大材料专业_材料科学基础_课程的教改认识与实践_靳正国

1、大材料专业“材料科学基础”课程的教改认识与实践靳正国郭瑞松侯信郭新权胡绳荪盛京【摘要】本文根据天津大学材料学院材料科学与工程专业教学改革的目标,讨论了相关材料科学基础课程教改中的一些热点问题及教改实践。“材料科学基础”是材料科学与工程专业较为基础和重要的课程,在公共基础课和专业课程之间起着一个必经的桥梁作用。材料学院在专业设置齐全、专业积淀较厚的背景下,利用学科门类齐全的优势,在加强基础、拓宽专业、注意理论体系的贯通融合、与专业课的衔接等方面进行了探索和三大材料专业知识结构的优化重组,初步建立了大材料专业“材料科学基础”课程的新教学体系,从中取得了一些较好的教改效果和经验。【关键词】材料科学与

2、工程专业教学改革材料科学基础课程建设【作者简介】靳正国、郭瑞松,天津大学材料科学与工程学院教授;侯信,天津大学材料科学与工程学院副教授;郭新权,原天津大学材料科学与工程学院副教授;胡绳荪,天津大学材料科学与工程学院教授,天津市教改项目负责人;盛京,天津大学材料科学与工程学院教授,教育部教改项目负责人。随着我国改革开放、经济建设和文明建设日新月异的发展,“振兴教育,教育创新”已经提到了十分突出的地位。新的时代所需要的人才类型是多样化、个性化和具有创新精神的,这就要求我们在新形势下重新定位我们的人才培养模式。材料科学是20世纪50年代末提出的、是以揭示、研究固体材料性质规律为主的一门科学。进入21

3、世纪,材料科学已经与能源科学和信息科学并列为现代科学技术的三大支柱。作为材料科学与工程学科重要基础课程之一的“材料科学基础”正面临着以加强基础、拓宽专业知识面和加强实践训练为主要目的的课程改革。一、课程的性质及历史沿革1.课程的性质。材料科学主要是指从事对材料本质规律的发现、分析、认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为,给予材料结构、性质等的统一描绘或建立模型,以及解释结构与性能之间的基本关系。其内涵是由组成-制备-结构-性能-与环境相互作用等几大要素组成。广义地讲,材料科学的核心内容是对结构的认识以及其对性能的影响。对此需要了解材料在各种过程中的行为,如加热过程、冷却

4、过程、反应过程、界面过程、扩散过程、相变过程等。因此可以说,研究过程是理解结构的重要环节,结构是决定性能的核心,外界条件控制着结构的形成。在材料科学中,对材料结构的描述有不同的角度和层次,如组成基元(原子、离子或分子、结合方式(金属键、离子键、共价键、分子键、排列规律(晶态、非晶态、缺陷及运动形式(扩散、偏析、迁移、晶格振动、电子运动、质点热运动等方面。此外描述材料的结构也可以通过原子结构、晶体结构、显微结构等不同层次。材料的原子结构,电子围绕着原子核的运动会影响原子的键合,使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间能形成规则的原子排列或称晶态结构会

5、表现出独特的物理性质,如石墨和金刚石都是由碳原子组成,但原子排列方式不同而导致了强度、硬度及其它物理性能上的显著差别。又如玻璃态的聚乙烯呈透明状,而晶态的聚乙烯是半透明的。从显微结构的层次上讲,纳米材料许多特异的性能是与其晶粒细化和界面成分提高密切相关。这些统一起来的效应决定了材料的性能。2.课程的历史沿革。材料在人类文明进步的发展历程中始终扮演着重要的角色。历史上,人类文明阶段是按石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代来划分,现代的所谓核时代与信息时代也是与两个著名的元素U和Si的开发紧密联系,这些反映了材料对于人类文明发展的重要作用。人类在利用材料资源和挖掘材料资源的历程中,已将材料的种

6、类、品种、用途不断扩大,不断赋予材料新的设计、新的结构、新的功能甚至智能。如今,世界各国已注册的材料就有几十万种,并且仍在不断地增加中。随着各类材料大规模的应用和研究发展及与相关基础学科的交叉融合,人类对材料本质的了解也得到了不断深入,对各类材料的理解认识积累了丰厚的理论基础,形成了以基本成分、键性特点、本质属性分类的所谓金属材料、无机非金属材料和高分子材料的专业体系。在以金属材料、无机非金属材料、高分子材料的专业课程体系中,属于专业基础理论课的内容均列为必修。其中关于材料科学基础的教学从各专业课程的安排上看,金属材料专业一般是以金属和合金材料的本征行为及其应用理论为重点;无机非金属材料专业的

7、重点是离子键和共价键材料物理化学上的基本特征及行为规律;而对高分子材料专业,其材料科学基础理论多分散在“高分子物理”、“高分子化学”等课程的相关章节中进行,其中制备科学涉及的较多而关于晶态物质结构理论及高温过程则涉及的较少。二、课程教学的改革随着教育创新的不断深入,材料科学与工程学科正面临着办学指导思想上的转变,即围绕着适应现代材料科学技术的发展,在教育观念上实现由注重专业教育向注重能力与素质教育的转变。办学的目的是强调在宽专业知识面上对学生进行综合素质的提高,培养既掌握材料科学与工程基本原理,又通晓材料制备与加工、组成与结构、性能与应用等系统知识的宽专业人才。在材料学院进行的教学改革方案中,

8、按“材料科学与工程”一级学科设立了六门相关材料科学的平台基础课程是:材料科学基础、材料物理性能、材料力学性能、材料现代研究方法、材料研究与计算机应用、材料概论(双语。其中“材料科学基础”是最为基础和重要的平台课程,在学科知识构建中起着“基石”的作用,其教学内容的设定、宽度和深度决定着学生培养中关于材料学知识的基础深度和知识面的广泛程度,并影响着后续课程的展开、实施及教学效果。可以说“材料科学基础”课程是公共基础课和专业课程之间的一个重要桥梁。材料学院现设有金属材料、无机非金属材料、高分子材料、材料化学和材料加工及自动化五个专业。此专业设置在国内材料类学院中,是属于专业设置较为齐全的,并且其中四

9、个专业是上世纪50年代期间先后成立的老专业。在以如此学科门类较为齐全、专业历史发展较长的背景下开展材料科学基础课程的改革,既有有利的一面,又有困难的一面。对此,我们在如下几方面进行了教改内容的规划:(1利用材料学院学科门类齐全的优势,进行三大材料专业知识结构的优化重组,建立大材料专业的“材料科学基础”课程的教学体系。(2根据材料学院材料科学与工程一级学科设立的六门平台基础课的相互衔接、交叉、融合的要求制订课程的教学大纲。(3打破原有材料划分的界限,从材料科学的本质出发,以突出基础、强调共性为重点,在三大材料的结构与性能特征相互映衬下制定“材料科学基础”的教学内容。(4按材料学二级学科专业设课,

10、进行教学改革的初步尝试。(5组织编写“材料科学基础”课程教学用书。(6组织编写课程的CAI课件,提高课堂教学质量与效果。(7加强实践教学,探索新的教与学模式。三、课程改革的实践1.新课程体系的建设。在新课程体系的建设中,首先是打通金属材料、无机非金属材料、高分子材料专业的相关基础课,按材料科学与工程一级学科设置“材料科学基础”课程。根据材料科学与工程专业的平台教学要求,实现材料科学与工程专业真正意义下的基础理论知识的教学,我们在课程体系、大纲制定、教材编写等方面注意了如下几点:(1加强基础。作为大材料专业的平台课程首先要体现课程的基础性。对此,我们在教学大纲的制定上侧重高等工程教育研究2005

11、年增刊了不涉及哪类材料的相关基础理论知识的汇集,如几何结晶学基础、晶体化学基础、缺陷化学基础、表面与界面理论基础以及固体材料扩散理论等。在这方面,我们也注意了不能与学生所学过的基础内容重复,特别是物理、化学和物理化学中的内容。(2拓宽专业。在大纲的制定中,我们打破了三大材料的旧有界限,以材料科学与工程专业的授课角度去思考内容的舍取,不根据授课教师的特长设置内容。在理论模型的介绍上尽量拓展其适用的材料范围,如关于位错模型,界面结构模型等。在叙述上也采用通用性的模式以最大限度的淡化三大材料各自的专业色彩,力求突出共性的内容。例如相平衡与相图的内容,我们选择了相律、相平衡热力学理论、一元、两元和三元

12、基本相图类型的阅读等为重点内容,舍去了具体材料的相图及其应用的大部分内容。(3注意理论体系的贯通融合。在分析金属、无机非金属、高分子材料的基础理论体系的基础上,我们注意了从理论范畴和科学体系层面上进行整合贯通。例如在介绍材料中的表面带电、界面偏析、质点扩散、结构缺陷类型、相变类型上均拓宽了材料的范围。事实上,材料科学在理论上的交叉融合已日益明显,材料制备和使用过程中许多概念、现象和转变都存在着许多相似之处,例如马氏体相变理论最初由金属学家建立,广泛用于钢的热处理理论解释。而氧化锆增韧陶瓷中同样也发现了马氏体相变现象,并作为陶瓷增韧的一种有效方法。又如缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机

13、理、界面的精细结构与行为、晶态和非晶态结构、不同类型材料中的电子迁移理论等可以用来解释不同类型材料的行为。这些都为材料科学基础课程的内容整合提供了十分良好的基础和可能性。此外,在整合共性基础理论体系的同时,力求让三大材料在相互映衬下表达其各自的个性特征。例如我们在介绍材料的结构章节中,晶态和非晶态结构均并列了三大材料的内容,其中高分子的典型球晶进入了晶态结构的介绍,而非晶态结构则以高分子材料为重点。这样使学生能在更宽阔的视域中掌握材料科学的基础知识,这对于他们今后的专业学习及材料研究上的受益是显而易见的。(4与专业课的衔接。材料科学基础课在6门学院平台课中与各专业课的衔接关系是最为密切的。对此

14、我们明确界定了与专业课的衔接,即对涉及较为具体的一些材料的行为、结构特征以及性能或功能的介绍,一般留给专业主干课程内进行。这样保证了在有限的课堂学时内使学生能够基于大材料学科的范围去了解和认识其中的基本概念、基本原理、基本规律,这对学生更清晰地掌握并运用这些基础理论无疑是十分有利的。此外,在大材料意义下的基础理论体系,能以更宽的学科内容,更鲜明的材料个性特征,对其相互间的特征映衬给予了更为完整的体现。基于如上的认识,我们在教学大纲的制定讨论中明确:授课内容应从材料科学与工程的基本原理出发,要力求全面地阐明各种材料的共性规律,以及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的主要个性特征,本着材料科

15、学的范畴,以固体材料结构为重点,从微观、宏观、物质内部、表面与界面、静态及动态过程等不同层面角度,阐述与固体材料密切相关的质点间结合方式和相互作用,质点的空间排列特征规律,聚集态结构,结构缺陷及变化规律之间的相互关系,表面与界面相关的理论和现象,以及凝聚态材料的相平衡、相图、扩散、相变等,使学生对材料组成与物质结构的内在联系有系统、深刻的理解和掌握,同时又了解材料结构与性状间关系的基本规律,为今后继续从事材料类专业的学习打下扎实的宽专业口径的理论知识基础。为此具体构建了以材料中的物质结构和物质质点运动及物相为核心的大纲框架:2.新的教与学模式。“材料科学基础”作为“大材料宽专业口径”的专业基础

16、课,更为具体的是在教材的编写上如何做好授课内容的取舍与更新,以及在有限的课时内达到理想的教学效果。(1教材建设。材料科学基础课程体系与许多相关专业课程体系是紧密联系的,但本身教学内容中的每一环节又是相对独立的,这就要求在组织教材中应注意各个环节之间的衔接,特别是在与后读课程的关系上。教材内容与体系的取舍既要明确与后读课程的相互关联,又要保持课程自身体系的完整,兼顾不同材料的特点及知识体系与要素,充分注大材料专业“材料科学基础”课程的教改认识与实践意课程内各个环节之间的逻辑关系以及与前后课程的衔接,保持教材体系的独立性、完整性以及与其他课程的贯通性。此外,新教材又要对更新知识有所体现,适当增加更

17、新内容以丰富知识信息量,使教材既能作为课堂教学使用,也可作为学生自学以及今后专业科学研究中的参考书。物质结构晶态结晶学基础材料晶体结构金属无机非金属高聚物结构缺陷点缺陷线缺陷面缺陷固溶体非晶态高聚物无机非金属金属表面与界面表面(气固、气液表面基本特征固态表面结构与表面能表面行为界面(固固、固液小角晶界大角晶界共格理论结构模型界面行为结构与界能固态质点运动与物相扩散宏观理论微观理论影响因素相平衡与相图基本概念热力学基础一元相图二元相图三元相图相变固态相变固液相变液液相变图1材料科学基础教学大纲框架(2课堂教学。在课堂教学实践中,我们自编了CAI多媒体课件,注重了充分利用多媒体的教学手段,在有限的

18、学时内最大限度的发挥多媒体教学的应用效果,向时间要效益。与此同时,还对教学方法进行了相应的改进。大力提倡学生的主动学习,培养学生的求知欲望。在授课内容方面,力求重点突出、逻辑清晰,强调启发式的师生间课堂交流互动,贯彻传授-引导-思维-归纳-发展的教与学模式。在授课内容的交流方面,提倡师生间平等讨论,相互理解,相互启发,已达到共同提高的目的。(3考核方式。在课程改革中我们对课程的考核方式进行了深入地讨论,大家认为闭卷考试是应试教学方式中的传统评价方法,对培养提高学生的综合业务素质存在着一定的弊端。对此我们正在探索更为合理的新的考核评价制度,即开卷考试-闭卷考试-平时作业-实验报告相结合的方式。具

19、体考虑为:a考试实行闭卷题和开卷题两部分。闭卷部分考查学生的临场应变能力,对基本知识的掌握、熟练和提炼的程度,内容要充分体现教学大纲的基本要求。开卷部分重点考查学生对基础知识的应用能力,注重点面结合,知识掌握与运用能力的结合,回避了需要记忆的内容,更多的检验学生分析和解决问题的能力及其综合素质。b重视对平时学习状态的评价,包括课堂出勤、上课听讲、自学情况、作业完成质量等方面,这是对学生综合素质较为具体的检验。c注重学生在实验教学中的思考能力,动手能力和创新思维能力的检验与评价。(4实验教学。在加强实践的教学改革中,采取实验教学课程建设与学院平台实验室建设相结合的方式,推进课程实践教学的全面提高

20、。材料科学基础课程现配置了16学时的实验课。结合课程的内容,我们讨论制定了6个实验,编写了实验教学指导书。其中相关结构的有4个试验,材料属性的有2个实验。通过实验课程的基本训练,使学生既提高了实验动手能力,又进一步巩固了课堂教学的内容,取得了新教学培养模式的良好的教学效果。四、结束语在“宽专业”培养模式下建立院管平台基础课程的教学体系已势在必行。其中作为新课程建设的“材料科学基础”正在材料学二级学科范围上进行教学实践,良好的教学效果已初见端倪。但教育教学改革是一个新的事物,总会出现这样那样的新问题,这就需要我们认真地去对待去解决,从高等工程教育研究2005年增刊中改进我们的教学效果,提高我们的

21、教学质量。此外从与科学技术和人类文明社会发展相适应的角度上说,教育教学改革也是永无止境的。今后,我们要对“大材料宽专业”教学体系培养学生做更多更具体的探索和调查研究,以总结其中的教改效果和经验教训,通过不断地实践、不断地认识、不断地完善,相信我们定会走出一条适合于宽专业人才培养的成功之路。参考文献1.靳达申、车成卫:材料科技发展的动力和瓶颈,中国科学基金2002年第3期。2.葛昌纯:材料科学现代科学技术的“擎天柱”,中国高校招生2002年第10期。3.师昌绪:跨世纪材料科学技术的若干热点问题,自然科学进展1999年第1期。4.严东生:高性能无机材料现状与展望,世界科技研究与发展1996年第3期。5.徐庆等:浙江大学材料类本科专业教学