《金屬學原理》課程教學創新性改革探索

王淑艷 秦亮 張小立 周瑞

摘 ? 要：材料始終是作為科技發展的基礎與推動力，對國家工業發展和國民經濟提高起著至關重要的作用。《金屬學原理》是材料科學與工程專業最重要的基礎課之一，本文主要探索通過課程體系的改革，增加互動式教學、網絡課堂平臺、課下活動等提升課堂趣味性，同時對課堂教學效果有幫助的硬件設施進行更新，與時代發展對接，引入有助于教學的先進技術。

關鍵詞：金屬學原理 ?課程改革 ?課程體系建設 ?互動式教學

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0233-02

20世紀70年代，信息、能源、材料被看作人類文明的三大支柱產業。進入21世紀，新材料與信息技術、生物技術成為新技術革命的重要標志[1-2]。高校材料科學與工程專業肩負著為國家培養材料學高級技術人員的任務，為了培養滿足社會發展、經濟建設和科技進步的高素質材料科學工程技術人才，對專業基礎課進行課程改革，以專業課程理論的基礎化為思想方針，課程教學模式的創新性改革為途徑，輔以教學設備的先進化更新，為我國培養創新型的高技術人才[3]。

1 ?《金屬學原理》課程概況

金屬學原理課程是我校材料科學與工程專業最重要的專業核心課之一，既是引導學生進入本專業領域的入門課程，又是使學生掌握材料科學基本原理的理論課程[4]。作為材料科學與工程專業學生的必修課與入門課，我校的《金屬學原理》分Ⅰ和Ⅱ兩部分進行教學，Ⅰ部分著重材料科學的基礎理論知識教學，Ⅱ部分著重金屬學熱處理知識的教學。本文主要圍繞金屬學原理Ⅰ的教學進行改革性的探索。

《金屬學原理Ⅰ》是研究材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間關系變化規律的一門學科，在課程內容上，從晶體學基礎到晶體中的缺陷，以材料變形與再結晶為例，認識微觀上的位錯等晶體缺陷在材料屈服或退火時的影響機制，拓展性地引入晶界等界面知識;了解固體材料的微觀結構，以此為基礎學習固體中的擴散，進一步認識了凝固過程中的形核與長大過程;掌握固態相變的基本原理，從而能從熱力學角度去認識和學習相圖;最后從不同材料的應力應變行為出發，探究其變形機制，從本質上理解不同種類的材料在力學性能上差異大的原因。

從具體的學習內容上，可以看出金屬材料學課程具有“三多一少”的特點，即：原理、規律多，課程內容知識點多，概念、定義多，而理論計算少?；靖拍詈苋菀谆煜瑫r《金屬學原理》的原理規律有在基礎課程中學過的熱力學三定律，更多的是擴散定律、相圖杠桿定律之類的新理論?！督饘賹W原理》“三多一少”的特點讓學生在學習該課程時覺得枯燥、抽象、難以理解。為此，需要在課程教學上進行創新，對課程的體系建設、教學設計以及教學效果進行研究，探索出適合《金屬學原理》的教學模式，讓學生能學有所得，使該課程能真正成為學生進入材料專業的基石而非攔路石。

2 ?《金屬學原理》教學改革方案

2.1 體系建設：課程基礎化

《金屬學原理》是一門專業基礎課，本課程在課程設置上起著承先啟后的作用，它是大學物理、無機化學以及材料物理化學等課程中相關內容的深入，又是材料專業基礎理論的“啟蒙”，為后續課程的展開扮演著基礎鋪墊和專業引導的角色。因此有必要對專業課程進行體系化的認識與建設，使《金屬學原理》真正的基礎化。

課程體系化建設由小到大分三步走。第一步，《金屬學原理》課程內部知識的體系化。教師應針對性的培養學生總結歸納知識體系的能力，不只是每章一總結，而是在學完課程后，對該課程所講所有內容，能搭建起知識框架。例如針對《金屬學原理》這門課，從物質由小到大的構成，先形成“晶體-相-組織”這樣的知識樹干，然后對于晶體，又有晶體基本分類、晶體中的缺陷、晶界等知識樹枝，晶體中的缺陷有點缺陷、線缺陷、面缺陷等，關于線缺陷位錯，學習了位錯的運動、位錯的增值及位錯的彈性性質等等，這些則可稱之為知識樹葉，形成一定的知識框架。在形成知識框圖后，需要在這棵知識樹中間進行“拉線”，就是將有關聯而無從屬關系的知識點聯系起來，讓學生對《金屬學原理》達到融會貫通的程度。課程體系化建設的第二步，是專業領域內課程的體系化。針對材料專業，構建“一個中心，多個發散點”的體系，即以《金屬學原理》為中心課程，其他相關專業課程作為發散點。對于重疊知識點，以《金屬學原理》詳講，其他課程為預講或補充，同時適當增加課時。專業知識體系的構建需要相關課程老師的配合，對彼此課程中重復知識點要清楚，并安排好講解的詳略，保證既不出現知識真空，又不至于浪費時間重復講解某個知識點。課程體系化建設的第三步，是將所學專業知識納入已有的科學物質觀中。比如關于物質構成，中學的知識體系是“物質-分子/原子-原子核與電子-質子與中子-夸克”，在學習了材料學后，在物質與原子之間插入晶體、相和組織，從而形成“物質-組織-相-晶體-分子/原子……”的科學物質觀。在授課過程中，教師有必要對有關聯性的其它專業知識對學生進行答疑，讓他們主動去對比專業與專業間的交叉和聯系。

《金屬學原理》作為一門專業基礎課，課程改革首先要從思想上認識到它的基礎性，教學體系上梳理貫通，使學生能在學完該課程后，對所學專業有清晰的認識，如此便可高屋建瓴，對后續更深入的專業方向的學習游刃有余。

2.2 課堂建設：教學方式有趣化

《金屬學原理》課程概念雜、理論難、需要記憶的知識點多，導致學生覺得課程枯燥、抽象、難以理解，為此需要在課堂教學方式上進行創新，使《金屬學原理》課程的課堂有趣化。

過去，為保證教學進度，課程的教學手段單一，基本上是老師“一言堂”式的講解，學生對知識的理解收效甚微。課堂教學方式的改革可以從互動式教學開始，即改變以往老師講學生聽的方式，在授課教師的引導下學生之間或學生與老師之間進行專題討論課，但是要避免形成單一的學生展示環節?；邮浇虒W應該是這樣的：首先，專題明確。針對某個問題，進行集體討論。上述學生展示式的上課方式最大的弊端是不同組的學生分到不同章節內容，每個組只針對自己的專題查詢資料，對其它內容不了解，而且在展示時只認真聽自己組的內容。因此，互動式教學要有明確統一的主題;其次，互動式教學主題的延拓。不應只盯著課本，要放眼于大專業，去找值得討論的主題。結合當下熱門的相關主題進行討論，最熱門的材料以及和材料相關的制造行業等等;最后，互動式教學的方式多樣化，對發散性專題甚至可以展開辯論。例如材料制造技術中的3D打印技術，能否在建筑領域推廣。提前將辯題布置，可以讓學生主動去查資料，在整個互動式教學過程中，授課教師起到至關重要的作用，提出可供探討的主題，組織學生討論或辯論，還要對學生提出的知識點隨時糾正補充，甚至有些教師不了解的知識點，被學生挖掘出來，這是一次教學相長的過程。

信息化時代，由于智能手機、平板電腦、掌上電腦等各種手持式移動設備的迅速普及，使得移動學習成為可能，并逐步發展為一種新興的學習方式。手機而非課本成為每個學生上課必帶品，教師不一定非強制學生不能帶手機進課堂，而是可以利用手機成為網絡課堂互動工具，引導學生利用移動設備進行學習?！督饘賹W原理》理論體系龐雜，課時有限，課堂互動工具的使用，對學生來說將課前預習、課堂互動與課后復習結合，對教師來說將課前簽到、課堂授課和課后反饋結合，高效地完成了教學任務。同時，這些課堂互動工具有效地調動了學生學習的積極性、調節課堂氣氛，在增加學生參與度的同時還能很好地提高課堂效率。

2.3 硬件建設：教學設備先進化

《金屬學原理》課程中涉及大量的微觀或宏觀結構模型，即使教材圖片豐富，二維的圖也很難展示三維的結構，因此有必要借助模型設備或其他手段來方便學生對課程的理解。

課程涉及的結構模型有靜態的，也有動態的。針對動靜態的模型，采用不同展示手段。對于靜態結構，可以搭建模型，例如晶體結構，可以用塑料球和塑料棒搭建不同的布拉菲點陣。另外，動態的結構則需要制作微視頻，例如螺型位錯的三維形態，以及位錯的滑移和攀移等過程，特別是刃型位錯的攀移過程中，如果能用微視頻展示這個過程，空位濃度的變化導致上攀移還是下攀移將一目了然。相圖這一章中，學生需要分析不同成分下降溫導致的金相組織的變化。對應亞共晶二元合金的降溫凝固過程，將端際固溶體α和β的先后析出過程用微視頻展現，學生對相圖不同階段的相變化與組織形貌將有更清晰的認識。

通過搭建模型、制作微視頻等都是為了幫助學生更好的理解《金屬學原理》的微觀或宏觀復雜模型結構，但也要讓學生認識到模型與實際觀察的區別，因此需要開設現代分析測試設備實驗課，學生通過SEM或TEM等顯微電鏡觀察物相的實際顯微形貌，并與模型對照，從而對課程涉及的微觀結構有準確而深入的認識。

3 ?結語

在以“中國制造2025”為目標的創新性工業強國的建設中，機械制造、通信、航空航天等領域都需要以材料學發展為依托和基礎，在此背景下，如何培養出滿足國家工業發展所需的材料學高技術人才，是一個亟待探索的課題?！督饘賹W原理》的課程改革以創新型課堂模式為途徑，將重點放在專業課的深入學習與掌握上，力圖培養應用型人才的基礎，為國家材料領域的發展提供源源不斷的人才。

參考文獻

[1] 賈淑果，寧向梅，田保紅，等.材料科學基礎多媒體教學探討[J].中國現代教育裝備，2010（5）：87-89.

[2] 韓強，趙莉萍，李濤，等.工程教育認證下的材料科學基礎教學改革初探[J].中國現代教育裝備，2017，27（9）：33-35.

[3] 黃俊俊，丁明，張全爭，等.材料科學基礎課程教學實踐與教學改革[J].廣州化工，2017（45）：122-123.

[4] 蘇昆朋，王海歐，陳婷婷.淺談如何提高金屬學原理教學效果[J].中國現代教育裝備，2017（19）：225-226.