《材料科学导论》课程的教改探索与实践

范圣男，杨振国

摘要：《材料科学导论》课程是复旦大学材料科学系面向本系三个专业及上海第二军医大学的临床医学专业学生开设的一门专业必修课程。本文结合教学实践，就课程教学难点、教学实践、教学效果与评价等方面进行了一定的探讨和分析。

关键词：《材料科学导论》；教学模式；教学方法；案例教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）45-0094-04

一、引言

从石器时代到信息时代，人类的文明史就是利用材料的历史，每一种新材料的发现和利用，都会将人类的物质文明和精神文明推进一大步。新材料、信息技术和生物技术是21世纪的三大主要发展领域，其中，新材料又是汽车、航空航天、电子通讯、家用电器、信息技术、生物医药、国防工业、新型能源、城市建设等领域的物质基础。为此，我国许多高校都设立了材料学院或材料科学系或材料工程系，以适应新材料的研发和基础材料应用的人才之需。

复旦大学材料科学系的学科方向主要是以功能材料为特色，本科阶段分别设有“材料物理”、“材料化学”、“电子科学与技术（功能材料）”三个专业[1]。为了使学生系统地掌握材料科学的基础知识，具备应有的专业素养，材料科学系于2010年起开设了面向三个专业的平台基础课《材料科学导论》。本文根据该门课程开设六年来的教学实践情况及教学过程中来自学生的反馈信息，对该课程的实践与改革进行总结，期望能推动课程的进一步完善和提高，适应材料学科日新月异的发展要求。

二、教学难点浅析

《材料科学导论》作为一门专业基础课程，涉及内容广，涵盖了原子基本结构、晶体学理论、材料热力学理论、材料结晶与生长、原子扩散和迁移、材料基本性能、新材料应用等专业知识[2]，同时涉及相关实验课程。材料科学的主要特点是概念多、内容广、涉及面宽、概念抽象、内容缺少连惯性、材料之间缺少必然联系，尤其是材料性能烦琐枯燥，缺乏理论依托，理论知识又难以应用于实践，故学生在学习材料科学过程中对于吃不透的理论知识普遍存在学得快、忘得快的现象。例如课程难点材料热力学及相图部分，许多学生不求甚解，课后习题只比照例题“凑”出结果，并没有真正掌握读相图的能力，自然很快就会忘记相关的知识点。此外，该课程内容多，理论性强，教学课时吃紧，许多学生在学期初就会产生畏难情绪。若不能及时解决，会严重影响其后续材料学专业课程的学习。对此，我们在教学过程中主要推行了一些新的教改措施，并取得了良好的教学效果。

三、教学模式探索

1.重视案例教学。受传统观念的影响，很多学科教学中都存在重理论、轻实践的问题，为了优化教学效果，我们在理论性较强的基础课中，加入切合教学内容的相关生产、生活及科研的实例，让学生在真实情境中体会材料学知识的实用性及重要性。比如，讲解聚合物材料特性时，特别举出生活中无处不在的、常用的七种塑料：1号PET、2号HDPE、3号PVC、4号LDPE、5号PP、6号PS及7号PC，并将生活中随处可见的这7种塑料制品带到课堂，让同学们亲自观察、比较，同时启发学生思考为何不同的塑料品种必须选用不同的塑料种类，并进一步归纳总结材料选用的基本依据和设计方法。又比如，固体材料的变形和滑移的知识点较为抽象，通过讲解泰坦尼克号豪华游轮因冰山撞击而发生开裂失效的故事，指出该船是由体心立方碳钢板制成的，除材料内部存在夹杂物外，碳钢由于滑移面内滑移线少使塑性变形变得困难，断裂韧性就低，因而一旦受到冲击载荷的作用就会在沿Miller指数标定的原子密排面上先发生开裂，然后因疲劳开裂、扩展而最终失效，学生从而就清楚地理解了Miller指数、滑移面、滑移线等基本概念的物理含义及其实际用途。再比如，结合自身课题组近期开展的我国最大的1000MW超临界发电机组双相不锈钢（2205）循环水泵发生异常断裂的重大失效分析案例，用实际构件发生意外断裂的断口形貌和金相组织，讲解了角焊缝显微组织的特点及特征，同时引伸到双相组织（铁素体和奥氏体）的不匹配性和微观结构的脆化问题，再谈到法兰和接管连接时焊接工艺参数和表面处理工艺是如何影响了焊缝显微组织的均匀性和匹配性，进而谈到如何有效控制和优化材料的显微组织。学生能够通过这一案例直观地了解加工工艺和表面处理是如何影响材料的断裂韧性和抗疲劳性能，学习设计开发新材料和改善材料性能的一些实用技术及工艺诀窍，将一系列知识点有机地串联起来，融会贯通，并且印象十分深刻。

通过生活中随处可见的材料、大家耳熟能详的故事以及科研实例，激发学生的兴趣，顺理成章地引入基本理论，已经成为本课程最普遍的教学模式。实践表明[3]，案例教学不但可以开阔学生的视野，丰富教学内容，而且还能激发学生的求知欲，培养学生的科学素质及创新能力。

2.设置课程实验。材料学科同时也是一门实验科学，材料学中有许多重要规律的发现是来自于实验，因此实验课是本课程的必要内容。配合材料的各种性能的课程，设置了与固体材料的基本性能相配套的三个综合性的实验课：（1）磁控溅射法制备透明导电氧化物ITO薄膜；（2）橡胶材料的拉伸试验；（3）偏光显微镜法观测聚苯烯的球晶形态。通过三个基础实验的训练，学生对材料的组成、制备、结构、性能和应用有了更好地理解和把握，学生观摩和自行操作实验后，心得体会多、收获大、感受强，通过理论与实际相结合，理解了一些原先比较模糊的概念和原理，有效地训练了他们的动手能力、观察能力、理解能力、分析能力和创新能力。对于本科阶段的学生而言，除了基础教学实验，学生没有太多走进尖端实验室参与研究的机会，首次接触到上述实验中很多新颖的设备给他们留下了深刻的印象，激起了学生们的科研热情。

3.完善教学课件。随着信息技术的飞速发展，人们的思维方式也在发生着深刻的变革。计算机辅助教学（CAI）已在一定程度上得到了普及[4]。采用多媒體可视化教学，不仅可以提高单位时间内的信息量，而且可以充分调动学生的感知系统。对于一些仅用语言无法讲清楚的新材料，如碳60、碳纳米管的原子构型、量子点内电子波函数等，在PPT中加入了三维动画视频，从三维视角理解新材料的特性。可视化教学不仅能帮助学生理解，同时可以引发学生对新材料的兴趣。学生反映，通过电子课件，对一些较抽象的概念、理论及特性有比较透切地领悟，记得也更牢。课程组针对课程内容制作了十多个多媒体电子课件用于课堂教学，并上传课程网站供学生自由借阅。课件制作完成后并没有安于现状“炒冷饭”，而是与时俱进，年年修订教学课件，适时介绍新材料的进展。主讲教师每年都有国内外学术会议的大会报告，在日常授课过程中见缝插针，把邀请报告的PPT内容有选择地讲授给学生，使学生能够了解到新材料、新工艺、新方法、新技术、新进展等，增长见识，开拓视野，同时促进学生的自主思考和探索，有效地激发和培养了他们的创新能力。endprint

4.优化课程体系。在课堂讲授中，教材选择是否合适直接关系到教学效果，课程组以国外经典的英文教材作为参考[5-7]，结合多年积累的优秀教学大纲与教学经验制作课件、讲义，立足于基本物理化学原理的讲授和理解，同时拓展学生对习题和范例的实际应用。例如，国外近年出版的教科书都已经把基础材料分成了五类，即金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体，我国则仍然停留在前三类基础材料的介绍上。虽然从化学角度根据原子键合方式区分前三类基础材料比较容易，也符合逻辑，但把复合材料和半导体材料依据其特殊用途从三大基础材料中分离出来进行介绍是必要的，也符合实际，更能体现出它们在高科技领域中应用的重要性和先进性。对于国内基础的教科书不盲从，参考国外最新的教材与科研成果，提出问题与学生进行有效地互动，鼓励学生在上课过程中提出质疑，激发他们的思考积极性。课后习题也是经过多年的反复筛选、考量，注重问题的思考性与创新性，减少需要死记硬背的题型。许多学生能够根据课后习题的问题与助教展开讨论，甚至利用课间时间积极向讲师发问，对于提高学生的成绩有很大的帮助。经过多年的课程建设，本课程在课程大纲、课件、实验、教学模式、习题与考试等各方面已经形成了成熟的教学体系，并能夠紧跟专业特点和材料发展的趋势，及时补充新的教学内容，使学生的知识、能力、素质等能够满足当前和未来的需求。

5.开设网络平台。课程组非常重视网络平台的建设，在学校精品课程网站上，《材料科学导论》课程的主页内容丰富详实，条理清晰，学生可以查看课程简介，下载教学课件、视频和相关的参考资料，就相关问题展开专题讨论，为师生交流建立有效的教学信息反馈渠道。凡是与课程相关的信息都可以在网站上迅速的获得，有些在课堂上来不及讲授的延伸性内容也会放在网站上供学有余力的学生自行下载学习。通过网络平台建设还可以积累教学经验和素材，进行广泛的校际交流，带动教学方式的全面转变，提高学科建设的信息化水平，提高材料学科的综合影响力。

四、教学效果评价

随着教学时间的推移和阅历的丰富，凭借教师充满激情的授课和切实有效的教学方法，获得了学生的一致好评和欢迎，在每年的学生盲评中都名列前茅。在课程网站上，有学生留言真诚地表达了自己的感想：“如果用一个比喻来形容杨振国教授的《材料科学导论》，我想将其比作为材料学课程中的‘清明上河图。这幅全景式‘构图将金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体材料等五大基础材料一一呈现在学生的眼前，全‘图结构严密、活泼简洁，构‘图起伏有序，讲授生动传神。”并有学生结合自身经历进行评价：“在上课期间，根据杨老师课堂阐释的原理，我提出了一种制备手机屏幕加硬贴膜的方法，这种方法的原理源自于杨老师讲的复合材料的设计以及性能，它有效地解决了手机屏幕耐刮擦的性能，该项目获得了3M公司校园创新大赛第二名，并且应邀参加第一财经创业大赛‘天使爱上谁，取得了不错的成绩。”本课程自开设以来，受到校内外专家及校内教学督导组很高的评价，2012年获评复旦大学校级精品课程，2015年获评上海市精品课程。上海交通大学材料学院的李明教授在评审意见中肯定了本课程组的教学工作，并指出“复旦大学材料系的学生基础知识扎实，专业知识系统宽广，这与杨老师开设的专业基础课有很大的关系。”这些学生和同行教授的反馈留言肯定了课程组多年来的努力工作，也是我们继续前进、不断完善课程建设的动力。

五、结语

提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，培养具有创新精神的大学生是其中的关键[8]。《材料科学导论》课程讲授方式新颖实用，深入浅出，集知识性、思想性、趣味性、逻辑性、前瞻性和实用性为一体，寓乐于教，又寓教于乐，让学生在轻松、愉快的教学氛围中学习了掌握基础材料的基本内容，变被动学习为主动学习，使学生不仅能够从理论上掌握一些难懂的基础理论知识点，更懂得了这些知识点的实际用途，有效地训练和培养了他们的综合能力和创新能力。高等院校不仅需要培养出具有良好基础科学研究能力的学生，更需要培养大量具有实际工作能力、创新意识和批判性思维能力的高素质人才[9]。因此，我们在教学中不仅要注重塑造学生具有良好的专业素养和解决问题的实际能力，同时也要注重激发学生对材料科学的学习热情和对新材料研究的向往，让学生在学习过程中能够充分感受到基础材料和新材料的重要价值与作用，为其后续进一步学习专业课奠定重要的基础。

致谢：感谢上海市教委对本文的大力支持。

参考文献：

[1]胡林峰，张群，杨振国.《材料科学导论》实验内容的更新与拓展[J].东北大学学报（社会科学版），2013，15（2）：59-62.

[2]杨振国.上海市精品课程：材料科学导论[EB/OL].2015-05.http：//jpkc.fudan.edu.cn/s/255/main.htm.

[3]王旭珍，王新平，石川，等.物理化学研究型教学模式的构建与实践[J].教育教学论坛，2012，（5）：36-38.

[4]候铁红.从辅助走向主导——计算机教学发展的新趋势[J].教师，2014，（8）：83.

[5]Smith W F，Hashemi J.Foundations of materials science and engineering-4th ed.[M].McGraw-Hill，2006：1-11.

[6]Cahn R W.The Coming of Materials Science[M].New York，2003：167-168.

[7]Schaffer J P.The science and design of engineering materials-2nd ed[M]. McGraw-Hill，1999.

[8]朱宏.高校创新人才培养模式的探索与实践[J].高校教育管理，2008，（3）：6-11.

[9]亢淑梅，李成威，王琳，金辉.提高金属腐蚀与防护实验教学效果的探索[J].东北大学学报（社会科学版），2013，15（2）：109-111.endprint