《材料科學(xué)基礎(chǔ)》學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)激發(fā)與維持的探討與實(shí)踐

鄧?yán)だぃ檮P波，賈虎生，李線絨，石曉輝

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

材料的研究水平?jīng)Q定了人類社會(huì)的發(fā)展水平，材料的發(fā)展史不僅是人類社會(huì)的發(fā)展史，還是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史，人類對(duì)材料的研究由古至今尚未間斷過(guò)。材料科學(xué)是以物理、化學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合冶金、機(jī)械和陶瓷等學(xué)科，以求探討材料的內(nèi)在規(guī)律，研究材料的成分、組織、性能與合成加工關(guān)系的多學(xué)科交叉學(xué)科。然而，關(guān)于材料科學(xué)的概念，直至二十世紀(jì)六十年代，才由美國(guó)學(xué)者M(jìn).E.Fine首次提出[1]。

作為材料類專業(yè)最重要的一門(mén)基礎(chǔ)必修課程，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容涉及內(nèi)容較多，包括：材料的固態(tài)結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、擴(kuò)散、相圖、相變、形變、再結(jié)晶等內(nèi)容，所有的章節(jié)與內(nèi)容都是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。作為一門(mén)承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，這門(mén)課程學(xué)習(xí)的好壞，關(guān)系到學(xué)生能否把所學(xué)基礎(chǔ)理論應(yīng)用到專業(yè)問(wèn)題的解釋、以及對(duì)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的理解和把握[2-3]。作者自2012年起開(kāi)始從事材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的本科教學(xué)工作，在7年的在授課過(guò)程中，學(xué)生普遍反映該課程內(nèi)容復(fù)雜、抽象、難以理解，故在授課過(guò)程中學(xué)生很難高度保持注意力集中，從而使學(xué)習(xí)效率下降。更有甚者，一部分同學(xué)因該課程難學(xué)，會(huì)產(chǎn)生厭倦感，對(duì)正常的課堂教學(xué)秩序產(chǎn)生不良影響。因本課程的知識(shí)點(diǎn)繁多，很多學(xué)生雖明白每個(gè)知識(shí)點(diǎn)是什么，但僅停留于概念的名稱及相關(guān)公式的硬性記憶，關(guān)于知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)聯(lián)尚不清晰，對(duì)本課程知識(shí)融會(huì)貫通地運(yùn)用能力還存在欠缺。上述現(xiàn)象，均不利于后續(xù)專業(yè)課程的繼續(xù)學(xué)習(xí)。

如何激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的熱愛(ài)程度，提高學(xué)生對(duì)材料科學(xué)知識(shí)的掌握和運(yùn)用能力，是如今材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)的普遍難題。在此，本文結(jié)合作者自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討了激發(fā)和維持學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)興趣和熱情的具體措施。

1 合理設(shè)計(jì)第一節(jié)課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

材料科學(xué)基礎(chǔ)的第一節(jié)課，也稱為緒論課，學(xué)生對(duì)本課程的最初認(rèn)識(shí)也是從此次課開(kāi)始的。因此，第一節(jié)課的“好與壞”，直接影響學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)興趣，需要精心的設(shè)計(jì)與課程講授、引導(dǎo)。

第一節(jié)課的目的是讓學(xué)生了解材料科學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，提升其對(duì)本門(mén)課的學(xué)習(xí)興趣。如何合理地設(shè)計(jì)本節(jié)課的講授知識(shí)點(diǎn)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵所在。如上所述，材料的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步息息相關(guān)。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課程首先從人類社會(huì)的發(fā)展史講起，突出各歷史階段典型的代表材料，介紹人類是如何一步步認(rèn)識(shí)材料和改變材料的，使學(xué)生更加形象的認(rèn)識(shí)到材料的發(fā)展史是人類社會(huì)的發(fā)展史。與此同時(shí)，逐步將學(xué)生引入材料的微觀世界。比如：在講青銅器時(shí)代時(shí)，介紹“越王勾踐”寶劍。寶劍是由青銅鑄成，但劍刃卻如此鋒利，引導(dǎo)學(xué)生思考：原因何在？此時(shí)將純金屬、合金、成分、相等概念初步引入，告訴學(xué)生可通過(guò)上述等因素的調(diào)控改變材料的性能，將“軟”銅，變成“硬”銅。在講鐵器時(shí)代時(shí)，從學(xué)生熟知的"鋼、鐵的成分區(qū)別"入手，引入學(xué)生思考“二者”到底有何區(qū)別，隨后恰如其分的引入“石墨”和“滲碳體”，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)材料強(qiáng)度和塑性重要影響因素-“相”的認(rèn)識(shí)。在講解新材料時(shí)代時(shí)，首先從航天飛船、隱形飛機(jī)、核潛艇等引入，介紹航天、航天、航海等對(duì)材料的特殊需求，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)。

在學(xué)生認(rèn)識(shí)材料的基礎(chǔ)上，分析材料、材料科學(xué)、材料工程的關(guān)系，介紹材料科學(xué)基礎(chǔ)這門(mén)課程主要研究?jī)?nèi)容，帶學(xué)生認(rèn)清各內(nèi)容間的邏輯關(guān)聯(lián)。從原子講起，帶學(xué)生認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)、核外電子、結(jié)合鍵、材料結(jié)構(gòu)等內(nèi)部關(guān)聯(lián)。人無(wú)完人，物無(wú)完物，材料也是有缺陷的，其缺陷的是什么？對(duì)材料的性能有何影響？提出這一問(wèn)題，帶學(xué)生思考"晶體結(jié)構(gòu)的缺陷"這一章節(jié)。大多數(shù)的材料都是由液-固轉(zhuǎn)變而來(lái)的，這是個(gè)凝固過(guò)程，其原理為何？涉及到“相平衡與相圖”。實(shí)際凝固過(guò)程中冷卻速度很快，難以實(shí)現(xiàn)平衡結(jié)晶，其原理又如何？則涉及到“材料的凝固”這一章節(jié)。如果將材料由“液”變“固”比作材料的“出生”過(guò)程，那么“固態(tài)相變”和“材料的變形與再結(jié)晶”則是對(duì)固態(tài)材料性能調(diào)控的重要手段，也就是材料的"成長(zhǎng)"過(guò)程。如此引導(dǎo)，讓學(xué)生覺(jué)得零碎的知識(shí)章節(jié)也并沒(méi)那么陌生。

2 理論聯(lián)系實(shí)際，活躍課題氣氛

材料科學(xué)基礎(chǔ)重在理論闡述，課程較為單調(diào)乏味。若在理論點(diǎn)講解時(shí)冠以實(shí)例，則可在一定程度上活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提升學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度，提高授課效果。比如：

(1)在講擴(kuò)散問(wèn)題之前，先引入汽車軸承等零件。對(duì)于此類工件需要耐磨，即有硬度要求。但還要求抗震性，即韌性要求。引導(dǎo)學(xué)生思考，如何滿足這兩大要求。這就要求材料外“硬”內(nèi)“軟”。如何來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？工業(yè)上常用的方法就是“滲碳滲氮”，如何滲呢？這就涉及到擴(kuò)散問(wèn)題。怎么滲？這與固態(tài)原子的擴(kuò)散機(jī)制、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。基于實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，層層遞進(jìn)將學(xué)生領(lǐng)入“擴(kuò)散的世界”。

(2)鐵可分為白口鐵和灰口鐵，而常用的多為灰口鐵。根據(jù)石墨的形態(tài)，灰口鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。在介紹各類鑄鐵上，首先從其應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，再介紹其性能。比如，在講解球墨鑄鐵時(shí)，先問(wèn)問(wèn)學(xué)生在哪見(jiàn)過(guò)“球墨鑄鐵”這幾個(gè)字？一般都會(huì)給出"井蓋"的答案。此時(shí)，帶領(lǐng)大家從“井蓋”的安全性分析，球墨鑄鐵應(yīng)具備什么樣的性能。由此引出影響性能的因素：石墨形態(tài)和基體。在講基體時(shí)，應(yīng)結(jié)合相圖章節(jié)中的鐵素體和珠光體，帶領(lǐng)大家思考，如何基于石墨和基體對(duì)鑄鐵的性能進(jìn)行調(diào)控。如此不斷激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)授課效果。

(3)材料類本科生在“金工實(shí)習(xí)”中一般都做個(gè)小錘子，再對(duì)其進(jìn)行熱處理，但其緣由大多學(xué)生并不清楚。在講馬氏體相變時(shí)，先由“小錘子”說(shuō)起，提出“為何先把小錘子加熱？為何又把通紅的錘子放入水里？這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了什么？”問(wèn)題層層遞進(jìn)的將學(xué)生帶入課程學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)“馬氏體相變”。根據(jù)相變的條件，馬氏體相變特點(diǎn)及強(qiáng)化原理等，逐步給學(xué)生揭示謎底。

(4)在講材料的變形與再結(jié)晶時(shí)，可先給出一個(gè)案例：“某廠對(duì)高錳鋼制碎石機(jī)鄂板進(jìn)行固溶處理時(shí)，加熱至1100℃后，用冷拔鋼絲吊掛，由起重吊車送往淬火水槽，行至途中鋼絲突然斷裂。此鋼絲是新的，并沒(méi)有疵病。試分析鋼絲繩斷裂的原因”。在此基礎(chǔ)上，先講解變形與加工硬化的關(guān)系，再講變形后的金屬在加熱過(guò)程中，組織會(huì)發(fā)生怎么樣的變化？這些變化對(duì)材料的性能又有如何影響等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)例，將變形與再結(jié)晶的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，便于學(xué)生理解和掌握。

3 合理引入材料名人典故，吸引學(xué)生注意力

材料科學(xué)基礎(chǔ)的許多知識(shí)點(diǎn)都比較抽象，而這些知識(shí)點(diǎn)都是由材料科學(xué)家經(jīng)長(zhǎng)期的理論探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而逐步形成的[4-6]。在材料科學(xué)基礎(chǔ)的授課過(guò)程中，若將這些知識(shí)點(diǎn)的“歷史背景”予以介紹，不僅能增加學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的印象，還能大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率。比如：

(1)晶體結(jié)構(gòu)較為抽象，人們對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的最初認(rèn)識(shí)還是從衍射斑點(diǎn)間接推得的。講到衍射斑點(diǎn)，必提德國(guó)物理學(xué)家馬克思·馮·勞厄。正是勞厄在1912年發(fā)現(xiàn)了X射線衍射現(xiàn)象，才讓人們認(rèn)識(shí)晶體的微觀結(jié)構(gòu)成為可能。“吃水不忘挖井人”，X射線的發(fā)現(xiàn)者-威廉·康拉德·倫琴更是功不可沒(méi)。與此同時(shí)，簡(jiǎn)單介紹倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的過(guò)程，突出倫琴在發(fā)現(xiàn)X射線過(guò)程中的嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、忘我的科研態(tài)度，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更能激起學(xué)生科研探索的好奇心，增加對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)興趣。

(2)馬氏體轉(zhuǎn)變作固態(tài)相變的重要內(nèi)容，包括：馬氏體轉(zhuǎn)變的基本特征、晶體學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)變機(jī)制、表象理論、特殊性能及應(yīng)用等。所含知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)起來(lái)更為枯燥。因此，在本知識(shí)點(diǎn)講解前能提升學(xué)生的對(duì)此的學(xué)習(xí)興趣尤為重要。馬氏體是以德國(guó)Charlottenburg教授Adolf Martens的名字命名的，而真正對(duì)馬氏體進(jìn)行系統(tǒng)研究確實(shí)蘇聯(lián)學(xué)者G.Kurjiumov，正是因Kurjiumov對(duì)馬氏體組織、晶體學(xué)、力學(xué)性能的深入而長(zhǎng)期的研究被人們稱為馬氏體之父[6]。講到這，定會(huì)激發(fā)學(xué)生的好奇心“為什么不是同一個(gè)人？”。這時(shí)，通過(guò)Martens對(duì)馬氏體發(fā)現(xiàn)過(guò)程的介紹，給學(xué)生講解馬氏體的性能特點(diǎn)。通過(guò)介紹Kurjiumov對(duì)馬氏體的研究，給學(xué)生講解馬氏體轉(zhuǎn)變的特征。

4 基于哲學(xué)思維對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行再認(rèn)識(shí)

在認(rèn)識(shí)材料科學(xué)基礎(chǔ)各知識(shí)點(diǎn)之后，只有深入理解各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，才能做到所學(xué)知識(shí)的活學(xué)活用。而在理解各知識(shí)點(diǎn)間關(guān)系時(shí)，則多需采用辨證的思維，這涉及到哲學(xué)問(wèn)題。教育學(xué)生基于辯證的思想學(xué)習(xí)、生活，不僅有利于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)對(duì)提高學(xué)生邏輯分析能力具有很大的促進(jìn)作用。比如：

(1)基于辯證思維，學(xué)習(xí)位錯(cuò)與材料強(qiáng)度的關(guān)系。對(duì)于理想晶體(無(wú)位錯(cuò))，材料的強(qiáng)度極高，而實(shí)際晶體材料都含有位錯(cuò)，強(qiáng)度低于理想晶體，且實(shí)際晶體材料的強(qiáng)度隨位錯(cuò)密度的增加而降低；但當(dāng)位錯(cuò)密度高于某一值時(shí)，隨位錯(cuò)密度的增加，材料的強(qiáng)度反而增大。正是位錯(cuò)的存在降低了理想晶體的強(qiáng)度，也是位錯(cuò)的存在提高了實(shí)際晶體的強(qiáng)度，原因到底為何？如此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考。

(2)通過(guò)位錯(cuò)將材料的強(qiáng)度和塑性貫穿起來(lái)，并進(jìn)行辯證性思考。只有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到束縛，材料的強(qiáng)度才會(huì)得以提升。正是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難以進(jìn)行，反而是材料的塑性降低。這正是材料強(qiáng)度和塑性難以兼顧的根本原因。在此基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生思考，如何基于組織調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度和塑性的統(tǒng)籌兼顧。

(3)基于質(zhì)變和量變的辨證關(guān)系，學(xué)習(xí)Al-Cu合金的脫溶沉淀過(guò)程。時(shí)效初期，在Al基體中首先出現(xiàn)Cu原子的聚集區(qū)，稱為GP區(qū)。隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，GP區(qū)逐漸演化為θ//、θ/和θ相。θ相與Al基體無(wú)共格關(guān)系且尺寸較大，故θ相出現(xiàn)致使Al-Cu合金的強(qiáng)度降低。可見(jiàn)，只有合適的組織才能保證Al-Cu合金強(qiáng)度，時(shí)效時(shí)間與溫度需控制在一個(gè)合理的范圍。以此點(diǎn)引發(fā)，讓學(xué)生明白過(guò)猶不及的道理。

5 密切聯(lián)系科研前沿，持續(xù)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

材料科學(xué)基礎(chǔ)不僅是材料類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程，也是從事材料專業(yè)研究人員的知識(shí)寶庫(kù)。目前，在材料研究領(lǐng)域取得的各項(xiàng)成就，都是對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)拓展和延伸。在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程講授時(shí)，適時(shí)引入材料最新科研進(jìn)展，不僅能提升學(xué)生的學(xué)生興趣，還能進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)本門(mén)課的重視程度，同時(shí)可能產(chǎn)生學(xué)術(shù)專研的想法。

(1)在講材料的塑形變形時(shí)，可把剛發(fā)表到Science上關(guān)于鎂合金強(qiáng)塑形的一篇文章[7]給學(xué)生予以介紹。基于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，鎂合金的滑移系少，室溫塑形差。該研究成果，通過(guò)激發(fā)非基面滑移大幅提高鎂合金室溫塑性。借此，帶領(lǐng)大家認(rèn)識(shí)金屬的塑形除與位錯(cuò)的可動(dòng)性與否有關(guān)外，還有什么相關(guān)？答案是滑移系。接著層層遞進(jìn)的將位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)派-納力、滑移系和臨界剪切應(yīng)力等關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的梳理和歸納。讓學(xué)生在一睹科研前沿的同時(shí)進(jìn)一步夯實(shí)已學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)到再前沿的成果也是建立在材料科學(xué)基礎(chǔ)之上的。

(2)在講材料再結(jié)晶時(shí)，將自己的研究成果“鎂合金熱變形過(guò)程中組織演變機(jī)理”入課堂教學(xué)。學(xué)生在書(shū)本上只知道“晶界凸出形核”的概念，而在鎂合金中真正見(jiàn)到“晶界凸出形核”。與此同時(shí)，給大家看“不同尺度顆粒增強(qiáng)鎂基材料”的顯微組織，帶領(lǐng)大家基于已學(xué)知識(shí)分析硬質(zhì)顆粒尺寸、含量等對(duì)再結(jié)晶形核和再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大行為的影響，激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，增加其對(duì)再結(jié)晶的印象。

(3)在學(xué)習(xí)材料強(qiáng)度與塑性時(shí)，通過(guò)講解告訴學(xué)生材料的強(qiáng)度與塑性在常規(guī)制備工藝下是兩個(gè)互為矛盾的性能指標(biāo)，提高某一指標(biāo)值，另一指標(biāo)值必然下降。但通過(guò)細(xì)化晶粒的方法可同時(shí)提高兩者性能，如快速冷卻技術(shù)的引入形成的非晶、微晶和納米晶等。類似這樣問(wèn)題的提出，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于作者自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)“第一節(jié)課”，隨后的課程講授過(guò)程中理論聯(lián)系實(shí)際，適當(dāng)引入材料名人典故，基于哲學(xué)思維對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行再認(rèn)識(shí)和引入科研前沿等方法，在激發(fā)和維持學(xué)生對(duì)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》學(xué)習(xí)興趣方面效果顯著。然而，關(guān)于上述教學(xué)方法的具體案例還需進(jìn)一步的梳理與精化。如何在激發(fā)和維持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步提高其創(chuàng)新能力，還需在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)中不斷的探索與實(shí)踐。