“材料科學基礎”課程教學內容優化和教學方法的探討

王香 佟運祥 周惠敏 李新林 孫志潔

摘要：從《材料科學基礎》課程性質和內容出發，圍繞教學內容優化、教學方法與教學手段進行了改革與探索。通過對課程內容遴選優化，并引入材料科學前沿知識和基于項目的課堂教學模式，采用多媒體現代化教學手段與傳統板書相結合，改進實踐教學方法，提高學生自主學習的能力和綜合素質。關鍵詞：材料科學基礎；教學內容；教學方法中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）38-0172-02

《材料科學基礎》課程是從事材料科學研究所必須具備的基礎理論，是材料科學與工程學科一門重要的專業核心課，也是學生接觸的第一門專業課，對后續專業知識的理解和掌握有著至關重要的作用。該課程涵蓋了材料科學與工程專業下的所有二級方向的基礎理論，它將金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料的基本理論融合在一起，提煉了各種材料共性的基礎知識，從材料的組織結構出發，研究材料的性能與材料結構和制備工藝之間的關系，內容涉及晶體的結構、晶體的缺陷、凝固與相圖、變形與斷裂、回復與再結晶、擴散、鋼的熱處理原理及常用熱處理工藝等方面的基礎理論和研究材料學有關問題的基本方法，學生通過該課程的學習，除了可以掌握材料領域相關的基礎知識，更是能夠學會分析、解決科學研究或工程應用過程中遇到的實際問題，為從事材料科學研究和工程技術工作打下堅實的基礎。該課程涉及的內容廣泛、抽象，理論較深，晶體結構和晶體缺陷部分還包含許多復雜的圖形，比如晶體的空間結構、晶體缺陷的形成過程、位錯的交互作用等，另外三元合金相圖部分也很枯燥、抽象。因此在授課過程中，教師感到難教，學生感到難學。為解決這些問題，本教學課題組在教學內容、教學方法與教學手段的改革等方面進行了有益探索和實踐，旨在提高該課程的教學質量和教學效果。

一、教學內容優化

哈爾濱工程大學《材料科學基礎》課程主要針對材料科學與工程專業開設，材料科學與工程專業下設金屬材料與表面工程、材料成形與控制工程、無機功能材料、高分子和復合材料四個方向。根據學校厚基礎、寬口徑的人才培養要求，選用由趙品主編，哈爾濱工業大學出版社出版的《材料科學基礎教程》，該教材是高等學校“十一五”規劃教材。教材內容以金屬材料為主，但存在部分章節內容不夠具體深入的問題。因此，授課過程中參考了胡庚祥主編，上海交通大學出版社出版的《材料科學基礎教程》，對教學內容進行了重新組合遴選，遵循以金屬材料為重點，以材料成分-組織結構-制備工藝-性能之間的關系作為主線，提煉出材料的共性規律，并輔以包括晶體結構、晶體缺陷、金屬凝固、二元和三元合金相圖、金屬材料中的塑性變性與斷裂、回復與再結晶、擴散、金屬固態相變等的相關內容，適當地增加與課程內容相關的材料實例來進一步闡明材料的成分、組織結構、制備工藝和性能之間的內在聯系，增強學生的理解能力。考慮到本校材料科學與工程專業的四大方向，在重點介紹金屬材料理論體系的前提下，要考慮到全部材料領域的基礎理論范疇，并站在科學體系層面上進行課程內容的整合，兼顧到金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料等的各自特性，利于學生在更寬闊的視域中掌握材料科學的基礎知識。并緊跟學科發展，將材料科學的發展前沿知識與最新科研成果融入課堂，及時補充到《材料科學基礎》課程教學內容中，這樣既可以保持教學內容的新穎性，又可以開闊學生的視野，使學生對相關科研領域的國內外發展動態有所了解，并可能從中產生一些新的想法。教師在教學過程中也可以穿插適當的科研實例，有意識使學生接觸前沿科學知識，調動學生的學習積極性，提高學習興趣和創新意識，變被動學習為主動學習，以興趣引導學習，勢必事半功倍。同時，根據我校的特色，嘗試將課題組或相關學科的科研成果滲透入課堂教學，有重點、有針對性地引入諸如用于船舶工業中的合金、用于海洋裝備上的材料等知識。增強教學的時效性，使學生感覺學有所用，加強理論知識與生產實際的聯系。

二、教學方法改革

傳統的教學方法主要以教師課堂講授、板書為主。但是材料科學基礎涉及的理論知識比較復雜、抽象，較難理解，如晶體的空間結構、顯微金相組織、三元合金相圖、金屬的塑性變形等許多概念和知識都是學生難以想象和教師難以用語言描述的。對這類內容仍采用傳統的授課方法，會導致學生學習的難度大，興趣差，教學效果不佳。所以有必要對傳統的教學方法和教學手段進行改革。相對傳統的教學方法，多媒體教學具有直觀、形象、生動的特點，而且它傳授的知識量更大。但是，多媒體教學的使用往往導致教師把更多的精力放在課件的新穎性和備課的便捷性上，理解不到位而囫圇傳授的情況和過量灌輸的事情時有發生。針對這種情況，應該采用多媒體教學與板書相結合的方式，注意教學過程中信息的傳遞量和教學內容的科學性、先進性。將多媒體教學與板書相結合，可彌補板書在時空上的不足，使抽象的知識形象化，同時能夠增加課堂信息量，開闊學生思維。例如，晶體結構中面心立方和密排六方結構的空間堆垛、晶體結構缺陷中位錯的形成和運動過程、晶體結晶和固態相變過程中的形核及生長過程、三元合金相圖的各相區劃分、金屬塑性變形的滑移和孿生過程等內容都是教學中的重點和難點，學生理解起來很困難。如果采用多媒體技術中的二維或三維動畫對這些內容進行演示，就可以使其更形象和生動化，便于加深學生對這類內容的理解，明顯地提高教學效果。但是教師在授課過程中還不能過多地依賴多媒體教學，如果一味地應用多媒體授課，學生也可能會因為課件變化快或信息量過大而難以消化，反而影響學習的積極性。因此，有效的方法是將多媒體課件與板書相結合，二者相互取長補短，而且在授課過程中，將二者恰當有效地結合也是提高教學質量和教學效果的關鍵。教學內容中涉及到的一些基本理論和公式應使用板書的方法講解，這樣在基本理論或公式的推導過程中，能夠給予學生充分的理解時間，引導學生全程跟住教師的思路，更好地理解和掌握，還可以調動學生參與的積極性。涉及到的新材料開發、具體制備工藝和加工過程以及應用情況，可以通過視頻形式更形象、直觀地來幫助學生理解，加強學生對基礎知識與實際生產聯系的理解，同時也激發學生對科研的興趣。

此外，在教學過程中要堅持“以學生為主體、教師為主導”的理念，采用集引導法、討論法、案例法于一體的教學方式，充分調動學生在課堂上參與的積極性和主動性。每次在講授新內容之前，可以結合工程實際列舉相關的科研或生產實例，提出需要解決的問題，在此基礎上引出解決問題所涉及到的理論知識，進而引出授課內容，這樣不僅可以激發學生的學習興趣，而且可以啟發學生理論聯系實際的思維方式。授課過程中，注意各章節內容的前后貫通，說明各部分內容之間的相互關系，理清各知識點的聯系和區別，體現課程教學的整體性，使課程內容清楚、簡單。轉換教學內容時，一定要交待交代清楚前后兩部分內容間的銜接關系，以使學生明白課程教學內容的延續性、完整性以及編排的必然性。

授課時可以結合教師的科研課題，引入基于項目的課堂教學方式。教學中引入部分科研工作的內容，引導學生從科學研究成果中學習基本概念，將死記硬背的一些枯燥無味的抽象概念變為探究和解決問題的手段，增加學生的興趣，提高學生對理論知識的理解和掌握程度，激發科研興趣。同時將科學研究方法和手段融入教學中，使教學真正成為培養學生創新能力的重要環節。

三、實踐教學方法的應用

材料專業基礎課，是培養學生科研能力和創新能力的重要課程。在教學時必須注重理論和實際的緊密聯系，在課程安排上要堅持理論授課與實驗操作齊頭并進。我校通過獨立開設的《材料科學基礎》實驗，不僅有利于加深學生對理論知識的理解，培養創新思維，而且還有利于鍛煉學生的動手能力，使他們愿意去主動探究，培養學生從事科研的能力。我校開設的《材料科學基礎》實驗分為三個環節，即驗證性實驗、設計性實驗和創新性實驗。其中，驗證性實驗是使學生驗證已學過的理論，鞏固和加深對已學過知識的理解。對于某些未能開設的實驗，在課堂上以圖片、動畫或插播媒體文件的形式展示實驗過程和實驗結果，從而使學生對所學知識的理解更加透徹。在此基礎上，通過開放實驗室，進行設計性實驗和創新性實驗，主要培養學生綜合應用所學知識的能力，提高學生親自設計實驗、解決工程實際問題的能力。在這三個環節的實驗中，將設計性和創新性實驗教學列為重點，通過這兩個實驗的開設，可以加強學生實踐能力和創新能力的培養。也可以通過為大二或大三對科研有興趣的學生配備導師，讓他們參與到某些教師的科研項目中，這樣可以讓學生盡早地把所學的理論知識真正應用到實踐中，從而鍛煉學生從事科研工作的能力、掌握科學的研究方法和培養創新思維。

四、結語

通過多年的教學實踐，對《材料科學基礎》課程的教學內容、教學方法和手段進行了有益的探索和研究，取得了較好的效果。通過課程內容的優化、引入材料科學發展的前沿知識和基于項目的課堂教學模式，提高了學生的學習和科研興趣。應用實踐教學的方法，使學生更好地掌握基礎理論知識，提高分析問題和解決問題的能力，增強創新意識。

參考文獻：

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