《材料學》課程教學探索與實踐

趙天寶，王 霞，楊如意，陳寶書

(西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

1 課程簡要介紹

《材料學》是材料基礎理論密切結合工程實踐運用的學科，對于培養高技能材料方向學生的專業素養、興趣以及創新能力發揮了至關重要的作用[1]。該課程主要研究材料組成、結構、性質、生產制備工藝、本征性能與使用性能之間的相互關系，為材料設計、制造、工藝優化和生產使用提供基礎的理論依據[2-3]。材料學囊括了高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料以及復合材料等，涉及材料化學、固體物理學、生物材料、電子材料、高分子材料科學基礎等理論[4]，課程內容繁多、知識涵蓋面廣、學科交叉性強，知識掌握存在一定難度。因此，為了讓高分子專業方向的學生更好的掌握該課程，培養學生的實踐能力，培養出理論知識扎實、實踐能力強的高素質工程應用型人才，本文基于課程特點，從教學目標、教學內容、教學模式和考核制度等方面進行探索研究。

2 明確課程教學目標

基于高分子專業方向的學生對材料化學、材料物理和高分子材料科學的理論等有了基本掌握的基礎，本課程從各大類材料的結構與性能之間的關系入手，幫助學生掌握所有工業上常用材料的概念、性能、加工及應用知識。要求學生熟悉其單體及聚合工藝，理解材料的化學結構和聚集態結構與其性能，能夠結合高分子材料結構與性能之間關系，具備分析高分子材料結構及解決工程化應用的能力，從而達到能夠根據材料的結構性能要求和加工條件選擇合適的高分子材料，并進行高分子改性及配方設計的能力，同時能夠了解和熟悉高分子材料配方設計、工藝研發、產品生產等相關標準、法律法規、安全管理、社會文化等背景知識。

3 整合課程教學內容

材料學章節多，涉及的內容廣，在課時少的情況下難以將知識點拓展開來，在指定的教學時限內很難將課程全部內容講解透徹，教學效果不理想。因此，課程教學內容應該與材料科學與工程的不同專業方向相適應。如對于高分子專業方向的學生應該對課程進行精簡、合并、偏重，使課程內容豐富而不雜亂、知識點清晰而不晦澀。本課程大體上將教學內容分成緒論、金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料四個部分。從材料的發展歷程引入，通過多媒體教學方式講授各種材料的特征、分類、主要來源、結構與性能特點、主要用途，然后簡要介紹金屬材料和無機材料的基本特征、分類、主要來源、結構與性能特點，重點講高分子材料制備、成型加工方法和加工過程中各類助劑的作用機理，如通用塑料的結構與性能、成型加工方法、主要用途；五大通用工程塑料的結構特點、性能、主要成型方法及主要用途；特種工程塑料中聚苯硫醚的主要性能特點及其應用；橡膠的基本特征、分類，橡膠的主鏈結構及側鏈結構對性能的影響，通用橡膠的來源，天然橡膠的制備、結構及加工、主要應用；以增塑劑、增韌劑等為例，講述力學助劑的概念、用途及作用機理；最后系統的講授高分子材料及助劑設計配方及生產中的標準和安全事項。建立“課堂講授+科研成果展示+實驗教學”的多元化教學模式。為了激發學生對本課程的興趣，激發學生在課堂上的求知欲，實現最終的教學目標，擬采用“課堂講授+科研成果展示+實驗教學”的多元化教學模式，具體如下：

3.1 課堂講授

豐富教學方法。采用多媒體教學為主，利用大量圖片和視頻資料，形象生動地介紹材料結構及其制備過程，增強教學的直觀性，提高課堂教學信息量和教學效果，例如在緒論章節講述材料的發展史之前，給學生播放央視紀錄片《材料革命》，通過生動的視頻進入課程學習，激發學生興趣，強化學生對材料的認知，然后再介紹材料的發展歷程、材料分類、材料的基本性能、材料的結構特性及助劑，循序漸進，有助于學生對課程內容的整體把握。

聯系日常生活講授。結合日常生活中高分子現象大量舉例，提出問題、鼓勵學生積極討論并給出措施，激發學生主動學習的興趣，啟發學生思維，引導學生獨立思考和主動獲得知識，培養學生分析和解決問題的能力。比如講解塑料的特點與性能時，向同學們提問“為什么用塑料繩綁東西會越來越松？”由常見的高分子應力松弛現象入手，讓學生發表自己的觀點，借此解釋應力松弛現象，再畫出典型的應力松弛曲線，圖文結合對其應力松弛概念進行系統的講述和解釋，加深學生對該概念的理解，能起到事半功倍的效果。

加強教學過程監控。以課內討論、課堂提問等形式，形成教師課堂講授與學生學習與思考的互動；以課堂考勤和課堂提問，控制課堂教學過程；以作業、期中考試形成過程控制。如，在講解完應力松弛概念留下問題，“生活中還有哪些現象是由應力松弛產生的？你還知道哪些日常現象可以由材料特性解釋？”讓同學們在課堂上積極討論并發表意見，有助于轉變學生被動接受知識的觀念，增強學生的學習主動性，進一步提高教學效率。

強化師生互動。充分利用QQ微信群等通信技術，加強師生交流和溝通，解疑答惑，公告作業答案等相關教學資料，同時鼓勵學生通過線上方式反饋課堂感受和學習情況，充分了解學生思想動態和學習動態。定期向學生推送新材料的發展動態，形成課外互動，提高教學效果。如，在學習無機非金屬材料章節前，要求學生在學習強國觀看《匠心冶陶》宣傳片，通過對大型景德鎮市傳統手工制瓷技藝的了解認識陶瓷，進一步的講解無機非金屬材料的基本特征、分類、主要來源、結構與性能特點。

3.2 科研成果展示

材料學是一門綜述性學科，其知識體系不斷發展與更新，書籍教材的更新難免落后于時代的飛速發展，因此在教學過程中，必須結合時代前沿科研動態和行業實際需求，將科研成果引入課堂。比如，在講解力學助劑章節內容時，將自己的科研成果PP耐磨試樣展示給學生看(如圖1所示)，同時結合塑料成型工藝介紹樣品的熔融共混過程，結合高分子助劑章節介紹滑石粉對PP力學性能的作用機理。同時，展示行業前言科技成果(如圖2所示)——華東師范大學葛建平教授團隊研發的精準膠體自組裝制備的透氣耐磨的結構色織物，通過展示該研究成果的獨創性和優勢，進一步的拓展到膠體制備、粘結劑的種類和作用機理等理論知識。在教材內容基礎上結合最新研究成果，能夠讓學生更全面的認知材料，了解當下材料的研究熱點和發展新方向。

圖1 PP耐磨試樣Fig.1 PP wear-resistant specimen

圖2 基于SiO2光子晶體的結構色聚酯纖維[5]Fig.2 Structural color polyester fiber based on SiO2 photonic crystal[5]

3.3 實驗教學

專業課程中不僅設置課堂的理論教學板塊，還要開拓實習實踐板塊。課程以教師引導為主，實驗分組進行高分子材料的樣品制備及力學性能測試實驗，實驗包括掌握擠出機和注塑機的主要結構特點、操作方法，選擇材料成型加工工藝參數制備樣品，并在不同的拉伸速度下對材料的力學性能進行測試，記錄實驗過程中觀察到的現象、實驗數據，并加以討論、分析，形成實驗報告。經過小組實驗的開展，有利于加深學生對知識的理解和掌握，增強其實踐技能與理論聯系實際的能力，培養其組織溝通能力，強化學生的團隊合作精神，培養能夠適應社會發展需求的應用型、復合型人才、創新型人才[6]。

圖3 塑料力學性能測試流程Fig.3 Plastic mechanical properties test process

4 構建靈活的考核制度

課程的考核應以考核學生對課程目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握程度及綜合分析能力。鑒于此，本課程改變傳統的以期末考試成績為主的考核方式[7]，而是由平時成績(10%)、實驗成績(10%)、期中成績(10%)、期末成績(70%)4部分考核結果多角度進行綜合評價。平時成績主要考核學生對每章節知識點的復習、理解和掌握程度，主要考察學生對于高分子材料基本概念、結構與性能、應用的掌握情況，能分析高分子材料結構與性能之間關系。實驗成績根據實驗評分標準評分，總分100 分，主要考察學生對高分子材料及助劑配方設計、加工工藝、材料制備掌握情況，對于材料做出結構分析、性能測試及報告分析的能力，對材料在設計及生產中的標準及安全事項掌握情況。期中根據緒論，材料基本概念、結構與性能等相關內容設置名詞解釋、選擇題、填空題、簡答題等題型，進行開卷考試，由學生答題情況判定成績。期末針對本課程教學內容進行閉卷考試，卷面成績100分，主要考核學生對材料的概念、性能、加工及應用，熟悉其單體及聚合工藝，理解材料的化學結構和聚集態結構與其性能等基本知識的掌握，考核學生對各類材料的應用，了解各類材料的衍生物，考察分析高分子材料結構及解決工程化應用的能力。

5 結 語

基于材料學課程特點，明確提出教學目標，結合材料高分子專業定位重新整合教學內容，從材料組成、結構、性質、工藝和使用性能入手，將教學內容分成緒論、金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料四個部分。同時，以多元化的教學模式進行課程教學，在課堂講授的同時引入科研成果展示，并結合相應的實驗教學，使材料學課程的知識點更加鮮活，課堂氛圍更加活躍，并以靈活的考核制度對學生的課程學習進行考核評價，最終教學效率獲得提高。