新工科理念下材料熱力學課堂案例教學創新與實踐

凌意瀚 馬振凱 歐雪梅

[摘 要]作為材料科學與工程專業研究生的專業基礎核心課程，材料熱力學的根本任務在于培養研究生將熱力學基本原理應用于材料科研實踐中的能力。以中國礦業大學研究生課程材料熱力學為例，從教學設計及實踐的革新入手，對課程的教學內容、教學方法和考核等進行探索和實踐，以提高研究生專業核心課程材料熱力學的教學效果。在新工科理念下，通過重組和優化整個課程教學體系，探討形式多樣的教學方法，改革實驗教學內容。

[關鍵詞]材料熱力學;案例創新教學;教改

[基金項目]2019年度中國礦業大學研究生教育教學改革項目“新工科理念下《材料熱力學》課堂案例教學創新與實踐”（2019YJSJG030）

[作者簡介]凌意瀚（1986—），男，安徽池州人，博士，中國礦業大學材料與物理學院博士生導師，特聘研究員，主要從事新能源技術—燃料電池研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0246-02[收稿日期] 2019-12-24

材料熱力學是材料科學與工程學科研究生教學用書之一，是本科生材料熱力學的進一步深入。材料熱力學的編寫目的是幫助研究生進一步掌握熱力學理論，并能進行材料熱力學研究。該門課程主要涉及經典熱力學和統計熱力學理論在材料中的相和組織形成規律方面中的應用，以及材料在制備與加工過程中的動力學問題。該課程包括了很多的數學表達內容，一系列的數學推導公式使得學生難以理解，這表現了該課程的理論性強、數學表達式多以及學習的挑戰性。同時該門課程對教師的教學也具有很高的要求。改進教學方法，提高這門課的授課效果，調動學生的學習積極性顯得尤為重要。本文著重從教學方法、互動性以及考核方式等三方面進行教學改革，以更好地提高教學效果，激發學生學習興趣。

一、傳統教學模式的不足

中國礦業大學材料工程與科學在60余年的發展歷程中不斷改革創新，求是進步，以培養“高素質、強能力、應用型”專門人才，為我國材料行業人才隊伍添磚加瓦為己任，努力提高教學的質量。但是學院傳統課堂教學仍有很多不足，例如忽視了學生的課堂主體，同時該課程包含了許多抽象難懂的公式內容[1-3]，這些因素導致學生們反映該門課程，理論性強、公式多、難以及時跟進。教學方法單一、枯燥，容易使學生失去學習興趣，不利于學生對教學難點的掌握。通過學習觀察比較，我認為在傳統課堂教學中主要存在以下不足：

（一）課程教學模式單調

目前大學課堂中教學手段通常以老師的單獨授課為主，即老師在上邊講述推導復雜的公式，但是由于該課程的復雜和晦澀難懂，部分學生難以及時理解并做好筆記。有一些教師先入為主地引導，按照預備的PPT和課堂備案來講解，牽著學生的鼻子走，有填鴨之嫌，并且當代學生參與互動的積極性也普遍低下，導致單方面的教學，嚴重制約了學生發散思維的培養。

（二）考核方式不夠科學

大學對于各科的測試，不僅僅能夠測評學生們的水平以及他們對于知識的吸收情況，也可以給予教師能力的肯定。材料熱力學與動力學課程考評的主要方式仍采取的是筆試，但這并不能夠作為評價學生的唯一標準，一般學生們的最終成績并非只是由期末的筆試成績決定，因為它基本無法將學生們的學習情況好壞進行科學的測評，也不可以判斷學生在平時能否熟練運用所學知識。考評成績一般由期末的開卷筆試、作業和平時成績三部分組成。課程考試占總成績的70%，作業和平時成績一共占30%。這個比例導致一錘定音，在考試前學生突擊基本可以通過，導致學生知識掌握不夠扎實，僅為考試而學。

（三）互動性不足

隨著科技的發展，手機、多媒體的應用導致學生在課堂上的互動性越來越差。教師的多媒體教學導致部分學生在學習過程中遇到困難，就不再去跟進教師煩瑣的黑板板書的公式推導和理論講解，而期待著課后PPT的下載，而對于一些課堂問題的答案，現在大多數也可以通過各類搜索引擎得到相關答案，這降低了學生思考的主動性，同時也降低了教師與學生之間對于問題的討論與互動。

二、創新教學與實踐方案

案例教學以其新穎生動的特點受到師生的喜愛。傳統的案例教學主要是以教師為講授主體，以知識傳授為主要渠道，對學生進行理論灌輸，難以適應當前國家對于創新性工程人才的培養要求[4-5]。從整體上講，創新性案例教學的特征體現在以下幾個方面：

（一）選擇具有吸引力的案例與教學工具

在材料熱力學課程教學中，為使抽象的教學內容更直觀化和形象化，通過增加典型實物型的教學道具進行輔助教學。例如，在講授三元相圖時，使用三維實體模型來描述溫度、組成與相態之間的典型關系，利用COMSOL等軟件來描述溫度、組成與相態之間的數學關系。在課堂上通過使用各種模擬軟件例如FLUENT、COMSOL、CHEMKIN等教授相關案例教學，同時布置相關課堂作業，使學生通過課堂學習之后再通過模擬軟件作業的方式親身參與到案例和學習中來，通過自己動手來達到知識的融會貫通。讓學生們在課堂上能夠直觀地理解材料的組織、結構的變化，從而實現教學水平的提高。

（二）以學生為中心

傳統的案例教學以教師為中心，進行填鴨式的教學，學生被動地接受老師授予的知識，而不去消化吸收，還有的滿堂問，大都是齊答，有相當一部分學生是隨聲附和。創新性案例教學則是將學生主體放置在核心的位置上，充分強調學生在案例教學中的地位，充分調動學生的好奇心。從學生實際出發;根據學生的知識水平與心理特點，找出能誘發他們思維的興趣點來問，注意生成性的問題;在教學實踐中大膽地探索和嘗試，把課堂、時間和練習的機會還給學生。在這種理念和實踐中充分相信每個學生，讓每個學生不同程度地取得進步，最終達到學會的目標。

（三）注重學生能力培養，考核方式優化

注重學生能力培養是創新性案例教學的核心特征。這一特征主要體現在問題的提出、解決問題的方案設計以及實地操作，直至最后的系統總結都蘊含著對學生多種能力的培養。當問題出現后，教師應引導學生去思考、去動手，從而培養學生獨立思考、獨立分析、獨立操作以及獨立總結的能力，將課堂表現作為成績的重要考核部分，使最終考試只有40%左右的內容依靠書本可以得分，剩下的60%的內容必須靈活利用所學知識才能完全做對。同時對期末的開卷考試考場秩序進行嚴格控制，杜絕作弊;考查學生對知識的掌握，杜絕僅憑突擊得高分的現象。對于作業的評價，要嚴格把控作業的質量，分組布置作業，隨機抽取作業，避免互相抄襲的現象，以此全面提高教學質量水平。

參考文獻

[1]王群，李楊，霍華，吳曉宏.工科化學類研究生材料熱力學課程教學體系改革研究[J].大學化學，2018，33（2）：12-17.

[2]谷萬里，方曉英，朱光明，秦聰祥.《材料熱力學》課程信息化教學模式初探[J].科技資訊，2019，17（21）：75-76.

[3]靳濤，韓明臣.加強材料熱力學理論—促進創新能力提高的教學實踐[J].教育現代化，2020，7（24）：12-15+51.

[4]邵輝，葛秀坤，畢海普，趙慶賢，郝永梅，邢志祥.工程教育認證在專業建設中的引領與改革思考[J].常州大學學報（社會科學版），2014（1）：105.

[5]王洪才，李慧.運用生成性案例實現創新性教學[J].中國高等教育，2013（19）：44.