1、工程材料論文/材料科學(xué)與工程專業(yè)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”大平臺(tái)教學(xué)研究        摘要為適應(yīng)高等教育改革的要求，本文根據(jù)暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和方案，對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”大平臺(tái)教學(xué)進(jìn)行探討。從課程發(fā)展的歷史、性質(zhì)及定位出發(fā)，優(yōu)選教材，并依據(jù)“奠定學(xué)科基礎(chǔ)”的角度，對(duì)教材中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了科學(xué)地?fù)P棄，從而合理組織教學(xué)，科學(xué)運(yùn)用教學(xué)手段，從中取得了一些較好的教改效果和經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞材料科學(xué)與工程專業(yè)材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是研究材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科，是材料科學(xué)與工程專業(yè)一級(jí)學(xué)科

2、公共主干專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)教育部提出的拓寬專業(yè)口徑、按專業(yè)大類進(jìn)行人才培養(yǎng)的基本思路和1997年國務(wù)院學(xué)位辦頒發(fā)的新專業(yè)目錄，材料類的專業(yè)設(shè)置不再按傳統(tǒng)分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料。為此，各相關(guān)高校在材料科學(xué)與工程專業(yè)主干課程“材料科學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)上都進(jìn)行了教學(xué)改革。暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)自2002年設(shè)立以來，就依據(jù)教育部的要求，將專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定為培養(yǎng)“大材料”科學(xué)研究與工程技術(shù)所需的人才。故“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容設(shè)置為介紹三大材料的基礎(chǔ)知識(shí)，在教學(xué)模式、手段及課程配套方面也具有鮮明的特色。本文闡述了暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程系以“奠定學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維能力”為宗旨

3、，開展“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)工作的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。并以此為契機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，探索新的教學(xué)模式和教學(xué)手段，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。一、課程發(fā)展歷史、性質(zhì)與定位材料是人類文明發(fā)展的基石。人類發(fā)展的文明史就是按石器時(shí)代、陶器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代來劃分的，可見材料對(duì)人類文明進(jìn)程的重要貢獻(xiàn)。與人類使用材料的漫長歷史相比，對(duì)材料的研究即材料科學(xué)的歷史比較短暫。19世紀(jì)中葉，開始采用金相顯微鏡研究鋼鐵，相平衡熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)則為建立材料的相平衡與相變提供了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)20年代，原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)提供了研究材料微觀結(jié)構(gòu)的理論，X射線衍射技術(shù)和電子顯微技術(shù)為探索材料的微觀結(jié)構(gòu)提供了手段。20世紀(jì)50

4、年代，金屬學(xué)已初具規(guī)模。高校金屬材料專業(yè)都開設(shè)了金屬學(xué)課程。到20世紀(jì)60年代，世界經(jīng)濟(jì)的騰飛促使陶瓷學(xué)和高分子材料學(xué)建立，其代表作分別為wG金格瑞的陶瓷導(dǎo)論(Introduction to Ceramics)和PJ Flory的高分子化學(xué)與物理(Polymer chemistry and physics)。前者，wG金格瑞教授將金屬學(xué)的原理應(yīng)用于無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、相變及性能分析當(dāng)中，成功地指導(dǎo)了水泥、玻璃和陶瓷材料的生產(chǎn)和科研。而PJ Flory教授則主要圍繞聚合物的合成過程、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及物理、化學(xué)等行為特征，闡述了高分子材料的結(jié)構(gòu)及性能。到今天，三大材料的研究相互滲透，研究

5、方法相互借鑒，產(chǎn)生了21世紀(jì)的材料科學(xué)?！安牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)”著眼于材料基本問題諸如材料的結(jié)合鍵、材料的晶體結(jié)構(gòu)及缺陷、材料的相結(jié)構(gòu)與相圖、材料的凝固、材料中的擴(kuò)散，材料的塑性變形、材料的亞穩(wěn)態(tài)。從金屬材料的基本理論出發(fā)，將高分子聚合物材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等結(jié)合在一起，使學(xué)生能把握材料的共性，熟悉材料的個(gè)性。本課程橫向融合金屬材料、陶瓷材料和高分子材料的基礎(chǔ)理論于一爐，縱向則充分利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)(包括高等數(shù)學(xué)、普通物理、物理化學(xué)、材料力學(xué)等)，并能連接后續(xù)的材料的分析與表征、材料物理、材料加工工藝學(xué)等必修課程及高分子材料、無機(jī)非金屬材料、金屬材料等模塊的選修課程。二、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和選

6、擇現(xiàn)代材料工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)材料從組成、結(jié)構(gòu)和功能的單一化向復(fù)合化、一體化發(fā)展，使培養(yǎng)大材料、寬專業(yè)人才的教學(xué)改革迫在眉睫。在此形勢下，2002年暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)立并開始招收首屆本科學(xué)生，確定了材料科學(xué)基礎(chǔ)為專業(yè)基礎(chǔ)課(必修，72學(xué)時(shí)，4學(xué)分)。本課程內(nèi)容旨在以物質(zhì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)形成為主線將三大固體材料(金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料)的基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建大材料專業(yè)公共性專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)體系。該課程體系旨在強(qiáng)化對(duì)學(xué)生重基礎(chǔ)的通才教育模式，在教學(xué)內(nèi)容上力求共性教學(xué)，突出個(gè)性特點(diǎn)。為此。從選擇教材著手，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化基礎(chǔ)教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新能力以及運(yùn)用基礎(chǔ)理

7、論解決實(shí)際問題的能力。目前， “材料科學(xué)基礎(chǔ)”教材體系可分為兩大類。第一類沿襲“金屬學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容，增加了少量無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等內(nèi)容，往往側(cè)重金屬材料。這類教材基本上適合以金屬材料為主導(dǎo)的材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)。第二類教材則是在增加非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等新材料內(nèi)容的同時(shí)，對(duì)該課程的所有內(nèi)容進(jìn)行了全新的組合，將它們有機(jī)地融入整個(gè)教材體系中，形成新的包含各種類型材料的教學(xué)體系。由于低年級(jí)本科學(xué)生的專業(yè)知識(shí)有限，這類教材在教學(xué)中要突出構(gòu)建整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的邏輯性和條理性，避免學(xué)生掌握了各材料的個(gè)性，卻忽視了各材料的共性，從而使整個(gè)課程陷入一個(gè)“材料學(xué)概論”的泥潭。為

8、達(dá)到突出共性教學(xué)的目的，搭建一個(gè)合理材料科學(xué)與工程的知識(shí)平臺(tái)，根據(jù)整個(gè)學(xué)科的培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃，我們選擇上海交通大學(xué)出版社出版的面向21世紀(jì)新教材材料科學(xué)基礎(chǔ)作為教材，從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，該教材最顯著的特點(diǎn)是著重于基本概念和基礎(chǔ)理論，便于在教學(xué)中掌握深度和廣度。根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求和培養(yǎng)方案的特點(diǎn)，在確立教材內(nèi)容、體系與后續(xù)課程的相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，在保持課程自身體系的完整性的條件下，兼顧到不同材料的特點(diǎn)及知識(shí)體系與要素課程內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系，對(duì)該教材的內(nèi)容進(jìn)行了“揚(yáng)棄”，將課程教學(xué)內(nèi)容分為三大模塊：1材料的結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)：原子的排列方式、高分子鏈結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)的完整性：晶體學(xué)基礎(chǔ)、金屬的晶體

9、結(jié)構(gòu)、合金、離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則、共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)、聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)的不完整性：晶體缺陷、表面和界面、非晶態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)。2固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散：菲克第一、第二定律、擴(kuò)散的熱力學(xué)分析、擴(kuò)散原子理論、影響因素；高分子的分子運(yùn)動(dòng)：分子鏈的運(yùn)動(dòng)及其柔順性、分子的運(yùn)動(dòng)方式及影響因素。3材料的組織結(jié)構(gòu)變化。材料的形變和再結(jié)晶：單晶和多晶體的塑性變形、回復(fù)和再結(jié)晶；相圖。單元系相圖：凝固、形核和晶體長大；二元系相圖：勻晶、共晶和包晶相圖、混溶間隙、相圖分析；三元系相圖：相圖基礎(chǔ)、三元?jiǎng)蚓Ш凸簿鄨D。為了在上述教學(xué)內(nèi)容中力求共性教學(xué)，以最大限度地淡化三大材料各自的專業(yè)色彩，力求突出共性的內(nèi)容。例如

10、，相平衡與相圖的內(nèi)容，選擇了相律、相平衡熱力學(xué)理論、一元、兩元和三元基本相圖類型的閱讀等為重點(diǎn)內(nèi)容，而淡化與此相關(guān)的教材中有關(guān)金屬材料的冶金和鑄造方面的內(nèi)容。通過多年的教學(xué)實(shí)踐，上述教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化既得到了后續(xù)課程教師的肯定，又使學(xué)生學(xué)以致用，達(dá)到了奠定學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)、培養(yǎng)科學(xué)思維的目的。三、教學(xué)內(nèi)容組織方式與目的本課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)是“三多一少”，即敘述性的原理、規(guī)律多，需要記憶的概念、定義多，課程內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多。理論計(jì)算少。因該課程內(nèi)容枯燥、抽象，學(xué)生感到難學(xué)。具體表現(xiàn)在：不能很好地將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到材料科學(xué)的基礎(chǔ)課程、無法判定從而掌握教學(xué)內(nèi)容中的重點(diǎn)、不能將所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際的材料聯(lián)系起來。所以

11、，我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容的組織上做了一些探索：1突破傳統(tǒng)的“一本教科書”的局限性。本課程的教學(xué)內(nèi)容在嚴(yán)格按照教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃授課的同時(shí)，綜合多種中文教材、英文教材等，力圖做到知識(shí)面完整、講授描述通俗易懂。如針對(duì)本專業(yè)每年都有數(shù)目不等的海外學(xué)生的特點(diǎn)，在教學(xué)提倡采用臺(tái)灣曉園出版社出版的材料科學(xué)與工程作為補(bǔ)充性教材，提升外招學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的認(rèn)同感和認(rèn)知度。2探索課堂教學(xué)，有所為，有所不為。課堂講重點(diǎn)、難點(diǎn)，講思路，留給學(xué)生充分的思考時(shí)間和空間，以調(diào)動(dòng)他們的主動(dòng)性和積極性。對(duì)難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，盡量舉出其應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合學(xué)科前沿知識(shí)，使學(xué)生知道該原理的用處，聽課時(shí)不感到抽象、空洞，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際的目的。而且

12、，對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容務(wù)必做到舉一反三，確保學(xué)生能夠掌握，以達(dá)到以點(diǎn)帶面，進(jìn)而掌握所學(xué)知識(shí)的目的。3注重教學(xué)內(nèi)容的連貫性，連通性，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通能力。本課程在教學(xué)過程中，提倡預(yù)習(xí)，并將即將講授的知識(shí)點(diǎn)與所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)告知學(xué)生，使其掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。對(duì)部分關(guān)聯(lián)度高的章節(jié)，采用課堂討論、換位講授等方法，調(diào)動(dòng)課堂氣氛，使學(xué)生自覺地運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解決教學(xué)過程中的難點(diǎn)，從而提高他們通曉所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的能力，達(dá)到全面提升專業(yè)素質(zhì)和人文素質(zhì)的目的。例如，在相圖的學(xué)習(xí)中，嘗試讓學(xué)生利用所學(xué)的物理、化學(xué)知識(shí)換位講授一元相圖和二元相圖的基礎(chǔ)，一方面使他們學(xué)會(huì)對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和演繹，另一方面提升他們

13、的口頭表達(dá)、演講技巧。4充分、恰當(dāng)?shù)夭捎矛F(xiàn)代化多媒體教學(xué)方法，并輔之以動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)圖、文、聲、像的視聽一體化教學(xué)。特別是對(duì)那些教學(xué)難點(diǎn)和需要豐富空間想象力的內(nèi)容，形象、生動(dòng)地展示在學(xué)生面前，既直觀又富動(dòng)感，可明顯提高教學(xué)效果。四、教學(xué)方法與教學(xué)手段“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容抽象、概念性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)容易感到枯燥難學(xué)。因此，在課堂上應(yīng)常采用啟發(fā)式教育，常用提問、問答或引而不發(fā)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極思維能力。在講授時(shí)使用PPT演示文稿，盡量多用教學(xué)模型、掛圖、照片和曲線圖表等形象化語言。涉及部分教學(xué)內(nèi)容如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等，應(yīng)結(jié)合動(dòng)畫生動(dòng)地用圖像演示給學(xué)生，以加深他們對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于部分與

14、前期知識(shí)關(guān)聯(lián)度高的基本理論如單元相圖，組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論(seminar)，并以學(xué)生發(fā)言為主，讓他們直接參與教學(xué)。對(duì)需要運(yùn)用較多數(shù)學(xué)知識(shí)且理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，如擴(kuò)散第一、第二定律，應(yīng)多采用板書推導(dǎo)，加強(qiáng)邏輯性學(xué)習(xí)。另外，為了提高學(xué)生對(duì)那些需要有豐富空間想象力的晶體結(jié)構(gòu)、金相組織的轉(zhuǎn)變和識(shí)別、位錯(cuò)、位錯(cuò)增殖和纏結(jié)過程等知識(shí)難點(diǎn)的理解和掌握，將先進(jìn)的多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段引入材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中，并讓它們以二維或三維動(dòng)畫形式生動(dòng)形象地展示在學(xué)生面前，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間等方面的不足，以提高教學(xué)效果。在課外，還可建立QQ空間，在群聊中解決課堂中來不及解決的問題，通過師生交流，提高學(xué)生探索性自學(xué)能力和

15、學(xué)習(xí)的積極性。在“寬口徑，大平臺(tái)”培養(yǎng)模式下開展材料科學(xué)與工程教學(xué)， “材料科學(xué)基礎(chǔ)”作為專業(yè)必修的主干課程，突出共性教學(xué)是打好學(xué)科專業(yè)知識(shí)的必備條件。從時(shí)代的需要出發(fā)，合理選擇及組織教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)手段和方法，使其與教學(xué)內(nèi)容相互協(xié)調(diào)，是構(gòu)建新時(shí)代“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)體系的關(guān)鍵。今后， “材料科學(xué)基礎(chǔ)課程”將繼續(xù)圍繞以符合時(shí)代發(fā)展、符合教育規(guī)律為中心開展課程建設(shè)，不斷探索和實(shí)踐，為成功培養(yǎng)寬專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1石德珂，材料科學(xué)基礎(chǔ)M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003。21張聯(lián)盟等，材料科學(xué)基礎(chǔ)M，武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2004。3劉智恩，材料科學(xué)基礎(chǔ)M，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,

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