《材料科學基礎》課程教學改革淺析

周 念 顧 強 周登鳳 何杰軍

（[1]貴州理工學院材料與能源工程學院 貴州·貴陽 550003；[2]重慶市計量質量檢測研究院 重慶 401120）

隨著社會信息技術的普及，新時代背景下對課程教學的改革提供了新的思路。材料科學基礎課程作為材料專業最重要基礎課程，在相關知識學習和掌握上對材料專業的學生要求頗高。材料科學基礎課程的知識點具有一定的文科課程性質，文字闡述較多，概念介紹大量存在，也包含了大量理論推導。圍繞材料四要素進行分析材料科學基礎課程，可以發現在成分、工藝、組織、性能四要素的互相關系上，有關成分和工藝在宏觀尺度的知識較少。在成分上，材料科學基礎更強調微觀的原子、分子及其鍵合方式和晶格結構等這些共性的理論概念問題。在工藝上，材料科學基礎在機械加工上強調彈性變形和塑性變形的基礎原理理論知識，在熱處理上強調原子擴散、凝固（液固轉變）、相變（固固轉變）等基礎概念。在組織上，材料科學基礎更強調晶體中的微觀結構的缺陷概念和缺陷演變等，包括點（固溶、空位）、線（位錯）、面（層錯，晶界，相界）、體（沉淀，固溶）缺陷。在性能上，材料科學基礎更偏向于金屬結構材料，重點突出四大強化機制以及微觀結構、組織相結構對力學性能的影響。對于非結構材料，則主要以介紹各類型功能材料為主。材料科學基礎課程的學習仍需要學生強化記憶知識點，但要引導學生歸納總結。

1 《材料科學基礎》課程教學現狀

本文試圖從學生角度分析課程學習,針對學生的心態建立一種課程改革思路。教學的目的是為了使學生得到知識，因此，作為知識受體的學生首先要主觀上愿意接受知識。為了保證材料科學基礎課程的教學效果，首先要保證學生的學習積極性。從教師的角度來講，大量高校教師工作者強調第一節課的形象生動，可以在課程過程中引入名人事跡，強調結合生產案例，以及采用多媒體教學等建議。但是，除了教師的上述措施，還應從學生的角度分析。提高學生學習積極性還與學生的基礎素質有關。基礎素質包括個人學習態度、個人基礎理論深度、個人學習能力高低等方面。其中任何一方面有所缺失，都會使學生在學習過程中產生厭學心態。態度不端，學生從根本上就不愿意學習。基礎不牢，對課程中出現的較深的理論學習困難。學習能力差，很難快速適應大學教育中海量的綜合課程信息。因此，本文對材料科學基礎課程本身的改革分析基于上述三個方面分別論述。對于學生學習態度問題，和材料科學基礎課程本身關系較小，對于學生而言是所有課程的共性問題。態度問題上需要強化對學生的思政教育工作，突出輔導員的指導作用；學生干部和學生之間親和力更好，相互了解容易，要充分發揮學生干部的基礎作用。其次針對學生的生活需求進行獎勵鼓勵。在學習鼓勵上多方位引導學生，針對滿足考核條件的學生進行獎勵。需要指出，在主動提高學生積極性的同時，還需強化考核強度，豐富考核方式。

對于已經具備學習積極性的學生，材料科學基礎課程本身具有知識點多且課時緊張、理論性強、內容抽象、知識體系邏輯性弱等特點。這些客觀問題存在關系著學生的學習能力和基礎理論深度兩個方面。在學習能力上，要注重分析學生的想象力（理解能力）、記憶力、思維邏輯能力、注意力（認真）等。要基于對材料科學基礎的課程分析，對課程進行合適的調整來契合學生的能力問題。根據調研，現有主流的材料科學基礎教材以及互聯網中值得借鑒的教學資料，其理論深度參差不齊。在教學中根據學生基礎素質情況對教學內容進行調整改革，做到有的放矢，才能提高教學效率。通過對知識點的分類分析，本文認為根據具體專業方向適當收縮課程知識點，解決知識點多的問題，使學生在有限的時間內能扎實學習本專業方向的材料科學基礎知識。材料科學基礎課程中含有數學理論體系的主要包括位錯理論及位錯動力學、擴散理論、相變理論。從理論深度上講，這幾部分理論分別都有單獨的理論教材去完整的進行理論體系的詳細、深刻的推導論述，其在邏輯上更為完備。試圖在材料科學基礎這門綜合性基礎課程中讓學生完全理解有一定難度。因此，可以弱化對這幾部分理論的推導教學。弱化深度數學理論的推導不等于放棄不講，而是強調以通識介紹、理清理論邏輯為主，使學生對相關理論有整體的認識，以此解決材料科學基礎理論性強的問題。

材料科學基礎教程還普遍存在內容抽象的問題。對于材料專業的學生，材料科學基礎往往是學生在材料專業課程中的第一門課。在課程教學中要引導學生想象，了解學生的普遍接受能力，幫助學生理解。針對抽象問題，目前已有大量教師提出較多方案，如采用動圖、圖片、實踐等方式。動態圖、圖片等方式的確對學生在理解抽象性上有較好的啟發效果，然而目前教學中大多數教師的影像資料來源于網絡、教材，重復性較高，且局限于二維平面，對幫助理解仍然有限。實踐方式上基于每個學校的實驗條件，往往局限于學生在金相、相圖、熱處理等操作性強的方面實踐，對較為微觀的晶面、位錯運動、晶界、多晶結構等基礎認知幫助仍然有限。本文提出采用幾種材料結構建模和模擬軟件，建立三維可視化的晶面、位錯運動、晶界、多晶結構等，提高學生對材料科學基礎的學習理解能力，解決知識抽象問題。此外，基于針對材料科學基礎教材的分析，構建了基于力影響和熱影響的知識點分類思維導圖，從而為學生建立一個良好的知識體系，解決知識體系邏輯弱的問題。

圖1：材料科學基礎課程基于力影響和熱影響的知識點分類思維導圖

2 《材料科學基礎》課程教學改革

2.1 課程知識體系邏輯

材料科學基礎作為材料專業學生的必修專業入門課程，其知識體系上具有綜合性強的特點。材料科學的幾個重要分類在材料科學基礎中都有所包容體現。材料在種類上包含金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料以及復合材料。材料的知識體系又包括成分、工藝、組織、性能及其相互關系等方面。材料在變化過程中吸收的能量形式包括功（變形）和熱（熱處理）。材料在功能上又包括光學、電磁學、熱學、力學、化學以及相互耦合等性能。不同特征分類之間又交叉結合，致使材料科學基礎課程的知識點紛繁復雜。例如，在上海交通大學出版的教材中，各種類型材料的知識分散在各個章節中。從教材編著的角度講，作為一門專業基礎課程，追求知識點的全面是為了滿足更廣泛的材料科技工作者的需求。然而對于學生而言，如此豐富的信息魚貫而入，顯然很難在短時間將信息內化為知識。

本文基于金屬材料最常用的兩類處理方式（變形和熱處理）為核心，將普遍使用的材料科學基礎教材中的知識分為三大模塊，如圖1所示。第一模塊為固體材料基礎知識。這一模塊為材料科學基礎中的基礎，主要圍繞構成固體的最基本單元原子和晶體結構的相關知識，以及晶體結構材料中的缺陷形式。第二模塊為與材料加工相關的基礎知識。主要圍繞固體材料在力和熱的作用下，材料的組織結構所產生的變化規律。在力的作用下，材料會產生彈性和塑性變形。協調材料塑性變形的方式主要為位錯形核運動和孿晶形核長大。在熱的作用下，材料中原子的擴散性和遷移性提高，與此相關的組織變化是液固轉變（凝固）和固固轉變（相變）。此外，在力和熱的共同作用下，材料還會有耦合的組織變化形式，如再結晶、熱變形等。根據這種歸類思路，還可以發現如果打破這種分類方式，將力和相變結合，可以聯系到最近處于研究前沿的TRIP鋼。第三模塊將一些特殊固體材料綜合在一起。其中包括了物理功能類材料和新材料，如碳材料、納米材料、高熵合金、復合材料等。這一模塊中的材料往往是目前科學研究前沿，還沒有形成完整體系的理論，在學生學習過程中也注重于認識了解。

通過對知識進行模塊化劃分，除了可以從復雜眾多的知識點中找到一根理解準繩，還可以從學生的能力角度調整教學的深度。例如，第一模塊作為基礎，必須是所有材料學科都需要強化記憶理解的重點。只有在這些基礎知識深刻理解的基礎之上，后續的知識學習才能順利的進行。因此，在這一部分學習過程中，有必要放慢教學速度，如多采用黑板板書，使學生有較多的課堂時間去逐漸理解。又如，對于第二模塊，是金屬材料專業所有相關課程的基石。只有理清金屬材料在力和熱作用下發生的微觀結構變化規律，才能形成完整的金屬材料基礎理論。因此，此模塊中力熱影響下材料的微觀結構變化應成為教學重點。

圖2：材料微觀結構的形象化

2.2 模擬形象化

材料的性能由微觀結構決定。材料科學基礎旨在給材料的宏觀概念提供理論基礎，因此在有關概念介紹中基本會脫離現實生活的認知范圍，進入微觀尺度深入解釋材料性能表現的依據。這就使得學生在學習過程中必須建立微觀的概念，接受抽象的認知對象。例如，晶體結構、位錯、孿晶、相組織等。通過對這些基礎對象的深刻認識，才能讓學生對材料科學基礎知識有效的吸收和深刻的理解。盡管這些對象屬于微觀尺度，但還沒有進入量子尺度范疇，通過現有的材料表征手段可以實際觀察到。目前的教學實踐中已經存在幾種形象化模式，如晶體結構示意圖、位錯示意圖、金相照片等。但是，這些形象化手段還存在維度不足、動態效果差、脫離材料實際等問題，學生的實際接收效果并不好。本文結合科研實踐，在對材料的模擬研究中發現許多微觀結構對象可以在模擬中以非常形象豐富的方式呈現，例如，在經典的材料科學基礎教材中，對刃型位錯、層錯、不全位錯、擴展位錯的概念均建立在示意圖層面，在認識過程中難以形成深刻的認識。作者在研究面心立方金屬的變形過程中，觀察到上述概念均可動態呈現，如圖2所示。其呈現的可視化原子排列清晰可見，缺陷特征明確，并展現出實際存在于材料的變形過程中。又如，對于晶體結構的堆垛形式和密勒指數的對應關系，盡管在傳統教材中已有較為清晰的示意圖，但通過模擬建模，可以通過短視頻方式三維展示不同層次的原子面堆垛方式，使學生對不同晶體結構的區別認識更加深刻。

3 總結

材料科學基礎是材料相關專業學生需要掌握的重點課程。結合學生學習材料科學基礎中存在的問題，本文提出了一種新的思維導圖理清本門課程中的知識邏輯。此外，針對學生在學習過程中存在的抽象理解問題，本文認為可以借鑒材料模擬軟件對其中的微觀抽象概念進行形象化。這種形象化可以使得大量抽象概念得以明確的區分和認識，同時可以同步結合到材料的加工過程中，降低學生對材料科學基礎知識的吸收和接受難度，提高學生的學習積極性。最后，這種模擬形象化可以進一步拓展結合到線上課堂中，建立基于模擬的實踐仿真課程。