中美高校材料科學基礎教學比較

張聰惠 王耀勉 肖桂枝 宋薇

摘要：通過對比美國俄亥俄州立大學（OSU）和國內某高校材料科學基礎的本科課程體系，從專業課程、實踐教學、課堂教學方法和考核體系四個方面，對兩校存在的教學差異進行了分析，提出了改善國內某高校材料科學基礎課程教學的思路與建議。

關鍵詞：美國俄亥俄州立大學；材料科學基礎；課程體系

中圖分類號：G40-059.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0052-02

美國俄亥俄州立大學（OSU）是一所歷史悠久的研究型高等學府，為十大聯盟Big Ten Conference成員，被譽為“公立常春藤”大學之一。OSU開設的專業幾乎涵蓋了所有的學術領域，很多專業在全美名列前茅。

OSU工程學院材料科學與工程系由地質、采礦及冶金系和粘土、陶瓷系合并而成，許多教師在國際相關研究領域享有很高的聲譽。系里擁有一棟辦公樓和兩棟試驗樓，擁有很多具有國際先進水平的儀器和設備，其研究方向覆蓋了金屬、陶瓷等電子、生物、超導、傳感器、金屬間化合物、先進復合材料、涂層、薄膜材料等的加工、組織及其化學、物理、力學性能的研究。

國內某高校（以下稱A高校）是一所以土木建筑、環境市政、材料冶金及其相關學科為特色，以工程技術學科為主體，工、理、文、管、法、經、藝等學科協調發展的多科性大學。該高校冶金工程學院由冶金工程、材料成型與控制工程、金屬材料工程、化學工藝與工程4個專業組成。其研究方向覆蓋表面納米化處理、超細晶材料制備、涂層材料、電池材料、鋼鐵材料、金屬間化合物等領域。

OSU的材料科學與工程系和A高校的冶金工程學院都設置有材料科學基礎課程，且都立足培養材料加工類專業理論應用型人才。因此，對這兩所大學材料科學基礎類課程的教學方法進行比較研究是可行的。通過比較研究，對國內高校材料專業乃至其他理工類專業的教育教學改革和課程體系建設具有一定的啟示和借鑒作用。

一、課程體系

OSU的本科教育旨在培養學生對專業的學習興趣，幫助學生獲得應對現代社會挑戰所需要的知識和能力。OSU將每學年分為Winter、Spring、Summer、Autumn四個學期。除了Summer Quarter，其他學期都安排了材料科學基礎的相關課程，其專業課設置均為專業基礎課，即精心為學生設計的入門課程，主要目的是給學生展示該學科涉及哪些方面的內容，哪些內容可以在今后的學習中進行深入學習，幫助學生完成從高中向大學階段的過渡[1]。

OSU材料科學基礎相關主要課程有：MSE564——材料微觀組織和力學性能、MSE342——材料的微觀組織和特性、MSE741——透射電鏡、MSE205——材料科學與工程簡介、MSE361——材料的力學性能簡介、MSE605——材料科學原理、MSE765——材料的力學性能。這些課程共分為三個體系，205、605講授的是材料科學基礎和原理，注重介紹各類材料的組織、結構、性能、加工工藝與其應用之間的關系，講授金屬材料、陶瓷、聚合物、化合物等材料的組織結構對其力學等性能的影響以及分別采取哪種工藝改變材料的結構獲得預期性能。361、564、765主要講授了材料的宏觀力學性能，例如陶瓷、金屬材料、聚合物、化合物等材料的拉伸、疲勞、斷裂、蠕變等宏觀力學性能，并闡述了材料組織結構對其變形行為的影響。342和741講授了材料微觀組織結構分析與表征，主要通過XRD、SEM、EBSD、TEM等分析方法對材料的位錯、織構等微觀組織結構的分析與表征。課程體系安排由淺及深，比如605是205的深化版，對相關理論進行了深入講解，重點對位錯、擴散、鋼的熱處理部分進行了擴充。765是361、564這兩門課程的深化版。學生可以自主的根據自己的掌握程度以及興趣選擇基礎課程或者深化課程，完善自己的理論知識體系。

A高校實施以通識教育為基礎的專業教育，培養德、智、體、美、勞全面發展的高水平高素質人才。該高校材料科學基礎相關課程主要包括金屬學、材料化學、材料組織結構的表征、材料性能學、材料加工原理和材料綜合實驗，體現“組織決定性能，性能決定用途”的知識核心。此外，該高校設有材料塑性力學、凝固理論、軋制技術、沖壓成型等課程，旨在幫助學生形成一個從材料合成到后續加工的完整知識體系，但是理論基礎課程設置較少，學生對基礎理論的掌握程度有待深入。

二、實踐教學

實驗是課程的重要組成部分，也是學生學習掌握材料組織性能、材料檢測方法的重要手段[2]。OSU采用分時段的實驗室管理方法，即將每次參與實驗的學生分成四組，四組學生在50分鐘內交換使用實驗儀器，大大提高了實驗效率，也能夠讓每個學生親自參與到實驗環節中，并從中得到鍛煉與知識的理解與鞏固。學院也會設計一些趣味實驗，MSE361課程就設置了一個“Egg Drop”項目，就是讓學生開動腦筋，采用奇思妙想確保雞蛋從5層樓上扔下來而不破裂，要想成功完成這個項目，學生需要發揮團隊協作精神，綜合運用材料力學知識，選取有效材料對雞蛋進行保護，并采用有限元進行模擬分析。A高校的材料科學基礎課程實驗屬于驗證性技術基礎實驗，一共包含三個內容，分別為金相樣品的制備及顯微鏡使用，Fe3C-Fe平衡組織分析以及金屬塑性變形與再結晶實驗。實驗采用集中安排的形式，安排在具體的某周某節課，由教師動手操作，學生圍在周圍學習，然后分組完成實驗操，每個學生的親身經歷比較少，通過實驗獲得的專業知識也會減弱。

三、課堂教學方法

課堂教學方法是在一定的理論指導下，為實現既定教學目標而采用的課堂教學形式。教師應該了解和掌握多種教學方法，根據具體的教學情境和教學目標運用不同的教學方法。

OSU所有的教室基本都配備有投影設施，在講課過程中，教師可以用電子筆在PPT上勾畫、講解。另外教師在授課過程中，可根據需要設置一些問題，學生通過手中的clicker，按鍵給出自己的判斷，答題結束后，屏幕上很快顯示出統計結果，教師會據此了解學生對知識點的掌握情況。

OSU課堂多采用以激發學生潛能為目標的“案例教學”、“交互教學”和“小組討論”。案例教學通過教師講解實例向學生介紹材料組織及性能的相關理論知識，然后學生再利用網絡、書籍等資料，運用所學的知識對自選材料進行分析；交互式教學方法，構建了一個平等和互相尊重的學習氛圍，實現了師生之間的相互溝通和加深對新概念的理解；在小組討論與匯報過程中，教師對每個學生都十分重視，盡量讓每個學生都有表現的機會，強調讓每個人都分擔一部分工作。在展示成果時，每人都要匯報自己做了什么，并談談自己獨到的見解。有些課程在課程講授完之后，會要求學生分小組完成一個項目設計，這樣可以培養學生的團隊合作意識、創新精神和社會責任感，使其學會如何收集資料，也使概念的記憶和問題的解決迅速化。

A高校目前的課堂以講述為主導，案例教學和交互教學方法逐漸加以應用，這樣的做法對學生自己構建知識體系有重要意義。但是在構建知識體系的過程中，教師相對傳統的講述方式、作業布置等情況，導致對學生知識結構方向的糾偏作用比較小。學生在不知道問題的已知條件的由來的時候，往往難于形成自己的知識體系。課堂互動的效果與美國的課堂氣氛差異很大，在美國課堂上，只要教師提出了問題，學生會馬上有激烈的反應，若是有討論的話，教室里馬上就會活力四射；但是在中國課堂上，教師提出問題，大多數學生會選擇沉默，教師需要用“點將”的方式實現互動。

OSU將更多的時間留給了學生，讓學生有更多的作業時間和創新時間。A高校則在課堂教學上花了更多的時間，教師和學生的創新思路和時間將受到限制。

四、考核體系

OSU將考試成績分散在日常學習中，根據學生的到課率、課堂答題情況、作業完成情況、小測驗、期中考試、期末考試、實驗（實驗表現和出勤）、實驗評估和項目等綜合決定。所以從頭至尾，學生需要認真學習才能取得理想的成績。

A高校的成績由期末考試和平時成績來決定，期中、期末考試占70%，平時成績占30%。平時成績包括實驗、出勤和作業全部。因此，學生就會只注重最終的學習結果，而不注重期間學習的過程。這對學生人生觀，價值觀的形成有重要的影響。

五、啟示與借鑒

通過對俄亥俄州立大學和國內A高校材料科學基礎相關專業的課程設置、實踐教學、教學方法和考核體系進行對比，分析了A高校在教育教學過程中存在的問題。為提高材料科學基礎課程的教學水平和人才培養質量，一方面要在實施通識教育的基礎上加強自然科學、人文社科教育，拓寬學科范圍，適當增加選修課程的數量，提高課程的綜合性，增加學生學習知識面和課程選擇的自主性；另一方面，材料科學基礎課程教學內容要緊跟學科前沿，使學生了解到材料領域的高新技術，并應涉及各種材料工藝的計算機模擬[3]；同時，實踐教學要從教學計劃和實驗室管理兩方面進行改進，更新實驗室管理辦法，維護設備的正常運轉，使每個學生都可以參與其中。

參考文獻：

[1]左治江.中美材料加工類課程的教學方法比較研究[J].國際觀察，2014，10（5）：122-126.

[2]張玉平.中美高校材料科學與工程課程體系比較初探[J].高等理科教育，2010，93（5）：73-76.

[3]李強，陳文哲.美國和歐洲的材料科學與工程教育（二）[J].高等理科教育，2003，47（1）：44-49.