《材料科學基礎(chǔ)》課程教學改革與實踐-

《材料科學基礎(chǔ)》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(chǔ)》是面向材料類專業(yè)學生開設(shè)的一門重要理論基礎(chǔ)課,它從材料的組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的關(guān)系，闡述各種材料的共性基礎(chǔ)知識及其個性特征［口。筆者承擔了《材料科學基礎(chǔ)》這門課的教學任務(wù)，主要對象為吉首大學材料科學與工程專業(yè)的學生。這門課程是本專業(yè)最重要的一門專業(yè)主干課程，筆者選用中南大學出版社出版的《材料科學基礎(chǔ)》（第二版）這本教材，主要課程包括：原子材料的結(jié)構(gòu)，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(fù)與再結(jié)晶，固態(tài)相變，材料的強化與韌化等。該課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的銜接點，是培養(yǎng)一個優(yōu)秀學生向一個合格工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)變的切入點。但材料科學基礎(chǔ)課程內(nèi)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(shè)計能力的提升。而且傳統(tǒng)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(tǒng)教學的不足，在材料科學基礎(chǔ)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(yōu)化講授內(nèi)容⑴抽象-具體教學《材料科學基礎(chǔ)》課程中，涉及到很多微觀的概念，例如典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)特征、堆垛方式與間隙、位錯及擴散等。學生剛剛結(jié)束高等數(shù)學、大學物理、化學等公共課學習，《材料科學基礎(chǔ)》是材料學專業(yè)的入門課，這些知識點為微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)單個晶胞的間隙個數(shù)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(jié)構(gòu)框架，使晶體結(jié)構(gòu)、堆垛方式與位錯的結(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)代科學的魅力，提高學生的學習興趣。(2)串聯(lián)知識《材料科學基礎(chǔ)》課程內(nèi)容較多，在材料成分一定的前提下，材料的加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能都是相互關(guān)系的內(nèi)容，由于沒有可參照的實物，均是抽象的理論知識點，學生經(jīng)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(yīng)該把相關(guān)內(nèi)容串聯(lián)起來講授。如將材料的塑性變形與位錯密切相關(guān)，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(lián)起來，并聯(lián)系前后知識點建立知識網(wǎng)絡(luò)。此外，材料在凝固過程、再結(jié)晶過程、固態(tài)相變過程均有新晶粒形核、長大過程，這三個過程中新相產(chǎn)生與長大的機制與驅(qū)動力異同等通過表格方式進行串聯(lián)對比教學，建立系統(tǒng)的知識體系，可以加深學生對基礎(chǔ)知識的學習和理解。⑶適當溶入最新研究成果本課程以培養(yǎng)有研究和創(chuàng)新精神的材料專業(yè)人才為主要任務(wù)，詳細講授《材料科學基礎(chǔ)》相關(guān)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(chǔ)建設(shè)、生物醫(yī)療、國防建設(shè)等各行各業(yè)、各個領(lǐng)域的基礎(chǔ)內(nèi)容，在講述材料的變形時，推薦學生閱讀如盧磊等關(guān)于結(jié)構(gòu)梯度定量可控的納米攣晶銅材料高強韌性、余倩教授等關(guān)于原子尺度的濃度波起伏獲得高強韌高炳合金的論文。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(zhuǎn)課堂等更是把“互聯(lián)網(wǎng)+”時代高等教育的快速發(fā)展體現(xiàn)的淋漓盡致。通過在超星泛雅平臺上發(fā)布預(yù)習/復(fù)習資料、習題以及相關(guān)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(tǒng)的45分鐘課堂教學環(huán)節(jié)，可以更多增加教學互動性。例如在講授晶體內(nèi)部間隙時，讓學習提前預(yù)習，在課堂上身份互換，在了解金屬晶體基本結(jié)構(gòu)的前提下結(jié)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(nèi)的間隙數(shù)目、間隙半徑等，提高學生的自學能力。此外、學生經(jīng)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Q-Fe和Y-Fe中哪種結(jié)構(gòu)中的C溶解量比較大，以及不銹鋼的固態(tài)相變熱處理工藝設(shè)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(yīng)力相關(guān)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徽粗過程中的應(yīng)變與應(yīng)力分布，讓學生通過軟件的學習，了解應(yīng)變過程與應(yīng)力分布，及何徽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(jié)合提高學習興趣《材料科學基礎(chǔ)》課程作為一門應(yīng)用學科，除了基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，還要理論聯(lián)系實踐，學以致用。因此，除了常規(guī)的理論知識教學，為激發(fā)學生的學習興趣，還需鼓勵學生進入實驗室，參與設(shè)計制備材料的實驗。材料科學是研究”材料成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能”相互關(guān)系的科學，通過“實驗室”教學，可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，不僅將所學知識應(yīng)用到實踐過程中，還能在動手過程中加深相關(guān)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(jié)合固態(tài)相變理論，讓學生學會通過鐵-碳相圖確定淬火45#鋼溫度，經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)晶工藝與材料組織密切相關(guān)，讓學生自主設(shè)計實驗，對比鐵、銅等金屬材料的塑性變形程度、再結(jié)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(jié)語《材料科學基礎(chǔ)》是材料專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課，筆者通過優(yōu)化教授內(nèi)容、多種方法