《材料科學基礎》專業課程案例設計與教學效果探索

黃小蕭， 韓秀麗， 張強， 黃陸軍

（哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150001）

0 引言

《材料科學基礎》課程是材料科學與工程學科的本科學生的必修課程，是所有材料類專業課程的基礎課程。課程內容包括原子結構與鍵合、固體結構、晶體缺陷、固體中原子及分子的運動、材料的形變和再結晶、單組元相圖及純金屬的凝固、二元系相圖和合金的凝固與制備、三元相圖等內容。學好這門課程，就會為將來的其他專業課程學習打下堅實的基礎。通過課程學習，讓同學們體會本專業的特色、價值，思考自己的發展前途，進而激發學生的學習熱情，具有重要的意義。本文探索了在專業課程的講述中融入案例，進行案例教學，加深同學們對課程的體會，還能調動學生的學習積極性和增強學生解決問題的能力，增強教學效果。

1 與國之重器相關聯的教學案例設計

《材料科學基礎》中的第二章是固體結構，主要講述晶體結構性質，了解和認識原子排列方式與材料組織結構和性能間的相互影響規律。第四章是固體中原子及分子的運動。主要講述固體中擴散的宏觀和微觀擴散機制。這是設計材料性能的基礎，只有了解固態物質的內部結構和固體中原子的擴散規律，才能從物質波內部找到改善和發展新材料的理論依據和技術途徑。在講述這部分內容時，引入哈爾濱工業大學金屬熱擴滲的科研團隊的案例。該團隊創建了金屬材料熱擴滲表面層組織結構納米化理論，發明了“金屬材料熱擴滲層組織結構納米化技術”，該技術成功應用于港珠澳大橋纜索錨具制造。港珠澳大橋是由3座大跨度鋼結構的斜拉橋組成，是世界鋼結構橋體最長的跨海大橋。港珠澳大橋設計壽命為120 a，錨具是大橋的主承力件。錨具的纜索能力直接決定了斜拉橋的穩定性和使用壽命，固緊纜索、承載斜拉橋的全部重力及負載。若采用傳統工藝，受表面層組織結構制約，疲勞壽命僅能達到設計的1/3。低溫熱擴滲表層晶粒納米化技術，實現了錨具整體強韌化與表層超高強韌化，解決了大尺寸、結構復雜錨具制造的技術瓶頸，使錨具通過了設計目標2百萬次加速循環疲勞試驗，該技術保證港珠澳大橋壽命和可靠性。該技術也創造了巨大的經濟效益和更廣泛的應用，如在中國一汽解放汽車有限公司、航天科技集團803所、哈爾濱東輕特種材料公司、哈爾濱東安發動機公司、哈爾濱第一機械集團公司等數十單位應用的輻射效應，產生了顯著的社會效益，意義深遠。

在設計高剛度、薄壁大長徑比管件的成型上，通過優化材料的組織結構和熱處理，調控剛度和強度是關鍵需求。哈爾濱工業大學研究團隊針對嫦娥五號月表采樣機械臂的輕質、高模量、高強度、耐熱等綜合需求，解決了基體合金微合金化改性、界面狀態優化及高致密材料復合制備的技術難題、薄壁管材無余量擠壓成型和鍛件等溫鍛造的加工難題，以及產品強韌化與尺寸穩定化協同熱處理改性等工藝難題，實現了機械臂彎矩和轉矩同步加載，以及剛度的精確測量和強度校核，為產品的成功研制提供了關鍵支撐。

在專業課講授的課堂上，自然地引入這樣的案例可以增強學生的學習興趣和國家民族自豪感，也讓同學們真切地感受到這樣關鍵技術的創造者就是我們身邊朝夕相處的教師們的科研成果，讓他們真切地感受到科研技術的鮮活生命力和沖擊力。鼓勵他們好好學習，為將來國家面臨的更多“卡脖子”關鍵技術攻關貢獻自己的價值。

2 與經典哲學理論相關的案例設計

馬克思主義基本原理是指導學生樹立正確的世界觀和方法論，用辯證唯物主義基本原理分析問題、解決問題，為黨和人民事業發展提供了科學理論指導。在課堂教育中引導學生從黨的非凡歷程中領會馬克思主義是如何深刻改變中國、改變世界的，感悟馬克思主義的真理力量和實踐力量，深化對中國化馬克思主義既一脈相承又與時俱進的理論品質的認識，深刻學習領會新時代黨的創新理論，堅持不懈用黨的創新理論最新成果武裝頭腦、指導實踐、推動工作。

在課程中講述柯肯達爾效應的時候，要把人類認識客觀真理的過程與之相結合。柯肯達爾技術主要講述的是兩種具有不同擴散速率的金屬，在熱處理發生擴散的過程中，形成缺陷和孔洞的現象，是固態物質在擴散的常見現象。在柯肯達爾效應被發現之前，人們普遍認為二元合金中兩種金屬具有相同的擴散速率，而固體的擴散微觀機制：直接交換機制、間隙擴散機制和空位擴散機制也大都沒有直接的證據。柯肯達爾效應是對空位擴散機制的直接證明，證實了二元合金中每一個組元都有自己的擴散系數，揭示了擴散的宏觀現象和微觀機制間的必然聯系。柯肯達爾效應還告訴我們，在科學研究的道路上沒有一帆風順，是一個認識-實踐-再認識-再實踐的過程。這與馬克思主義的辯證唯物主義認識論是一致的。世界是可以被認識的，認識的過程由感性上升到理性，這是一個實踐的過程。認識是一個辨證發展的過程，認識與實踐之間的反復循環式上升的過程，是我們加深對唯物世界認識的過程，實踐的無窮特性也決定了認識發展的廣闊空間。所以教導學生無論科學理論、發展規律還是未來的無盡的未知，堅持馬克思主義唯物認識實踐論，有著重要意義和價值。相應的案例設計和講解有利于學生人生觀和價值觀的培養。經典理論和文明不應該只停留在過去，停留在人們的腦海里，而是要讓同學們常學常新，用理論指導實踐，反過來再豐富理論。讓經典理論成為同學們成才路上的引領者和指導者，促進同學們成才的同時，也是為祖國培養合格的社會主義建設者和接班人。

圖1 固體材料微觀擴散機制的認識與實踐

3 與傳承專業精神相關的案例設計

教育是教師的工作。習近平指出：教育是國之大計，黨之大計，堅持為黨育才，為國育才，把立德樹人融入到思想道德教育、文化知識教育、社會實踐教育各環節；要增強教育服務創新發展能力，培養更多適應高質量發展、高水平自立自強的各類人才。教師是教育工作中的中堅力量。利用好三尺講臺，傳授好專業知識，培養合格的社會主義建設者和接班人是每一個教師的初心使命。在課程教學時，不能拿著課本宣讀，不能生硬搬弄。要善于運用合適的案例。將專業講授跟現實結合起來，自然地滲透課程思政，宣揚專業的價值，讓課堂講授的各項內容鮮活，有生命力，讓教育在教師的課堂講授中潤物細無聲。

材料科學基礎講述的是晶體的晶體結構、缺陷、固體擴散和合金相圖相關的教學內容。材料相圖是合金凝固及指導材料后續熱處理的關鍵科學依據。相圖講述的是隨著壓力、溫度和成分的變化，材料的組成相的構成，理解相與成分、壓力和溫度之間的變化規律，有助于預測材料的性能，在金屬、高分子和陶瓷材料中被廣泛應用。講述晶體中的缺陷章節時，告訴學生缺陷是材料構成中的重要組成部分。完美的晶體在理論上是不存在的，晶體中都會或多或少地存在這樣或者那樣的缺陷。晶體中的缺陷可以分為：1）點缺陷。主要是指尺寸上比較小的缺陷如外來原子和空位、間隙等。2）線缺陷。指在某一方向上有一定尺寸，如位錯。3）面缺陷。指在二維方向上的尺寸很大，與晶粒的尺寸相當的缺陷，如晶界、表面、層錯面等。4）體缺陷。任意方向的尺寸都不可以被忽略，這樣的缺陷就被稱之為體缺陷，如氣泡、孔洞、沉淀相、亞結構等。在材料熱處理過程中，既要關注材料中相的變化，又要關注缺陷的存在形式。

金屬材料熱處理是一門重要的金屬熱加工工藝，1952年哈爾濱工業大學成立了金屬材料及熱處理專業，并且率先培養了全國第一個熱處理專業博士和博士后。哈工大金屬材料熱處理專業（現在為材料科學與工程專業）的發展史就是一部克服困難、敢為人先、勇于挑戰、力爭上游的發展史，是20世紀50年代來自全國的技術骨干匯聚到哈爾濱工業大學，是靠自己、靠團隊，以國家需求為己任愛國敬業精神，老一輩科學家們克服各種生活上和工作上的困難，在材料熱處理事業上做出了載入哈工大乃至全國史冊的業績。時至今日，哈爾濱工業大學材料科學與工程專業的年輕教師們正在傳承這種專業精神，先后在國之重器、探月工程等關鍵技術攻關領域，利用自己的學識做著突出的貢獻。教育同學們要深刻學習和體會這種精神，學好專業知識、用好專業技術，弘揚哈爾濱工業大學專業文化，為學校新百年的奮斗征程添磚加瓦。

案例式教學由來已久，常用常新。在《材料科學基礎》課程中運用同學們身邊的鮮活案例，加入到專業課的學習中，激發同學們的學習興趣，建立愛國愛校的家國情懷，將會在專業課的教授效果上起到事半功倍的效果。當然案例的選取不僅僅局限于學校內部，可以更加廣泛。在國內國外不同領域對優秀校友的先進事跡等方面進行收集，只要能在課堂教學過程中引發同學們的思考，引起共鳴，就會成為成功的案例。

4 結語

《材料科學基礎》課程是材料科學與工程學科重要的專業基礎課程，激發同學們的專業課程學習積極性，鼓勵同學們在學習過程中體會專業課程與專業精神、經典馬克思主義理論和國家發展相關聯的事例，引發同學們對專業的熱愛和應用的思考，開展案例式教學，可以更好地提升課程教學和學習效果。本文所設計的案例均為同學們身邊可見、可交流的專業教授的實際事跡，讓同學們的學習和交流觸手可及，從而提升同學們專業熱愛、專業認同，專業驕傲的自豪感。