《金属学原理》课程教学创新性改革探索
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作者:王淑艳 秦亮 张小立 周瑞
摘 要：材料始终是作为科技发展的基础与推动力，对国家工业发展和国民经济提高起着至关重要的作用。《金属学原理》是材料科学与工程专业最重要的基础课之一，本文主要探索通过课程体系的改革，增加互动式教学、网络课堂平台、课下活动等提升课堂趣味性，同时对课堂教学效果有帮助的硬件设施进行更新，与时代发展对接，引入有助于教学的先进技术。
关键词：金属学原理 课程改革 课程体系建设 互动式教学
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0233-02
20世纪70年代，信息、能源、材料被看作人类文明的三大支柱产业。进入21世纪，新材料与信息技术、生物技术成为新技术革命的重要标志[1-2]。高校材料科学与工程专业肩负着为国家培养材料学高级技术人员的任务，为了培养满足社会发展、经济建设和科技进步的高素质材料科学工程技术人才，对专业基础课进行课程改革，以专业课程理论的基础化为思想方针，课程教学模式的创新性改革为途径，辅以教学设备的先进化更新，为我国培养创新型的高技术人才[3]。
1 《金属学原理》课程概况
金属学原理课程是我校材料科学与工程专业最重要的专业核心课之一，既是引导学生进入本专业领域的入门课程，又是使学生掌握材料科学基本原理的理论课程[4]。作为材料科学与工程专业学生的必修课与入门课，我校的《金属学原理》分Ⅰ和Ⅱ两部分进行教学，Ⅰ部分着重材料科学的基础理论知识教学，Ⅱ部分着重金属学热处理知识的教学。本文主要围绕金属学原理Ⅰ的教学进行改革性的探索。
《金属学原理Ⅰ》是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系变化规律的一门学科，在课程内容上，从晶体学基础到晶体中的缺陷，以材料变形与再结晶为例，认识微观上的位错等晶体缺陷在材料屈服或退火时的影响机制，拓展性地引入晶界等界面知识;了解固体材料的微观结构，以此为基础学习固体中的扩散，进一步认识了凝固过程中的形核与长大过程;掌握固态相变的基本原理，从而能从热力学角度去认识和学习相图;最后从不同材料的应力应变行为出发，探究其变形机制，从本质上理解不同种类的材料在力学性能上差异大的原因。
从具体的学习内容上，可以看出金属材料学课程具有“三多一少”的特点，即：原理、规律多，课程内容知识点多，概念、定义多，而理论计算少。基本概念很容易混淆，同时《金属学原理》的原理规律有在基础课程中学过的热力学三定律，更多的是扩散定律、相图杠杆定律之类的新理论。《金属学原理》“三多一少”的特点让学生在学习该课程时觉得枯燥、抽象、难以理解。为此，需要在课程教学上进行创新，对课程的体系建设、教学设计以及教学效果进行研究，探索出适合《金属学原理》的教学模式，让学生能学有所得，使该课程能真正成为学生进入材料专业的基石而非拦路石。
2 《金属学原理》教学改革方案
2.1 体系建设：课程基础化
《金属学原理》是一门专业基础课，本课程在课程设置上起着承先启后的作用，它是大学物理、无机化学以及材料物理化学等课程中相关内容的深入，又是材料专业基础理论的“启蒙”，为后续课程的展开扮演着基础铺垫和专业引导的角色。因此有必要对专业课程进行体系化的认识与建设，使《金属学原理》真正的基础化。
课程体系化建设由小到大分三步走。第一步，《金属学原理》课程内部知识的体系化。教师应针对性的培养学生总结归纳知识体系的能力，不只是每章一总结，而是在学完课程后，对该课程所讲所有内容，能搭建起知识框架。例如针对《金属学原理》这门课，从物质由小到大的构成，先形成“晶体-相-组织”这样的知识树干，然后对于晶体，又有晶体基本分类、晶体中的缺陷、晶界等知识树枝，晶体中的缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷等，关于线缺陷位错，学习了位错的运动、位错的增值及位错的弹性性质等等，这些则可称之为知识树叶，形成一定的知识框架。在形成知识框图后，需要在这棵知识树中间进行“拉线”，就是将有关联而无从属关系的知识点联系起来，让学生对《金属学原理》达到融会贯通的程度。课程体系化建设的第二步，是专业领域内课程的体系化。针对材料专业，构建“一个中心，多个发散点”的体系，即以《金属学原理》为中心课程，其他相关专业课程作为发散点。对于重叠知识点，以《金属学原理》详讲，其他课程为预讲或补充，同时适当增加课时。专业知识体系的构建需要相关课程老师的配合，对彼此课程中重復知识点要清楚，并安排好讲解的详略，保证既不出现知识真空，又不至于浪费时间重复讲解某个知识点。课程体系化建设的第三步，是将所学专业知识纳入已有的科学物质观中。比如关于物质构成，中学的知识体系是“物质-分子/原子-原子核与电子-质子与中子-夸克”，在学习了材料学后，在物质与原子之间插入晶体、相和组织，从而形成“物质-组织-相-晶体-分子/原子……”的科学物质观。在授课过程中，教师有必要对有关联性的其它专业知识对学生进行答疑，让他们主动去对比专业与专业间的交叉和联系。
《金属学原理》作为一门专业基础课，课程改革首先要从思想上认识到它的基础性，教学体系上梳理贯通，使学生能在学完该课程后，对所学专业有清晰的认识，如此便可高屋建瓴，对后续更深入的专业方向的学习游刃有余。
2.2 课堂建设：教学方式有趣化 《金属学原理》课程概念杂、理论难、需要记忆的知识点多，导致学生觉得课程枯燥、抽象、难以理解，为此需要在课堂教学方式上进行创新，使《金属学原理》课程的课堂有趣化。
过去，为保证教学进度，课程的教学手段单一，基本上是老师“一言堂”式的讲解，学生对知识的理解收效甚微。课堂教学方式的改革可以从互动式教学开始，即改变以往老师讲学生听的方式，在授课教师的引导下学生之间或学生与老师之间进行专题讨论课，但是要避免形成单一的学生展示环节。互动式教学应该是这样的：首先，专题明确。针对某个问题，进行集体讨论。上述学生展示式的上课方式最大的弊端是不同组的学生分到不同章节内容，每个组只针对自己的专题查询资料，对其它内容不了解，而且在展示时只认真听自己组的内容。因此，互动式教学要有明确统一的主题;其次，互动式教学主题的延拓。不应只盯着课本，要放眼于大专业，去找值得讨论的主题。结合当下热门的相关主题进行讨论，最热门的材料以及和材料相关的制造行业等等;最后，互动式教学的方式多样化，对发散性专题甚至可以展开辩论。例如材料制造技术中的3D打印技术，能否在建筑领域推广。提前将辩题布置，可以让学生主动去查资料，在整个互动式教学过程中，授课教师起到至关重要的作用，提出可供探讨的主题，组织学生讨论或辩论，还要对学生提出的知识点随时纠正补充，甚至有些教师不了解的知识点，被学生挖掘出来，这是一次教学相长的过程。
信息化时代，由于智能手机、平板电脑、掌上电脑等各种手持式移动设备的迅速普及，使得移动学习成为可能，并逐步发展为一种新兴的学习方式。手机而非课本成为每个学生上课必带品，教师不一定非强制学生不能带手机进课堂，而是可以利用手机成为网络课堂互动工具，引导学生利用移动设备进行学习。《金属学原理》理论体系庞杂，课时有限，课堂互动工具的使用，对学生来说将课前预习、课堂互动与课后复习结合，对教师来说将课前签到、课堂授课和课后反馈结合，高效地完成了教学任务。同时，这些课堂互动工具有效地调动了学生学习的积极性、调节课堂气氛，在增加学生参与度的同时还能很好地提高课堂效率。
2.3 硬件建设：教学设备先进化
《金属学原理》课程中涉及大量的微观或宏观结构模型，即使教材图片丰富，二维的图也很难展示三维的结构，因此有必要借助模型设备或其他手段来方便学生对课程的理解。
课程涉及的结构模型有静态的，也有动态的。针对动静态的模型，采用不同展示手段。对于静态结构，可以搭建模型，例如晶体结构，可以用塑料球和塑料棒搭建不同的布拉菲点阵。另外，动态的结构则需要制作微视频，例如螺型位错的三维形态，以及位错的滑移和攀移等过程，特别是刃型位错的攀移过程中，如果能用微视频展示这个过程，空位浓度的变化导致上攀移还是下攀移将一目了然。相图这一章中，学生需要分析不同成分下降温导致的金相组织的变化。对应亚共晶二元合金的降温凝固过程，将端际固溶体α和β的先后析出过程用微视频展现，学生对相图不同阶段的相变化与组织形貌将有更清晰的认识。
通过搭建模型、制作微视频等都是为了帮助学生更好的理解《金属学原理》的微观或宏观复杂模型结构，但也要让学生认识到模型与實际观察的区别，因此需要开设现代分析测试设备实验课，学生通过SEM或TEM等显微电镜观察物相的实际显微形貌，并与模型对照，从而对课程涉及的微观结构有准确而深入的认识。
3 结语
在以“中国制造2025”为目标的创新性工业强国的建设中，机械制造、通信、航空航天等领域都需要以材料学发展为依托和基础，在此背景下，如何培养出满足国家工业发展所需的材料学高技术人才，是一个亟待探索的课题。《金属学原理》的课程改革以创新型课堂模式为途径，将重点放在专业课的深入学习与掌握上，力图培养应用型人才的基础，为国家材料领域的发展提供源源不断的人才。
参考文献
[1] 贾淑果，宁向梅，田保红，等.材料科学基础多媒体教学探讨[J].中国现代教育装备，2010（5）：87-89.
[2] 韩强，赵莉萍，李涛，等.工程教育认证下的材料科学基础教学改革初探[J].中国现代教育装备，2017，27（9）：33-35.
[3] 黄俊俊，丁明，张全争，等.材料科学基础课程教学实践与教学改革[J].广州化工，2017（45）：122-123.
[4] 苏昆朋，王海欧，陈婷婷.浅谈如何提高金属学原理教学效果[J].中国现代教育装备，2017（19）：225-226.
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