同的塑料品種必須選用不同的塑料種類，并進一步歸納總結材料選用的基本依據和設計方法。又比如，固體材料的變形和滑移的知識點較為抽象，通過講解泰坦尼克號豪華游輪因冰山撞擊而發生開裂失效的故事，指出該船是由體心立方碳鋼板制成的，除材料內部存在夾雜物外，碳鋼由于滑移面內滑移線少使塑性變形變得困難，斷裂韌性就低，因而一旦受到沖擊載荷的作用就會在沿Miller指數標定的原子密排面上先發生開裂，然后因疲勞開裂、擴展而最終失效，學生從而就清楚地理解了Miller指數、滑移面、滑移線等基本概念的物理含義及其實際用途。再比如，結合自身課題組近期開展的我國最大的1000MW超臨界發電機組雙相不銹鋼（2205）循環水泵發生異常斷裂的重大失效分析案例，用實際構件發生意外斷裂的斷口形貌和金相組織，講解了角焊縫顯微組織的特點及特征，同時引伸到雙相組織（鐵素體和奧氏體）的不匹配性和微觀結構的脆化問題，再談到法蘭和接管連接時焊接工藝參數和表面處理工藝是如何影響了焊縫顯微組織的均勻性和匹配性，進而談到如何有效控制和優化材料的顯微組織。學生能夠通過這一案例直觀地了解加工工藝和表面處理是如何影響材料的斷裂韌性和抗疲勞性能，學習設計開發新材料和改善材料性能的一些實用技術及工藝訣竅，將一系列知識點有機地串聯起來，融會貫通，并且印象十分深刻。

通過生活中隨處可見的材料、大家耳熟能詳的故事以及科研實例，激發學生的興趣，順理成章地引入基本理論，已經成為本課程最普遍的教學模式。實踐表明[3]，案例教學不但可以開闊學生的視野，豐富教學內容，而且還能激發學生的求知欲，培養學生的科學素質及創新能力。

2.設置課程實驗。材料學科同時也是一門實驗科學，材料學中有許多重要規律的發現是來自于實驗，因此實驗課是本課程的必要內容。配合材料的各種性能的課程，設置了與固體材料的基本性能相配套的三個綜合性的實驗課：（1）磁控濺射法制備透明導電氧化物ITO薄膜；（2）橡膠材料的拉伸試驗；（3）偏光顯微鏡法觀測聚苯烯的球晶形態。通過三個基礎實驗的訓練，學生對材料的組成、制備、結構、性能和應用有了更好地理解和把握，學生觀摩和自行操作實驗后，心得體會多、收獲大、感受強，通過理論與實際相結合，理解了一些原先比較模糊的概念和原理，有效地訓練了他們的動手能力、觀察能力、理解能力、分析能力和創新能力。對于本科階段的學生而言，除了基礎教學實驗，學生沒有太多走進尖端實驗室參與研究的機會，首次接觸到上述實驗中很多新穎的設備給他們留下了深刻的印象，激起了學生們的科研熱情。

3.完善教學課件。隨著信息技術的飛速發展，人們的思維方式也在發生著深刻的變革。計算機輔助教學（CAI）已在一定程度上得到了普及[4]。采用多媒體可視化教學，不僅可以提高單位時間內的信息量，而且可以充分調動學生的感知系統。對于一些僅用語言無法講清楚的新材料，如碳60、碳納米管的原子構型、量子點內電子波函數等，在PPT中加入了三維動畫視頻，從三維視角理解新材料的特性?？梢暬虒W不僅能幫助學生理解，同時可以引發學生對新材料的興趣。學生反映，通過電子課件，對一些較抽象的概念、理論及特性有比較透切地領悟，記得也更牢。課程組針對課程內容制作了十多個多媒體電子課件用于課堂教學，并上傳課程網站供學生自由借閱。課件制作完成后并沒有安于現狀“炒冷飯”，而是與時俱進，年年修訂教學課件，適時介紹新材料的進展。主講教師每年都有國內外學術會議的大會報告，在日常授課過程中見縫插針，把邀請報告的PPT內容有選擇地講授給學生，使學生能夠了解到新材料、新工藝、新方法、新技術、新進展等，增長見識，開拓視野，同時促進學生的自主思考和探索，有效地激發和培養了他們的創新能力。endprint

4.優化課程體系。在課堂講授中，教材選擇是否合適直接關系到教學效果，課程組以國外經典的英文教材作為參考[5-7]，結合多年積累的優秀教學大綱與教學經驗制作課件、講義，立足于基本物理化學原理的講授和理解，同時拓展學生對習題和范例的實際應用。例如，國外近年出版的教科書都已經把基礎材料分成了五類，即金屬、陶瓷、聚合物、復合材料和半導體，我國則仍然停留在前三類基礎材料的介紹上。雖然從化學角度根據原子鍵合方式區分前三類基礎材料比較容易，也符合邏輯，但把復合材料和半導體材料依據其特殊用途從三大基礎材料中分離出來進行介紹是必要的，也符合實際，更能體現出它們在高科技領域中應用的重要性和先進性。對于國內基礎的教科書不盲從，參考國外最新的教材與科研成果，提出問題與學生進行有效地互動，鼓勵學生在上課過程中提出質疑，激發他們的思考積極性。課后習題也是經過多年的反復篩選、考量，注重問題的思考性與創新性，減少需要死記硬背的題型。許多學生能夠根據課后習題的問題與助教展開討論，甚至利用課間時間積極向講師發問，對于提高學生的成績有很大的幫助。經過多年的課程建設，本課程在課程大綱、課件、實驗、教學模式、習題與考試等各方面已經形成了成熟的教學體系，并能夠緊跟專業特點和材料發展的趨勢，及時補充新的教學內容，使學生的知識、能力、素質等能夠滿足當前和未來的需求。

5.開設網絡平臺。課程組非常重視網絡平臺的建設，在學校精品課程網站上，《材料科學導論》課程的主頁內容豐富詳實，條理清晰，學生可以查看課程簡介，下載教學課件、視頻和相關的參考資料，就相關問題展開專題討論，為師生交流建立有效的教學信息反饋渠道。凡是與課程相關的信息都可以在網站上迅速的獲得，有些在課堂上來不及講授的延伸性內容也會放在網站上供學有余力的學生自行下載學習。通過網絡平臺建設還可以積累教學經驗和素材，進行廣泛的校際交流，帶動教學方式的全面轉變，提高學科建設的信息化水平，提高材料學科的綜合影響力。

四、教學效果評價

隨著教學時間的推移和閱歷的豐富，憑借教師充滿激情的授課和切實有效的教學方法，獲得了學生的一致好評和歡迎，在每年的學生盲評中都名列前茅。在課程網站上，有學生留言真誠地表達了自己的感想：“如果用一個比喻來形容楊振國教授的《材料科學導論》，我想將其比作為材料學課程中的‘清明上河圖。這幅全景式‘構圖將金屬、陶瓷、聚合物、復合材料和半導體材料等五大基礎材料一一呈現在學生的眼前，全‘圖結構嚴密、活潑簡潔，構‘圖起伏有序，講授生動傳神?！辈⒂袑W生結合自身經歷進行評價：“在上課期間，根據楊老師課堂闡釋的原理，我提出了一種制備手機屏幕加硬貼膜的方法，這種方法的原理源自于楊老師講的復合材料的設計以及性能，它有效地解決了手機屏幕耐刮擦的性能，該項目獲得了3M公司校園創新大賽第二名，并且應邀參加第一財經創業大賽‘天使愛上誰，取得了不錯的成績?！北菊n程自開設以來，受到校內外專家及校內教學督導組很高的評價，2012年獲評復旦大學校級精品課程，2015年獲評上海市精品課程。上海交通大學材料學院的李明教授在評審意見中肯定了本課程組的教學工作，并指出“復旦大學材料系的學生基礎知識扎實，專業知識系統寬廣，這與楊老師開設的專業基礎課有很大的關系?！边@些學生和同行教授的反饋留言肯定了課程組多年來的努力工作，也是我們繼續前進、不斷完善課程建設的動力。

五、結語

提高自主創新能力，建設創新型國家是國家發展戰略的核心，培養具有創新精神的大學生是其中的關鍵[8]?！恫牧峡茖W導論》課程講授方式新穎實用，深入淺出，集知識性、思想性、趣味性、邏輯性、前瞻性和實用性為一體，寓樂于教，又寓教于樂，讓學生在輕松、愉快的教學氛圍中學習了掌握基礎材料的基本內容，變被動學習為主動學習，使學生不僅能夠從理論上掌握一些難懂的基礎理論知識點，更懂得了這些知識點的實際用途，有效地訓練和培養了他們的綜合能力和創新能力。高等院校不僅需要培養出具有良好基礎科學研究能力的學生，更需要培養大量具有實際工作能力、創新意識和批判性思維能力的高素質人才[9]。因此，我們在教學中不僅要注重塑造學生具有良好的專業素養和解決問題的實際能力，同時也要注重激發學生對材料科學的學習熱情和對新材料研究的向往，讓學生在學習過程中能夠充分感受到基礎材料和新材料的重要價值與作用，為其后續進一步學習專業課奠定重要的基礎。

致謝：感謝上海市教委對本文的大力支持。

參考文獻：

[1]胡林峰，張群，楊振國.《材料科學導論》實驗內容的更新與拓展[J].東北大學學報（社會科學版），2013，15（2）：59-62.

[2]楊振國.上海市精品課程：材料科學導論[EB/OL].2015-05.http：//jpkc.fudan.edu.cn/s/255/main.htm.

[3]王旭珍，王新平，石川，等.物理化學研究型教學模式的構建與實踐[J].教育教學論壇，2012，（5）：36-38.

[4]候鐵紅.從輔助走向主導——計算機教學發展的新趨勢[J].教師，2014，（8）：83.

[5]Smith W F，Hashemi J.Foundations of materials science and engineering-4th ed.[M].McGraw-Hill，2006：1-11.

[6]Cahn R W.The Coming of Materials Science[M].New York，2003：167-168.

[7]Schaffer J P.The science and design of engineering materials-2nd ed[M]. McGraw-Hill，1999.

[8]朱宏.高校創新人才培養模式的探索與實踐[J].高校教育管理，2008，（3）：6-11.

[9]亢淑梅，李成威，王琳，金輝.提高金屬腐蝕與防護實驗教學效果的探索[J].東北大學學報（社會科學版），2013，15（2）：109-111.endprint