材料科學與工程基礎實驗教學改革探索

凌 紅， 楊 坡， 冉起超

(四川大學 高分子科學與工程學院，四川 成都 610065)

材料科學與工程基礎是材料學專業一門重要的專業基礎課，是公共基礎課和材料相關的專業課程之間的銜接與過渡，在課程設置上起著承前啟后的作用，為后續課程的展開扮演著基礎鋪墊和專業引導的角色[1]。因此，國外大學的工學院已廣泛把材料科學與工程作為大學低年級的一門公共必修課。材料科學與工程基礎研究物質結構基礎、材料組成與結構、材料的性能、材料的制備與成型加工，研究內容涉及金屬、無機非金屬、有機高分子等材料的成分、結構、加工同材料性能及材料應用之間相互關系的科學[2]。通過教學實踐發現，材料科學與工程基礎課程的知識點多、內容繁雜枯燥、抽象難記、教學難點突出[3]。為提高學生的學習質量和學習效率，更好的理解材料科學與工程基礎課程的理論知識，以便于更好的分析解決實際材料的生產和科研問題，為本課程開設實驗課勢在必行。本文通過分析材料科學與工程基礎課程的教學現狀，闡明了開設實驗課的必要性，并對實驗課的課程體系和內容進行了初步探索。

1 材料科學與工程基礎課程教學現狀和開設實驗課的必要性

開設材料科學與工程基礎的目的是讓學生了解材料科學的基礎理論知識，掌握材料成分、結構與性能之間的關系，并對金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及復合材料等四大類材料有一個廣泛而系統的認識[4]。在本課程組老師的努力及學院和學校的支持下，四川大學高分子科學與工程學院所開設的材料科學與工程基礎，被評為國家級精品課程、2003年度被評為四川省精品課程。在教材選用上，我們選用的是顧宜和趙長生主編的《材料科學與工程基礎》及William D. Callister編著的《FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING》美國原版教材，并且開設成雙語教學。

材料科學與工程基礎課程涉及到大學物理、有機化學、物理化學等多個相關學科，課程內容多，概念多，理論抽象。因此多年來我們采用多媒體教學為主的教學方式，除了PPT課件以外，在一些同學理解困難的知識點處，我們制作了生動、形象的動畫，以幫助同學們理解和掌握。比如晶體結構、鐵碳合金相圖等，我們通過多媒體教學，改變了單靠課本上簡單的平面圖形使同學難以理解和掌握的狀態。例如鐵碳合金相圖，我們清晰地把相圖上的點、線、面形象生動的展示給學生，并且制作了動畫，展示了隨著溫度的降低，鐵碳合金中碳含量和鐵碳合金組織結構的變化。多媒體教學通過形象、逼真的動畫形式，從靜態到動態、從平面到立體、從單色到彩色、具有局部結構解析功能、全方位演示課程的重點和難點教學內容，極大的豐富了材料科學與工程基礎課程的教學信息量，擴充了教學內容，既有利于學生空間概念的建立，正確理解材料微觀結構的特點和宏觀性質及其應用之間的相互關系，又提高了教學效率和學生學習積極性[5]，使教學效果得到了一定提高。

經過課程組老師的努力，建成了材料科學與工程基礎課程網絡學習平臺，并已向我們學院大二本科生開放多年。通過材料科學與工程基礎課程網絡學習平臺，我們將教學大綱、教學課件等學習資料上傳到該平臺，可以幫助同學了解課程的具體授課安排和知識點等，使同學們更有效的自主學習。并且我們還制作了自測評系統，發布了很多的練習題，以便于同學們平時復習和期中考試、期末考試之前進行練習，通過自測評系統的練習，學生們可以及時發現問題，復習鞏固所學內容。而且每一年每一個班級的老師、助教和同學們我們都會建立一個QQ群，學生們在學習中遇到任何問題，可以隨時把問題發布到QQ群里，助教或者老師都會及時解答，這樣就提高了同學們的學習效率，從而達到一個更好的教學效果。在學院和教務處的大力支持下，我們還錄制了材料科學與工程基礎的慕課，并且于2019年9月上線。

21世紀需要的是具有創新能力、實踐能力、高素質的復合型人才。只有為學生在大學期間打下扎實的基礎和專業知識，使學生具有較高知識應用能力與動手能力，才能在以后的工作和科研中做到游刃有余。所以對于材料科學與工程基礎課程的學習也不能只停留在理論知識上，必須要與實踐操作能力相結合[6]。實驗環節可幫助學生鞏固和加深對理論知識的理解，掌握基本實驗技能，培養理論聯系實際，自己動手分析、解決問題的能力。我們要認識到材料學相關專業實驗教學的重要意義，進而加強材料科學與工程基礎的實驗教學。

2 實驗課程體系及內容

實驗教學應該是材料科學與工程基礎的一個重要環節。通過開設實驗課，讓同學們對材料科學與工程基礎中的概念、基本理論、知識點等加深理解，理論的正確與否可以通過實驗來驗證。除了學生在課堂上接收理論知識外，還要通過實驗教學的方式來對理論進行消化、鞏固、吸收，學生在實驗室進行實驗的過程，是理論學習與實際實踐相統一的過程。學生可以通過實際操作來觀察現象，測量數據，同時鍛煉學生的觀察問題、分析問題和解決問題的能力[7]，為以后的工作和科研打好基礎。

實驗課程體系及內容可以根據材料科學與工程基礎教程來開設。比如說第二章在晶面指數和晶面間距部分，我們可以開設X射線衍射實驗，讓同學們驗證布拉格定律，同時進一步理解晶面間距的知識點。在表面張力和表面能部分，我們可以開設毛細管測試液體表面張力的實驗，同時可以驗證表面張力和接觸角之間的關系。第三章和第五章可以合并在一起，在講到高分子材料時，可以和我們學院開設的高分子化學實驗相結合，從單體合成開始，直到最后制備出所設計的某種高分子材料。有條件，也可以帶學生去陶吧，感受一下無機非金屬的陶瓷是如何由黏土制備而來的。第四章材料性能部分，力學部分：可以利用教學實驗中心的拉力機給同學們開設拉伸實驗，通過實驗理解應力、應變、彈性模量、拉伸強度、屈服強度等物理量的概念及相應的知識點；可以通過沖擊實驗儀來測試高分子材料的沖擊強度，從而進一步鞏固沖擊強度的概念及知識點。熱性能部分：可以通過開設差熱分析(DTA)和差熱掃描量熱分析法(DSC)實驗使同學們了解溫度變化過程中樣品的物理和化學變化過程，如結晶、熔融、氧化、分解等。可以通過開設TGA(熱重分析)實驗，使同學們了解聚合物的穩定及分解，比如起始分解溫度，空氣和惰性氣體中的分解差異等等。還可以通過氧指數測試儀測試高分子材料的氧指數，同時鞏固氧指數的概念和該知識點，進而了解高分子材料的燃燒特性。在電性能部分：可以通過測試材料的電阻率，來理解電阻率和電導率的概念及知識點，然后通過電阻率區分導體、半導體和絕緣體。大多數的高分子材料作為絕緣體使用，可以通過測試其擊穿強度來理解和鞏固該概念及知識點。在光學性能部分，可以簡單的介紹一下紅外光譜和紫外光譜，使同學們了解電介質的吸收率隨波長的變化情況。

在實驗過程中，盡量讓同學們自己親自動手操作，以培養同學們實際操作儀器的能力和動手能力。通過測試實驗數據，使同學們深入理解實驗原理，掌握實驗背后的相關知識，培養同學們解決問題的能力。

最終實驗成績可以在材料科學與工程基礎總成績中占一定的比重，比如20%或者30%。而實驗成績的考核可以由學生的實驗課堂考勤、實驗預習、實驗操作及實驗報告四部分組成。這樣的實驗考核機制應該可以比較客觀的反應學生的實驗學習效果，同時考查學生的動手能力。

3 結 語

對于材料科學與工程基礎課程，由于我們采用以多媒體教學為主，并且開通了網絡平臺，甚至慕課，已經取得了較好的教學效果。在今后的課程建設中，我們應該開設對應的實驗課，使基礎理論和工程實踐相結合，培養學生的動手能力、創新能力與科學素養，進一步提高材料科學與工程課程的教學質量，同時為國家培養更多的高素質專業技術人才。