《材料性能學(xué)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張先菊　楊眉　王斌

摘要：《材料性能學(xué)》是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。針對(duì)“材料性能學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合高等教育改革的基本要求，我們本著調(diào)整教學(xué)體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)教法改革，注重理論聯(lián)系實(shí)際，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，多媒體課件與網(wǎng)絡(luò)課堂輔助教學(xué)等形式和原則，對(duì)課程進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐。經(jīng)過(guò)兩屆的教學(xué)實(shí)踐證明，這種教學(xué)改革的嘗試是基本成功的，學(xué)生的收效很大。

關(guān)鍵詞：材料性能學(xué)；課程改革；實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）29-0085-02

一、課程現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

《材料性能學(xué)》是為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)知識(shí)交叉融合的需要，綜合和優(yōu)化了《金屬力學(xué)性能》、《金屬物理性能分析》、《無(wú)機(jī)材料物理性能》、《高分子力學(xué)性能》、《金屬腐蝕與防護(hù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，誕生的一門(mén)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。隨著高等教育改革與發(fā)展的深化，材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)迫切需要一本兼顧三大材料共性及各自材料特性的“材料性能學(xué)”課程教材及其實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，以適應(yīng)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的需要。目前國(guó)內(nèi)多所高等院校如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位都相繼編寫(xiě)出相關(guān)教材或講義。我院本著“體現(xiàn)材料性能共性，突出石油特色”的原則，選用由北京工業(yè)大學(xué)王從曾教授主編的“面向21世紀(jì)”優(yōu)秀教材——《材料性能學(xué)》為主要教材，增加具有石油特色材料的輔助教材，比如油氣井水泥、石油管桿材料、油田腐蝕行為等方面的性能指標(biāo)的物理意義、工程意義以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試裝備的介紹，自編了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

二、改革思路與實(shí)踐

按照高等教育改革與發(fā)展的基本要求，對(duì)材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科專(zhuān)業(yè)本著加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專(zhuān)業(yè)面的原則，我們?cè)诜治鋈蟛牧辖Y(jié)構(gòu)與性能的基礎(chǔ)上，試圖總結(jié)歸納出它們之間力學(xué)性能的共性與個(gè)性，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識(shí)的交叉與滲透。具體的做法如下：

1.調(diào)整教學(xué)體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。材料性能學(xué)是學(xué)生在學(xué)完“材料科學(xué)概論”、“材料科學(xué)基礎(chǔ)”等有關(guān)課程之后的一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程，通過(guò)“材料性能學(xué)”的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生將材料工程理論與實(shí)踐相結(jié)合，充分理解材料化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系。因此在本課程的開(kāi)始部分增加了一個(gè)學(xué)時(shí)緒論的內(nèi)容，主要介紹材料的性能在材料的發(fā)展歷史、材料科學(xué)、材料工程、工程材料中的作用與地位；該門(mén)課程在整個(gè)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)中承前啟后的作用，以及在本門(mén)課程中將要學(xué)到哪些內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)材料的性能有一個(gè)整體的了解，引起學(xué)生的興趣，為后面課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的材料性能學(xué)教材由于專(zhuān)業(yè)的不同而分散在不同的課程中，如《金屬材料力學(xué)性能》、《金屬材料物理性能》、《無(wú)機(jī)材料物理性能》、《高分子物理》、《高分子材料力學(xué)性能》、《材料的腐蝕與老化》等課程，這些關(guān)于金屬材料、陶瓷材料和高分子材料各自性能方面的教學(xué)內(nèi)容對(duì)象單一、知識(shí)零碎割裂，缺少不同材料性能間的相互聯(lián)系，對(duì)同一性能的產(chǎn)生機(jī)理不同專(zhuān)業(yè)也會(huì)出現(xiàn)不同的解釋。在新的教學(xué)體系中，我們力求有較廣的知識(shí)涵蓋面、足夠的信息量和適當(dāng)?shù)睦碚撋疃龋跐M足教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，給學(xué)生提供必要的自學(xué)素材，為學(xué)生畢業(yè)后在專(zhuān)業(yè)崗位上的再學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。因此在本門(mén)課的教學(xué)內(nèi)容上，我們主要講述三大材料力學(xué)性能的基本原理及共性，保留部分特性，同時(shí)將三大材料有機(jī)結(jié)合起來(lái)。比如在講材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線時(shí)，突出以塑性特征為主的金屬材料、脆性特征為主的陶瓷材料和以彈性特征為主的高分子材料間的聯(lián)系與區(qū)別；在講材料的硬度時(shí)通過(guò)高分子材料、金屬材料、陶瓷材料硬度順序遞增的事實(shí)，要求學(xué)生理解材料的鍵合特征對(duì)材料性能的影響；根據(jù)三大材料間性能的互補(bǔ)性特點(diǎn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代材料的發(fā)展趨勢(shì)。不管是單一材料的改性還是不同材料的復(fù)合，都力爭(zhēng)發(fā)揮材料各自的優(yōu)勢(shì)而又避免其缺點(diǎn)，由此而產(chǎn)生了各種新材料、新工藝。但最終都離不開(kāi)各種材料性能的重新調(diào)整和匹配，從這個(gè)思路出發(fā)，引起學(xué)生的研究興趣，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維[1]。另外，結(jié)合本院石油特色，增加了部分油氣井水泥、管桿材料的力學(xué)性能以及管桿材料腐蝕行為的內(nèi)容。由于課程內(nèi)容繁多、課時(shí)有限，在前期課程中學(xué)過(guò)的內(nèi)容在本課程中跳過(guò)，避免重復(fù)講解；采取學(xué)術(shù)報(bào)告的方式將新材料、新技術(shù)融入課堂教學(xué)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面又使教學(xué)內(nèi)容更加新穎，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)課件《材料性能學(xué)》，完善課后學(xué)習(xí)延伸環(huán)節(jié)，使一部分教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課外進(jìn)行，加強(qiáng)學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)，適應(yīng)學(xué)生對(duì)信息量需求增加的要求。通過(guò)這些內(nèi)容的調(diào)整，使本課程真正成為公共基礎(chǔ)課與材料學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的橋梁與紐帶，達(dá)到用較少的課時(shí)獲得最佳教學(xué)效果的目的。

2.加強(qiáng)教法改革，突出啟發(fā)式、討論式教學(xué)方法的應(yīng)用。興趣是學(xué)習(xí)一門(mén)課程最好的老師，在介紹新內(nèi)容之前激發(fā)學(xué)生的興趣，使之達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，需要有精彩的導(dǎo)入方法，對(duì)枯燥乏味工科專(zhuān)業(yè)課來(lái)說(shuō)尤為重要[2，3]。所以在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們重視案例式教學(xué)[4，5]，以靈活多樣的方式導(dǎo)入新內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，為新課程內(nèi)容的教學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)。如講到應(yīng)變硬化時(shí)，我們可以提問(wèn)：為什么一根細(xì)鐵絲你不可能把它拉斷，但你卻可以用很小的力把它折斷？由此引發(fā)學(xué)生思考材料內(nèi)部組織與性能之間的關(guān)系。如在講到材料的低溫脆性時(shí)，可介紹比利時(shí)阿爾拜特運(yùn)河上威廉德式橋梁的斷裂，引發(fā)學(xué)生思考環(huán)境溫度對(duì)材料性能的影響。總之，要使每節(jié)課都有一個(gè)良好的導(dǎo)入，給予學(xué)生啟發(fā)式的思考，還必須依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目的和要求及學(xué)生的實(shí)際情況選擇適應(yīng)的導(dǎo)入方式。如果導(dǎo)的恰到好處，就會(huì)激起千層浪，不僅使學(xué)生能夠化難為易，還能使學(xué)生終身難忘。另一方面，課堂上重在對(duì)基礎(chǔ)理論的講解，課后要求學(xué)生收集、整理相應(yīng)資料，找到各種評(píng)價(jià)方法的工程示例，舉出相應(yīng)的解決方案。教學(xué)中積極鼓勵(lì)學(xué)生參與討論，一方面在有限的課堂上提出討論主題，引發(fā)學(xué)生思考，另一方面以網(wǎng)絡(luò)課程以及精品課程提供的平臺(tái)開(kāi)展大討論，學(xué)生將收集的資料共享，通過(guò)討論認(rèn)清課本知識(shí)的工程意義。

3.注重理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用。書(shū)本上所學(xué)的知識(shí)大多是理論知識(shí)，對(duì)材料的各種性能有什么用，用在什么地方學(xué)生學(xué)完了也并不是很清楚。所以在上課時(shí)需要把抽象的理論知識(shí)具體化，找到一個(gè)學(xué)生熟悉的實(shí)際列子作為切入點(diǎn)，使深?yuàn)W的道理通俗化，幫助他們對(duì)知識(shí)的理解與掌握，引發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。如課程中講到缺口材料的三個(gè)缺口效應(yīng)，由于缺口造成材料應(yīng)力、應(yīng)變集中，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，缺口得到強(qiáng)化，此時(shí)列舉生活中的例子，包裝袋上制作缺口，方面開(kāi)啟；講到應(yīng)力松弛時(shí)，讓學(xué)生思考自來(lái)水管接頭處時(shí)間久了為何會(huì)滲水；講到疲勞損傷時(shí)，對(duì)比分析人體的疲勞特點(diǎn)與材料的疲勞特性等等。這樣，把抽象、枯燥的理論同實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、消化、提高及應(yīng)用。

4.理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。材料的性能是需要用一個(gè)具體的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，而這個(gè)指標(biāo)的大小是需要實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量的，因此在講授材學(xué)性能理論的同時(shí)，必須重視材料性能的測(cè)試技術(shù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)操作相應(yīng)的儀器設(shè)備、培養(yǎng)他們的觀察、研究能力。因此《材料性能學(xué)》的一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容是材料性能的測(cè)試方法，故實(shí)踐教學(xué)是其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將教學(xué)中重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)一步講解，讓學(xué)生實(shí)踐與理論部分相結(jié)合，加深對(duì)課程認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)的積極性；讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)各種原理，認(rèn)識(shí)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，拓展學(xué)生知識(shí)面；提高學(xué)生自主動(dòng)手能力，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸橐院笞呱瞎ぷ鲘徫坏於ɑA(chǔ)。在課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，單獨(dú)開(kāi)課的56學(xué)時(shí)《專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》以及32學(xué)時(shí)的《專(zhuān)業(yè)方向?qū)嶒?yàn)》，內(nèi)容涵蓋三大材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的典型測(cè)試和表征方法。另外課程建設(shè)隊(duì)伍的教師將自身科研課題與實(shí)踐教學(xué)融合，開(kāi)設(shè)出開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生有更多的實(shí)踐和動(dòng)手機(jī)會(huì)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

5.采用多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)課堂進(jìn)行輔助教學(xué)。本門(mén)課程教學(xué)總課時(shí)為48學(xué)時(shí)，由于課程知識(shí)點(diǎn)較多、內(nèi)容涉及面較廣，并且很多知識(shí)點(diǎn)需要用圖、表來(lái)描述，如低碳鋼拉伸過(guò)程的變化、斷口形貌、金相組織等，這些內(nèi)容很難通過(guò)語(yǔ)言來(lái)描述，因此我們制作出了課程配套的多媒體課件。上課過(guò)程中利用多媒體課件不僅增加了教學(xué)內(nèi)容、減少授課學(xué)時(shí)還豐富了教學(xué)過(guò)程、提高教學(xué)效果。另外，還建立網(wǎng)絡(luò)課堂。在網(wǎng)絡(luò)課堂上有上課用的多媒體課件，學(xué)生可在課后在網(wǎng)絡(luò)課堂上復(fù)習(xí)或完成上課時(shí)沒(méi)完成的筆記，給學(xué)生提供了很大的方便，還可完成課后答疑、問(wèn)題討論、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、布置作業(yè)、提交作業(yè)、批改作業(yè)、在線測(cè)試等工作。學(xué)生對(duì)于這種新的教學(xué)方式都表現(xiàn)了較為歡迎的態(tài)度。

三、效果與體會(huì)

通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)三大材料的力學(xué)性能有一個(gè)基本的整體認(rèn)識(shí)，不僅掌握了材料共有的力學(xué)行為及機(jī)理，而且理解了各類(lèi)材料特有的力學(xué)性能特點(diǎn)，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，對(duì)后續(xù)課程也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在課程講授的過(guò)程中，堅(jiān)持采用啟發(fā)式、討論式的教學(xué)方式、理論知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系、理論課與實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合、多媒體與網(wǎng)絡(luò)課堂輔助教學(xué)等形式和原則，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情得到大大提高。

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