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材料性能学课程的教学改革和实践

陈建清,江静华,杨东辉,宋丹,马爱斌

（河海大学力学与材料学院,江苏南京210098）

摘要：“材料性能学”是材料科学与工程一级学科主干专业基础课程.针对“材料性能学”课程的教学现状,并考虑材料学科的发展趋势、学校特色及高等教育改革的基本要求,从教学体系调整和教学内容优化着手,以培养学生的知识应用能力和创新能力为目标,对课程进行了教学改革和实践.采用案例教学结合小组研讨等方式丰富课堂,结果表明这种教学改革的尝试是成功的,收效很大.

关键词：材料性能学；课程改革；实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）43-0104-03

收稿日期：2016-05-23

教改项目：河海大学校级精品课程建设项目；河海大学“青年教师学术能力培养基金”

作者简介：陈建清（1977-）,女,江苏淮阴人,副教授,从材料学方面的研究.

教书育人是高校的基本功能之一,教学质量关系到培养人才的质量,是高校赖以生存和发展的基础.随着社会的发展,高等教育改革与发展的深化,学科之间的交叉、重组和优化,以前针对某个专业开设的一些课程已经不能满足科技发展的要求,必须进行改革.

一、课程性质与特点

“材料性能学”课程是材料科学与工程专业主干课程,是一门重要的专业基础课,是学生专业素质和专业基础的重要组成部分,对于学生的就业和进一步深造都有着重要的影响.很多材料专业都开设了相关课程[1,2].我校“材料性能学”课程的前身是“无机材料性能”,讲授对象是无机非金属材料专业的本科生.根据教育部提出的拓宽专业口径,按专业大类进行人才培养的基本思路,我校从2005年开始按一级学科专业“材料科学与工程”招生培养.根据培养方案,原“无机材料性能”变更为“材料性能学”.“材料性能学”是联系材料微观结构与宏观性能的一门重要课程,既是材料科学与工程学科的重要研究内容,也是材料生产和应用的重要基础,是材料科学与工程专业学生的必修课程.通过本课程的学习,使学生具备以下能力：根据材料的性能参数判断材料的优劣,立足材料的性能正确选择和使用材料,改变材料的性能从而探索新材料、新性能、新工艺,为最终实现建立材料结构—性能—制备—应用之间的关系———这一材料学科研究的最终目标打下理论基础.在教学过程中,注重培养学生的研究能力、工程素质和综合应用能力,创新实践能力和团队合作能力,以及应用专业知识和技能解决材料科学与工程领域复杂问题的能力.

本课程具有如下特点.

1.内容广泛,学科交叉性强.“材料性能学”不再是针对某一种材料,而是针对材料大类,涉及材料种类众多,同时涉及的性能也是多方面的,有力学性能、物理性能和化学性能等.力学性能内容广泛自不必说,很多学校的材料力学性能是一门单独的课程；物理性能涉及热、光、电、介电、磁等性能；化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等.涉及物理、化学、力学、材料科学基础、材料研究方法、材料工艺等[3].

2.与工程实际联系紧密,同时兼具叙述性与理论性.“材料性能学”课程是介绍材料各种主要性能的基本概念、物理本质、影响因素、变化规律、性能指标的工程意义以及测试、评价及应用.各种性能的物理本质和变化规律与材料的化学成分及基本结构间的关系较为抽象,理论性较强,同时,由于涉及的性能众多,各性能的指标、测试、评价与应用等具有一定的叙述性.

3.理论与实际相结合,实践性强.材料的各种性能都有一定的应用场合,或者根据不同的应用要求,需要特定的性能,因此,无论是材料各种性能本身的测试和研究还是和工程实际相结合都具有很强的实践性.

二、课程存在的问题和改革的必要性

1.专业拓宽的影响.我国的高等教育最初照搬苏联模式,培养“专业”人才,但是随着社会的发展和科学的进步,交叉学科和新兴学科兴起,原来狭窄的专业模式已难以适应我国经济发展的需求,更阻碍了科技的进步.因此,教育部于1998年进行了大范围的本科专业目录调整,我校的材料专业也于2005年按材料科学与工程一级学科专业招生,相应的课程也改为“材料性能学”,但是教学内容和教学大纲仍然沿用了过去“无机材料物理性能”课程的教学体系,讲授的内容变化不大.

2.课程教学本身存在的问题.传统的课堂教学以教师讲授为主,教学方法相对单一,而“材料性能学”课程具有理论性较强和讲授的概念较为抽象的特点,传统的讲授方法很难让学生迅速而有效地理解教学内容.因此,如何把抽象和艰深的理论内容深入浅出地展现给学生,让学生迅速有效地理解教学内容是一个难点,同时也是课堂教学的重点.目前,虽然采用了多媒体课件,但是大多是用PowerPoint制作的简单课件,其表现力仍有限,在教学效果上力不从心.

3.由于条件限制,目前我校的“材料性能学”课程只有理论教学环节,而没有实践教学环节.但该课程本身是一门实践性很强的课程,缺少实践教学使得学生在接受教学内容上产生了一定的困难.“我听过就忘了,我看见就记住了,我做了就理解了”是华盛顿儿童博物馆上的格言,这不单对幼儿适用,对刚刚迈入成年的大学生也是适用的.因此,要想办法创造条件开展实践教学.

三、教学改革措施

1.课程体系和教学内容改革.我校“材料性能学”课程的前身是“无机材料物理性能”,侧重点是无机非金属材料物理性能,随着专业面的拓宽和人才培养模式的调整,调整后的“材料性能学”,从材料种类来说不能再拘泥于单一的无机非金属材料,而要整合金属材料、无机非金属材料、高分子材料等相关性能；从性能上来说要从物理性能拓宽到力学性能、物理性能和化学性能.对这些内容进行综合优化,形成系统理论.课程内容要涵盖主要材料主要性能的基本知识和理论,同时要紧跟学科前沿,涵盖新模型、新概念和新技术.在目前条件下,应选用合适的教材,同时争取重新编写教材以切合课程体系.课程体系的调整,使得课程涵盖内容大幅增加,但目前大学本科教育的趋势是课时大幅减少,我校“材料性能学”课程为48学时,课时大幅压缩,要想涵盖全部内容存在很大难度,在内容的广度和深度上存在矛盾.在这种背景下,课程体系和教学内容的改革是重点也是难点.在课程内容的设计上,以“宽口径、强基础、重实践”为指导思想,培养具有扎实基础理论和较强实践能力的复合型人才为目标.教学重点与学校实际情况相结合,根据材料专业的实际情况确定课程的内容和要求,分清主次,哪些是必须的,以“必须、够用”为度.“材料性能学”课程主要包括如下七个模块：材料的力学性能、热学性能、电学性能、介电性能、磁学性能、光学性能和化学性能.在各个模块中,以每种性能的基本概念—物理（化学）本质—影响因素—性能指标的工程意义—指标的测试、评价及应用为主线贯穿始终[3].同时,教学内容需体现科技的发展,适时讲授相关领域的研究动态和发展前沿,保持教学前瞻性,拓宽学生的视野,激发学生的创新意识.

2.教学方法和教学手段改革.传统的教学模式是一根粉笔加一本教科书贯穿一堂课,现在用上了多媒体[4],但很多时候只是把板书搬到了PPT上,仍然是教师讲、学生听,对于抽象的概念和理论,学生难于理解和掌握.在教学方法上,要改变传统教学模式,综合运用启发式、讨论式、案例式等多种教学方法,激发学生的学习兴趣,提高教学效果.

在教学手段上,一要完成多媒体课件制作：充分运用文字、图形、图像、声音、动画、影像等多种媒体素材,制作多媒体课件,把抽象、复杂的理论内容生动形象、深入浅出地展示给学生,加大课堂教学的信息量,一定程度上降低课时压缩的影响；二要建立网络教学环境：利用网络平台,建立和完善课程网站,利用课后延伸环节,为学生的自主性学习提供条件.

3.实践环节建设.实践是工科教育的灵魂,教学中实践环节的设置有利于学生的学习和理解,有利于学生创新思维和创造性的培养.本课程由于条件的限制,目前并没有实践环节.因此,一方面要积极向学院、学校申请资源,努力争取建立基本实践条件,同时在目前条件下,充分利用现有的条件,探索开展实践教学的方法.

四、教学改革实践示例及效果

材料对电场的响应主要有两种,一种是带电粒子的长程运动,称为电导,一种是带电粒子的短程运动,称为极化,内容很多也很复杂.以往的教学中要分别介绍电子电导、离子电导、半导体、介质极化等[5],这些内容理论性强,学生不容易理解,也很难产生兴趣.因此,在教学中采用“应用先行”的办法,以生活中和高科技领域中的应用为引子,引导学生发现材料的独特性能,激发学生的学习兴趣；发现了材料的独特性能后,引导学生分析研究其中的原理、机制和物理本质；然后再从物理本质出发,分析影响材料该性能的因素,从影响因素出发,进一步分析讨论改进、提高材料性能的方法和实现手段；再从性能出发,分析材料可能的其他应用,启发学生的发散思维和创新精神.实践示例：材料的热敏特性教学.材料的热敏特性是指材料对温度变化具有响应的特性,材料的热敏特性在许多领域具有广泛的应用,是许多功能材料的基础.对于这个特性,首先从家庭日常使用的电饭煲出发.为什么电饭煲能够自动把饭煮好？这个问题引起了同学的兴趣,同学纷纷发言：有的说通过电加热把饭煮熟,教师追问电饭锅怎么知道熟了,既不会夹生也不会焦掉？有同学说那应该是有传感器,教师追问会是什么样的传感器呢？带着这一系列的问题和各色各样的答案,教师对问题进行总结：电饭煲煮饭是把适量的水和米混合在一起,通过电加热,水的温度逐渐升高直至沸腾.沸腾后,由于水的沸点在一定的大气压下是恒定的,在我们生活的低海拔地区基本上可以认为是保持100℃不变,因此锅底的温度一直保持100℃不变.随着时间的延长,一部分水分被大米吸收,另外一部分水分慢慢蒸发,直到饭熟后,锅底没有了液态水,锅底温度升高,此时电饭锅就需要停止加热,否则饭要烧焦了.这一点电饭锅是如何做到的呢？此时该我们的主角———热敏材料闪亮登场了.有一类材料他们的电阻随温度升高而显著地变化,饭没熟,温度在100℃时,材料的电阻比较小,线路导通,发热元件工作；当温度超过100℃达到103℃时,电阻突然上升几个数量级,此时线路断开,停止加热,这种材料称为“正温度系数（PTC）热敏陶瓷”,可以作为恒温发热元件,电阻突变的点称为“居里点”.不同材料的居里点不同,通过调整材料的成分和结构可以调整居里点,做成各种各样不同的元器件,应用于不同的场合.这时引入科学的概念,进行课堂核心内容讲授———PTC效应的机理及影响因素,介绍热敏材料及其应用,介绍相关的知识点.除了PTC效应,还有NTC效应———负温度系数等.核心知识点讲授完成后,进一步发散,除了电阻对温度变化的响应,还有材料的其他性能如介电常数、电流、磁化强度等都对温度变化有响应,如介电常数—温度敏感的铁电材料、电流—热量敏感的热释电材料、磁化强度—温度敏感的磁性陶瓷等.介绍相关特性,布置小组讨论作业：介电常数—温度敏感、电流—热量敏感、磁化强度—温度敏感的机理、影响因素及应用等,引导学生利用学校图书馆的数据库,查阅科技文献,了解相关问题的最新研究发展动态.学生每4～5人分为一组,选择感兴趣的内容进行研讨,利用教材和参考书对每一个主题所涉及的性能的基本概念、物理本质和影响因素进行分析,查阅科技文献了解材料的应用领域及最新研究方向和成果.每个小组提交一份研讨报告,同时准备演讲PPT,进行演讲汇报.演讲过程中,学生积极提问、质疑、讨论,形成了良好的学习氛围,培养了学生的团队协作能力、创新能力及领导力.

“材料性能学”是材料专业的一门主干课程,随着专业的调整以及课程本身的特点,必须对其教学内容、教学方法进行改革.文中提及的一些思路,有些已经实施,也取得了较好的效果,有些仍需创造条件进行实践,在教学实践中不断完善.学生掌握材料各种主要性能的基本概念、物理本质、变化规律、性能指标及其工程意义；了解影响材料性能的主要因素,材料性能与化学组成、组织结构之间的关系,从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料,改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础,培养学生的知识应用能力和创新能力.

参考文献：

[1] 成都理工大学材料物理性能精品课程申报网站http://www.itat.cdut.edu.cn/qvy/

[2]武汉理工大学.材料力学性能[EB/OL].精品课程网站http://course.jingpinke.com/details?uuid等于ba97957d-122e-1000-8376-144ee02f1e73&courseID等于X0500304.

[3]王从曾.材料性能学[M].北京:北京工业大学出版社,2004.

[4]田中青.李晖“材料性能学”课程建设中存在的问题及应对[J].科教文汇,2009,(10):50.

[5]贾德昌,宋桂明.无机非金属材料性能[M].北京:科学出版社,2008.

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