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《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐*易繼勇,楊學(xué)弦,向延鴻,朱嶺(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,湖南吉首416000)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是面向材料類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要理論基礎(chǔ)課,它從材料的組織結(jié)構(gòu)出發(fā),揭示材料性能、結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的關(guān)系,闡述各種材料的共性基礎(chǔ)知識(shí)及其個(gè)性特征[口。筆者承擔(dān)了《材料科學(xué)基礎(chǔ)》這門課的教學(xué)任務(wù),主要對(duì)象為吉首大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生。這門課程是本專業(yè)最重要的一門專業(yè)主干課程,筆者選用中南大學(xué)出版社出版的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》(第二版)這本教材,主要課程包括:原子材料的結(jié)構(gòu),空位與位錯(cuò),材料的表面與界面,材料的凝固,單元系、二元系、三元系相圖,固體材料中的擴(kuò)散,材料的變形與斷裂,回復(fù)與再結(jié)晶,固態(tài)相變,材料的強(qiáng)化與韌化等。該課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的銜接點(diǎn),是培養(yǎng)一個(gè)優(yōu)秀學(xué)生向一個(gè)合格工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)變的切入點(diǎn)。但材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的廣泛性與學(xué)時(shí)的局限性之間的矛盾,影響了學(xué)生掌握更多的材料學(xué)知識(shí),限制了學(xué)生分析能力和設(shè)計(jì)能力的提升。而且傳統(tǒng)的教學(xué)模式相對(duì)單一、學(xué)生理解費(fèi)力,會(huì)使得學(xué)生對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)失去信心,最終影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[2-5]。因此,針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的不足,在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中找到一種新的教學(xué)方法是十分必要的。1精簡(jiǎn)講授過程,優(yōu)化講授內(nèi)容⑴抽象-具體教學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中,涉及到很多微觀的概念,例如典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)特征、堆垛方式與間隙、位錯(cuò)及擴(kuò)散等。學(xué)生剛剛結(jié)束高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、化學(xué)等公共課學(xué)習(xí),《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料學(xué)專業(yè)的入門課,這些知識(shí)點(diǎn)為微觀結(jié)構(gòu),沒有可供參照的實(shí)物,需要有較強(qiáng)的三維空間想象能力。那么如何將這些抽象的微觀的知識(shí)點(diǎn)實(shí)體化與形象化,是筆者考慮的第一個(gè)改革方向。如:在講授三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)單個(gè)晶胞的間隙個(gè)數(shù)與位置、密排面堆垛方式、以及刃型位錯(cuò)等知識(shí)點(diǎn)時(shí),通過等徑球棍模型搭建晶體結(jié)構(gòu)框架,使晶體結(jié)構(gòu)、堆垛方式與位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)從“微觀”到“宏觀”,提高教學(xué)效果。此外,在講授固體擴(kuò)散知識(shí)點(diǎn)時(shí),結(jié)合金屬在切削加工過程中不同條件下的擴(kuò)散磨損,通過面掃描與線掃描圖片,直觀形象的體現(xiàn)固體材料在不同條件下的界面擴(kuò)散行為及擴(kuò)散行為的影響因素,讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)感受現(xiàn)代科學(xué)的魅力,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。(2)串聯(lián)知識(shí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容較多,在材料成分一定的前提下,材料的加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能都是相互關(guān)系的內(nèi)容,由于沒有可參照的實(shí)物,均是抽象的理論知識(shí)點(diǎn),學(xué)生經(jīng)常會(huì)“學(xué)后忘前”或“相互混淆”。在課程講授時(shí),不能只單獨(dú)講某一個(gè)具體的知識(shí)點(diǎn),而是應(yīng)該把相關(guān)內(nèi)容串聯(lián)起來講授。如將材料的塑性變形與位錯(cuò)密切相關(guān),在介紹金屬材料塑性變形后組織與性能變化時(shí),將之與位錯(cuò)的萌生、增殖、運(yùn)動(dòng)、塞積、交滑移等等串聯(lián)起來,并聯(lián)系前后知識(shí)點(diǎn)建立知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。此外,材料在凝固過程、再結(jié)晶過程、固態(tài)相變過程均有新晶粒形核、長(zhǎng)大過程,這三個(gè)過程中新相產(chǎn)生與長(zhǎng)大的機(jī)制與驅(qū)動(dòng)力異同等通過表格方式進(jìn)行串聯(lián)對(duì)比教學(xué),建立系統(tǒng)的知識(shí)體系,可以加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。⑶適當(dāng)溶入最新研究成果本課程以培養(yǎng)有研究和創(chuàng)新精神的材料專業(yè)人才為主要任務(wù),詳細(xì)講授《材料科學(xué)基礎(chǔ)》相關(guān)知識(shí)點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生樹立遠(yuǎn)大的理想和正確的價(jià)值觀,材料科學(xué)是涉及裝備制造、基礎(chǔ)建設(shè)、生物醫(yī)療、國(guó)防建設(shè)等各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)內(nèi)容,在講述材料的變形時(shí),推薦學(xué)生閱讀如盧磊等關(guān)于結(jié)構(gòu)梯度定量可控的納米攣晶銅材料高強(qiáng)韌性、余倩教授等關(guān)于原子尺度的濃度波起伏獲得高強(qiáng)韌高炳合金的論文。2多種教學(xué)方法融合提高教學(xué)效率新冠病毒的大流行,客觀上促進(jìn)大學(xué)線上教育的流行與完善。騰訊課堂、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等更是把“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代高等教育的快速發(fā)展體現(xiàn)的淋漓盡致。通過在超星泛雅平臺(tái)上發(fā)布預(yù)習(xí)/復(fù)習(xí)資料、習(xí)題以及相關(guān)科技研究成果,能夠獲得學(xué)生學(xué)習(xí)效果、拓寬視野并提高學(xué)習(xí)興趣。此外,學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)通手機(jī)APP進(jìn)行隨時(shí)隨地學(xué)習(xí),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)更加便捷。在傳統(tǒng)的45分鐘課堂教學(xué)環(huán)節(jié),可以更多增加教學(xué)互動(dòng)性。例如在講授晶體內(nèi)部間隙時(shí),讓學(xué)習(xí)提前預(yù)習(xí),在課堂上身份互換,在了解金屬晶體基本結(jié)構(gòu)的前提下結(jié)合高中所學(xué)立體幾何知識(shí),讓學(xué)生講授各種晶型單個(gè)晶胞內(nèi)的間隙數(shù)目、間隙半徑等,提高學(xué)生的自學(xué)能力。此外、學(xué)生經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)后注意力不夠集中,可以在課堂上提出問題,增加課堂趣味。例如,提出Q-Fe和Y-Fe中哪種結(jié)構(gòu)中的C溶解量比較大,以及不銹鋼的固態(tài)相變熱處理工藝設(shè)計(jì)等等,引導(dǎo)學(xué)生思考,提高學(xué)習(xí)趣味。許多與材料力學(xué)、熱學(xué)、應(yīng)力相關(guān)軟件如Ansys、Abaques、Deform等可作為輔助教學(xué)工具提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如:利用deform軟件模擬金屬材料的徽粗過程中的應(yīng)變與應(yīng)力分布,讓學(xué)生通過軟件的學(xué)習(xí),了解應(yīng)變過程與應(yīng)力分布,及何徽粗后會(huì)形成單鼓形狀及可能的開裂位置。3理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合提高學(xué)習(xí)興趣《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程作為一門應(yīng)用學(xué)科,除了基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握,還要理論聯(lián)系實(shí)踐,學(xué)以致用。因此,除了常規(guī)的理論知識(shí)教學(xué),為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還需鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,參與設(shè)計(jì)制備材料的實(shí)驗(yàn)。材料科學(xué)是研究”材料成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能”相互關(guān)系的科學(xué),通過“實(shí)驗(yàn)室”教學(xué),可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力,不僅將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐過程中,還能在動(dòng)手過程中加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶,真正地學(xué)以致用。例如,通過鐵-碳二元相圖結(jié)合固態(tài)相變理論,讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過鐵-碳相圖確定淬火45#鋼溫度,經(jīng)隨爐冷卻、水淬等不同的熱處理工藝,測(cè)試不同條件處理后的材料組織結(jié)構(gòu)與硬度,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到材料在成分不變的前提下,工藝-組織-性能這個(gè)材料的黃金三角含義。此外,金屬塑性變形和再結(jié)晶工藝與材料組織密切相關(guān),讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),對(duì)比鐵、銅等金屬材料的塑性變形程度、再結(jié)晶溫度、保溫時(shí)間等對(duì)金屬材料組織與性能的影響,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中自己獲得知識(shí)。4結(jié)語(yǔ)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課,筆者通過優(yōu)化教授內(nèi)容、多種方法

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