《材料科学基础》课程教学改革与实践-

《材料科学基础》课程教学改革与实践*易继勇，杨学弦，向延鸿，朱岭（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首416000）《材料科学基础》是面向材料类专业学生开设的一门重要理论基础课,它从材料的组织结构出发，揭示材料性能、结构与制备工艺之间的关系，阐述各种材料的共性基础知识及其个性特征［口。笔者承担了《材料科学基础》这门课的教学任务，主要对象为吉首大学材料科学与工程专业的学生。这门课程是本专业最重要的一门专业主干课程，笔者选用中南大学出版社出版的《材料科学基础》（第二版）这本教材，主要课程包括：原子材料的结构，空位与位错，材料的表面与界面，材料的凝固，单元系、二元系、三元系相图，固体材料中的扩散，材料的变形与断裂，回复与再结晶，固态相变，材料的强化与韧化等。该课程是基础课和专业课的衔接点，是培养一个优秀学生向一个合格工程技术人员转变的切入点。但材料科学基础课程内容的广泛性与学时的局限性之间的矛盾，影响了学生掌握更多的材料学知识，限制了学生分析能力和设计能力的提升。而且传统的教学模式相对单一、学生理解费力，会使得学生对该门课程的学习失去信心，最终影响到学生的学习效果［2-5］。因此，针对传统教学的不足，在材料科学基础课程教学中找到一种新的教学方法是十分必要的。1精简讲授过程，优化讲授内容⑴抽象-具体教学《材料科学基础》课程中，涉及到很多微观的概念，例如典型的金属晶体结构特征、堆垛方式与间隙、位错及扩散等。学生刚刚结束高等数学、大学物理、化学等公共课学习，《材料科学基础》是材料学专业的入门课，这些知识点为微观结构，没有可供参照的实物，需要有较强的三维空间想象能力。那么如何将这些抽象的微观的知识点实体化与形象化，是笔者考虑的第一个改革方向。如：在讲授三种典型金属晶体结构单个晶胞的间隙个数与位置、密排面堆垛方式、以及刃型位错等知识点时，通过等径球棍模型搭建晶体结构框架，使晶体结构、堆垛方式与位错的结构从“微观”到“宏观”，提高教学效果。此外,在讲授固体扩散知识点时，结合金属在切削加工过程中不同条件下的扩散磨损，通过面扫描与线扫描图片，直观形象的体现固体材料在不同条件下的界面扩散行为及扩散行为的影响因素，让学生学习知识的同时感受现代科学的魅力，提高学生的学习兴趣。(2)串联知识《材料科学基础》课程内容较多，在材料成分一定的前提下，材料的加工工艺、组织结构与性能都是相互关系的内容，由于没有可参照的实物，均是抽象的理论知识点，学生经常会“学后忘前”或“相互混淆”。在课程讲授时，不能只单独讲某一个具体的知识点，而是应该把相关内容串联起来讲授。如将材料的塑性变形与位错密切相关，在介绍金属材料塑性变形后组织与性能变化时，将之与位错的萌生、增殖、运动、塞积、交滑移等等串联起来，并联系前后知识点建立知识网络。此外，材料在凝固过程、再结晶过程、固态相变过程均有新晶粒形核、长大过程，这三个过程中新相产生与长大的机制与驱动力异同等通过表格方式进行串联对比教学，建立系统的知识体系，可以加深学生对基础知识的学习和理解。⑶适当溶入最新研究成果本课程以培养有研究和创新精神的材料专业人才为主要任务，详细讲授《材料科学基础》相关知识点，引导学生树立远大的理想和正确的价值观，材料科学是涉及装备制造、基础建设、生物医疗、国防建设等各行各业、各个领域的基础内容，在讲述材料的变形时，推荐学生阅读如卢磊等关于结构梯度定量可控的纳米挛晶铜材料高强韧性、余倩教授等关于原子尺度的浓度波起伏获得高强韧高炳合金的论文。2多种教学方法融合提高教学效率新冠病毒的大流行，客观上促进大学线上教育的流行与完善。腾讯课堂、慕课、翻转课堂等更是把“互联网+”时代高等教育的快速发展体现的淋漓尽致。通过在超星泛雅平台上发布预习/复习资料、习题以及相关科技研究成果，能够获得学生学习效果、拓宽视野并提高学习兴趣。此外，学生还可以通过学习通手机APP进行随时随地学习，让学生在学习更加便捷。在传统的45分钟课堂教学环节，可以更多增加教学互动性。例如在讲授晶体内部间隙时，让学习提前预习，在课堂上身份互换，在了解金属晶体基本结构的前提下结合高中所学立体几何知识，让学生讲授各种晶型单个晶胞内的间隙数目、间隙半径等，提高学生的自学能力。此外、学生经过长时间学习后注意力不够集中，可以在课堂上提出问题，增加课堂趣味。例如，提出Q-Fe和Y-Fe中哪种结构中的C溶解量比较大，以及不锈钢的固态相变热处理工艺设计等等，引导学生思考，提高学习趣味。许多与材料力学、热学、应力相关软件如Ansys、Abaques、Deform等可作为辅助教学工具提高学生的学习兴趣。如：利用deform软件模拟金属材料的徽粗过程中的应变与应力分布，让学生通过软件的学习，了解应变过程与应力分布，及何徽粗后会形成单鼓形状及可能的开裂位置。3理论教学与实验教学相结合提高学习兴趣《材料科学基础》课程作为一门应用学科，除了基础理论和基本概念要掌握，还要理论联系实践，学以致用。因此，除了常规的理论知识教学，为激发学生的学习兴趣，还需鼓励学生进入实验室，参与设计制备材料的实验。材料科学是研究”材料成分-工艺-结构-性能”相互关系的科学，通过“实验室”教学，可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，不仅将所学知识应用到实践过程中，还能在动手过程中加深相关知识点的理解和记忆，真正地学以致用。例如，通过铁-碳二元相图结合固态相变理论，让学生学会通过铁-碳相图确定淬火45#钢温度，经随炉冷却、水淬等不同的热处理工艺，测试不同条件处理后的材料组织结构与硬度，使学生认识到材料在成分不变的前提下，工艺-组织-性能这个材料的黄金三角含义。此外，金属塑性变形和再结晶工艺与材料组织密切相关，让学生自主设计实验，对比铁、铜等金属材料的塑性变形程度、再结晶温度、保温时间等对金属材料组织与性能的影响，使学生在实验过程中自己获得知识。4结语《材料科学基础》是材料专业最重要的基础课，笔者通过优化教授内容、多种方法