《材料科學基礎》課程教學改革與實踐*

易繼勇，楊學弦，向延鴻，朱 嶺

(吉首大學物理與機電工程學院，湖南 吉首 416000)

《材料科學基礎》是面向材料類專業學生開設的一門重要理論基礎課，它從材料的組織結構出發，揭示材料性能、結構與制備工藝之間的關系，闡述各種材料的共性基礎知識及其個性特征[1]。筆者承擔了《材料科學基礎》這門課的教學任務，主要對象為吉首大學材料科學與工程專業的學生。這門課程是本專業最重要的一門專業主干課程，筆者選用中南大學出版社出版的《材料科學基礎》(第二版)這本教材，主要課程包括：原子材料的結構，空位與位錯，材料的表面與界面，材料的凝固，單元系、二元系、三元系相圖，固體材料中的擴散，材料的變形與斷裂，回復與再結晶，固態相變，材料的強化與韌化等。

該課程是基礎課和專業課的銜接點，是培養一個優秀學生向一個合格工程技術人員轉變的切入點。但材料科學基礎課程內容的廣泛性與學時的局限性之間的矛盾，影響了學生掌握更多的材料學知識，限制了學生分析能力和設計能力的提升。而且傳統的教學模式相對單一、學生理解費力，會使得學生對該門課程的學習失去信心，最終影響到學生的學習效果[2-5]。因此，針對傳統教學的不足，在材料科學基礎課程教學中找到一種新的教學方法是十分必要的。

1 精簡講授過程，優化講授內容

(1)抽象-具體教學

《材料科學基礎》課程中，涉及到很多微觀的概念，例如典型的金屬晶體結構特征、堆垛方式與間隙、位錯及擴散等。學生剛剛結束高等數學、大學物理、化學等公共課學習，《材料科學基礎》是材料學專業的入門課，這些知識點為微觀結構，沒有可供參照的實物，需要有較強的三維空間想象能力。那么如何將這些抽象的微觀的知識點實體化與形象化，是筆者考慮的第一個改革方向。如：在講授三種典型金屬晶體結構單個晶胞的間隙個數與位置、密排面堆垛方式、以及刃型位錯等知識點時，通過等徑球棍模型搭建晶體結構框架，使晶體結構、堆垛方式與位錯的結構從“微觀”到“宏觀”，提高教學效果。此外，在講授固體擴散知識點時，結合金屬在切削加工過程中不同條件下的擴散磨損，通過面掃描與線掃描圖片，直觀形象的體現固體材料在不同條件下的界面擴散行為及擴散行為的影響因素，讓學生學習知識的同時感受現代科學的魅力，提高學生的學習興趣。

(2)串聯知識

《材料科學基礎》課程內容較多，在材料成分一定的前提下，材料的加工工藝、組織結構與性能都是相互關系的內容，由于沒有可參照的實物，均是抽象的理論知識點，學生經常會“學后忘前”或“相互混淆”。在課程講授時，不能只單獨講某一個具體的知識點，而是應該把相關內容串聯起來講授。如將材料的塑性變形與位錯密切相關，在介紹金屬材料塑性變形后組織與性能變化時，將之與位錯的萌生、增殖、運動、塞積、交滑移等等串聯起來，并聯系前后知識點建立知識網絡。此外，材料在凝固過程、再結晶過程、固態相變過程均有新晶粒形核、長大過程，這三個過程中新相產生與長大的機制與驅動力異同等通過表格方式進行串聯對比教學，建立系統的知識體系，可以加深學生對基礎知識的學習和理解。

(3)適當溶入最新研究成果

本課程以培養有研究和創新精神的材料專業人才為主要任務，詳細講授《材料科學基礎》相關知識點，引導學生樹立遠大的理想和正確的價值觀，材料科學是涉及裝備制造、基礎建設、生物醫療、國防建設等各行各業、各個領域的基礎內容，在講述材料的變形時，推薦學生閱讀如盧磊等關于結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料高強韌性、余倩教授等關于原子尺度的濃度波起伏獲得高強韌高熵合金的論文。

2 多種教學方法融合提高教學效率

新冠病毒的大流行，客觀上促進大學線上教育的流行與完善。騰訊課堂、慕課、翻轉課堂等更是把“互聯網+”時代高等教育的快速發展體現的淋漓盡致。通過在超星泛雅平臺上發布預習/復習資料、習題以及相關科技研究成果，能夠獲得學生學習效果、拓寬視野并提高學習興趣。此外，學生還可以通過學習通手機APP進行隨時隨地學習，讓學生在學習更加便捷。

在傳統的45分鐘課堂教學環節，可以更多增加教學互動性。例如在講授晶體內部間隙時，讓學習提前預習，在課堂上身份互換，在了解金屬晶體基本結構的前提下結合高中所學立體幾何知識，讓學生講授各種晶型單個晶胞內的間隙數目、間隙半徑等，提高學生的自學能力。此外、學生經過長時間學習后注意力不夠集中，可以在課堂上提出問題，增加課堂趣味。例如，提出α-Fe和γ-Fe中哪種結構中的C溶解量比較大，以及不銹鋼的固態相變熱處理工藝設計等等，引導學生思考，提高學習趣味。

許多與材料力學、熱學、應力相關軟件如Ansys、Abaques、Deform等可作為輔助教學工具提高學生的學習興趣。如：利用deform軟件模擬金屬材料的鐓粗過程中的應變與應力分布，讓學生通過軟件的學習，了解應變過程與應力分布，及何鐓粗后會形成單鼓形狀及可能的開裂位置。

3 理論教學與實驗教學相結合提高學習興趣

《材料科學基礎》課程作為一門應用學科，除了基礎理論和基本概念要掌握，還要理論聯系實踐，學以致用。因此，除了常規的理論知識教學，為激發學生的學習興趣，還需鼓勵學生進入實驗室，參與設計制備材料的實驗。材料科學是研究“材料成分-工藝-結構-性能”相互關系的科學，通過“實驗室”教學，可以培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，不僅將所學知識應用到實踐過程中，還能在動手過程中加深相關知識點的理解和記憶，真正地學以致用。例如，通過鐵-碳二元相圖結合固態相變理論，讓學生學會通過鐵-碳相圖確定淬火45#鋼溫度，經隨爐冷卻、水淬等不同的熱處理工藝，測試不同條件處理后的材料組織結構與硬度，使學生認識到材料在成分不變的前提下，工藝-組織-性能這個材料的黃金三角含義。此外，金屬塑性變形和再結晶工藝與材料組織密切相關，讓學生自主設計實驗，對比鐵、銅等金屬材料的塑性變形程度、再結晶溫度、保溫時間等對金屬材料組織與性能的影響，使學生在實驗過程中自己獲得知識。

4 結 語

《材料科學基礎》是材料專業最重要的基礎課，筆者通過優化教授內容、多種方法融合、以及與實驗相結合等三種不同的教學方式，對傳統的課堂教學進行了改革，探索了該門課程在材料專業的實踐，激發了學生的學習熱情，取得了不錯的教學效果。在今后的教學工作中，經過不斷的努力，在教學過程中不斷反思、總結與學習，繼續推動《材料科學基礎》課程的教學改革。