《材料热力学》课程信息化教学模式初探①

来源:用户上传      作者:谷万里 方晓英 朱光明 秦聪祥

　　摘  要：该文对《材料热力学》课程的信息化教学改革进行了探讨。主要内容包括：尝试利用互联网的优势来实现教学互动;在网上实现作业布置、答疑解惑和讨论以帮助学生理解，让学生之间相互讨论以加深对重点知识的理解;鼓励学生用发散式思维来理解问题，充分调动学生的主观能动性。近些年的教学实践表明，上述这些教学改革尝试收到了比较好的效果。
　　关键词：材料热力学  信息化教学  教学改革
　　中图分类号：G642.0    文獻标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（c）-0075-02
　　材料科学已经成为目前科技发展的一个重要的基础学科并受到广泛的重视。近年来，为了提高材料科学与工程专业学生的理论水平，很多院校开设了《材料热力学》这门专业基础课。这表明了该课程已经在材料类专业具有了一定的地位和作用。从本科生课程设置来看，多数学校都将其设定为最先开设的专业课之一，因此，该课程也具有引领学生走入材料科学领域的向导作用。该课程还是很多后续专业课程的基础。从这个意义上讲，该课程的教学质量在一定程度上决定了整个专业人才培养的成败，随着近年来信息化教学被越来越重视，对该课程信息化教学改革方面的探讨具有十分重要的意义。
　　1  目前的课程设置现状和教学中存在的问题
　　目前国内各高校材料类专业所设置的《材料热力学》课程基本是以物理专业的热力学作为基础，将物理专业热力学课程中的基本理论进行介绍，然后再添加一部分材料科学的相关知识。应该说，这种设置是基本合理的，也恰好与课程的名称是相符的，但是，据我们多年来的教学经验来看，这种设置还是存在一定的问题。主要问题在于：在物理专业，热力学与统计物理是传统的四大力学之一，在学习这门课程之前，学生要首先学习包括热学在内的普通物理的课程，从数学基础上看，物理专业的学生还要学习数理方程，这些都是学习四大力学的基础。然而，对于材料专业的学生而言，它们只是在高中和大学物理里面掌握了一些热力学前期的所需知识，这与物理专业的学生相比存在着巨大的差距，这也就造成了学习《材料热力学》这门课程的先天不足。
　　由于该课程的理论性较强，学生的前期知识储备不足。所需要的一些物理与化学知识超出了目前《大学物理》等前期课程的知识范围，这就使学生在学习时面临着很大的困难。例如，在学习热力学第一定律时涉及到的焓的概念，学习热力学第二定律时涉及到的熵的概念以及随后的吉布斯自由能、亥姆霍兹自由能等概念，都属于热力学基本概念，而这些概念对于工科学生来说理解起来都具有一定的困难，很多概念要反复多次才能有个基本理解。另一方面，由于数学基础的不足，在进行数学计算时也会带来比较多的困难。
　　在这种情况下，与传统的教学模式相比，信息化教学模式就有了明显的优势。信息化教学作为一种近年来出现的教学手段，目前已在众多的教学领域被不断尝试，从高等教育[1]、职业教育[2]到中小学[3，4]的各个阶段都有众多的老师在尝试着利用信息化教学，也取得了较好的教学效果。信息化教学最大的优势在于教与学的互动性，传统模式下，教师在课堂上讲解，学生在下边听，如果学生对哪个问题没有理解清楚，要想再找老师请教相对来说比较困难，很多学生出于各种原因很少和老师交流，这样就使得没有在课堂上消化的知识一直无法真正弄懂，学习效果就大打折扣了。而信息化教学恰好弥补了这个缺陷。
　　2  教学改革中的一些尝试
　　针对以上情况。近年来，笔者在教学过程中进行了一些尝试。
　　笔者利用学校教务处的网上教学平台，首先把全部课件上传到了网上，让学生可以在课后进一步学习课程内容有了方便条件。随后又开通了在线讨论，每讲授一个内容后让学生在网上进行讨论，哪些概念能理解、哪些概念还不能充分理解都可以在网上提出来，很多时候，都是学生之间通过讨论加强了对概念的理解。事实表明，这种互动式教学往往可以起到事半功倍的效果，这一点也是被众多的信息化教学的实践者所证实的[5，6]。
　　网上讨论还有一个非常明显的优势，那就是对于一些比较抽象的概念，这种讨论更方便用比较通俗的语言来进行讲解。例如，由于学生缺少必要的热力学知识，对焓、熵、自由能等概念的认识比较困难。在涉及到这类概念时笔者就进行了很多通俗化的处理。在讨论为何提纯材料的纯度越高越困难时，笔者一方面介绍当杂质的含量很低时，对熵的影响很大;另一方面给学生举例，假如已知在某个公共场所有100个贼，抓到50个的时候应该是比较容易的，越往后抓越困难，如果最后还剩3个贼，抓起来的难度可能比前面那97个还困难。这就表明杂质剩得越少清除越困难。虽然这两者之间跨度较大，但二者之间也是有一定内在联系的，事实表明，通过这种生活中常见的事例来讲解可以让学生比较容易对那些抽象概念进行理解。
　　这种用生活中的事情来类比材料科学中的热力学问题的方法在网上讨论时经常会用到，由于生活中的事例都是常见的、容易理解的，而很多人则没有对其背后隐藏的科学性进行思考，因此，如果将其背后的科学性和一些真正的科学问题相类比往往会起到帮助理解科学问题的作用。例如，讲解热力学的稳定状态与亚稳状态时，一个典型的实例就是铁碳相图的二重性问题，从理论上讲，就是热力学条件和动力学条件这对矛盾统一体的相互协调问题，我们在课堂上也是这样讲解的，这本身当然无可厚非。然而，很多学生还是对为何在热力学上不占优势的亚稳态可以存在而表示不理解，在网上讨论的时候很多学生就表现出了困惑。
　　为了帮助学生理解这个概念，笔者在网上请学生先考虑一个生活中的例子，先请同学考虑在广场上混乱分布着两个学院的学生，然后下集合令要求相同学院的学生要聚在一起。问学生一个问题：是要两个学院的学生完全形成聚集容易还是只形成了部分聚集容易呢（所谓部分聚集是只在一个区域中某一个学院的学生数量比平均数多，但还有一些另外学院的学生未来得及撤出）？学生回答当然是部分聚集容易一些。再启发学生，这两种情况哪个需要更长的时间呢？很显然也是完全聚集需要更长的时间。借着这一问题我们考虑铁碳合金，当铁原子和碳原子混合在一起的时候，如果其中的碳要形成石墨结构，就必须使这一区域形成只有碳原子的完全聚集的情况，而要形成渗碳体，则只需在该区域中形成碳原子的相对富集，这一过程显然要比前者更容易实现。再回到热力学的问题，形成石墨是热力学最稳定的状态，但动力学上比较困难，形成渗碳体是热力学上亚稳状态，但动力学上比较容易。这种热力学和动力学的矛盾统一就构成了材料形态的千姿百态。笔者又进一步启发学生，从上面操场集合的例子来看，要形成石墨结构，应该具备两个条件，一方面，要给碳原子的富集留有足够的时间，这就要求有比较慢的冷却速度。另一方面，当冷却速度一定时，碳原子的活动能力越大，形成完全富集的可能性也越大，就相当于给定时间的情况下，学生跑的速度越快，达到完全聚集状态的可能性越大。同时，碳原子的含量越高，形成完全富集的可能性也越大。这就表明，含碳量高的铁碳合金中易形成石墨，而在整个冷却过程中，高温阶段也比低温阶段更容易形成石墨结构。这也就解释了为何高温阶段的石墨化比低温阶段容易完成的原因。 　　事先给学生布置一些思考问题，在网上增加师生的互动也是笔者近年来尝试的一个重点。为了增强学生发散式思维方式的培养，笔者尤其鼓励学生用教材之外的知识来思考问题。鼓励学生用表面上完全不相干的事情来解释课程中出现的问题。例如，在学习枝晶长大问题时，布置学生思考为何有些晶粒会出现异常长大。有学生将其与改革开放初期让一部分人先富起来相联系，说大多数人是在旧体制中束缚着，一少部分人脱离了这一束缚，再加上政策扶植和个人努力就先富起来了，这两件事情之间虽然距离较远，但本质确实有着相同之处，对这样的回答笔者给予了充分的肯定。再例如，在学习回复和再结晶问题时，有的同学说，回复过程中只是位错进行了重新排列，这相当于旧体制下的小变革，可以缓解一些社会矛盾。再结晶则是无畸变的新晶粒替代变形晶粒，这相当于一个新的社会体系代替旧的社会体系，是对旧体制的一种彻底摧毁。而之前的变形所储存的能量就相当于社会矛盾，很显然，只有社会矛盾积累到一定程度后才会出现新旧社会的更新，这就是需要有较大的畸变能才会出现再结晶的原因。再结晶需要形核，只有超过一定临界尺寸的晶核才能长大，这相当于新势力要形成一定规模才能和旧势力对抗，新势力的先进性就相当于相变驱动力。
　　从前期的教学实践来看，充分利用互联网，采用信息化教学方式是对传统教学模式的一个有益的补充，它可以更好地发挥学生的主观能动性，让学生充分参与到教学过程中来，一方面提高了教学效果，另一方面也更好地提高了学生的语言组织能力和表达能力。一些学生在开始阶段比较胆怯，尤其是其考虑的问题与教材相差较远时会有顾虑，当这类思考不仅没被打击反而还得到赞赏的时候，会加大其对自身能力的认知，也会进一步促进其发散式思维方式的培养，从而在教学中形成一种良性循环。
　　3  结语
　　近几年的教学改革实践表明，利用互联网对传统的教学过程可以起到补充的作用，这种模式更方便采用类比的方法和师生互动的方法，可以让学生比较迅速地掌握一些复杂的理论。鼓励学生采用发散式思维将不同学科的知识相互联系能有效拓展学生的思维方式，这方面在前期教学实践中收到了一定效果，今后还将进行更多的尝试。
　　参考文献
　　[1] 李娟.新媒体语境下高校信息化教学研究[J].教育理论与实践，2019（3）：58-59.
　　[2] 王平晓.高职英语课堂信息化教学设计及实施[J].高教学刊，2019（8）：163-165.
　　[3] 郭木生.小学数学课堂网络信息化教学实践研究[J].小学数学教育，2019（1）：51-52.
　　[4] 王娜，朱俊凤，王长艳.基于信息化技术手段，构建高效生物课堂——《开花和结果》信息化教学设计[J].中国信息技术教育，2019（3）：41-44.
　　[5] 朱龙凤，张献英.以信息化教学领导力视角探讨如何提升教师的教学效能感[J].齊齐哈尔师范高等专科学校学报，2019（1）：23-24.
　　[6] 李湘皖.基于TPACK理论的教师信息化教学能力培养——以影视广告设计课程为例[J].艺术教育，2019（3）：175-176.
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