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材料学专业材料科学基础教学改革初探 材料科学基础实验教学模式的创新与实践探索 作者：张小文 ：科技创新导报xx年第18期 摘要:针对我校材料科学基础实验存在的问题,从课程设置和教学模式特点进行分析,并结合社会对创新性、综合型材料科学人才的需求,提出改革和创新。通过实践和探索,新型教学模式可以提高学生的学习兴趣和积极性,并有利于开阔思维和创新性人才的培养。 关键词:材料科学基础实验教学创新 :G424.31:A:1674-098X(xx)06(c)-0140-02 创新是促进社会发展和提高人自身能力的重要条件,培养创新型人才是当今时代赋予高等教育的神圣使命。随着社会的不断进步和发展,材料、信息和能源已成为当代文明的重要支柱,材料科学基础是材料和冶金等专业的一门重要主干课程,也是衔接基础课和专业课之间的桥梁和纽带。材料科学基础以研究材料的共性规律为目的,涵盖基础理论和实验实践两个环节,对材料的应用及其后续器件的研发具有重要的理论与指导意义。材料科学基础实验是为学生加深基础知识的理解与运用、提高实际动手能力以及开发新材料体系奠定基础而开设的实践环节,是提高知识应用能力、挖掘潜力意识、活跃创新思维的重要途径。大学生处在精力旺盛时期,思维活跃、创新性强,如果他们的创新能力得不到充分发挥,将严重影响并制约创新思维的发展,不利于创新性人才的培养。 本文根据当前社会发展所需的材料科学人才,并结合现阶段材料科学基础实验教学过程中存在的问题,提出在新形势下对材料科学基础实验课程的教学模式进行改革探索。1现阶段课程设置及教学模式 1.1课程设置特点 材料科学基础涉及到的知识点多、理论性强、内容抽象。实验课程的开设通常是围绕具体的某一个或某一方面的内容展开,一般来说,材料科学基础开设67个实验,主要围绕金相显微组织、扩散、位错、凝固以及塑性变形等方面展开,以验证现有的实验现象和结果为主,综合实验一般为12个。实验课的目的是帮助学生理解并巩固相关基础知识、掌握基本实验技能、学会观察实验现象并初步分析实验数据。从近几年实验教学的效果来看,大多数学生都是为了取得相应的学分而去完成实验,对实验本身缺乏兴趣,学生的创造性和积极性很难发挥出来。同时,学生的创新能力得不到体现,导致实验课程的教学效果不佳。 1.2教学模式分析 长期以来,材料科学基础实验基本上都是按照一种固定的模式进行教学,即老师给出实验目的、基本原理、仪器设备,并列出详细的实验方法和步骤。学生基本上就是按部就班地完成实验。这种教学模式,虽然其出发点是加深学生对知识的掌握和理解,但仍然存在两个很明显的缺陷:一是实验内容相对较陈旧,不能满足科技迅速发展的需求;二是不能发挥学生的创新能力和思维能力。这样,学生在后续专业课程学习和实际工作过程中缺乏启发性,对于新出现的问题和新材料体系的研发缺少新的思维和实验方法,不利于创新性人才的培养。 2社会对材料科学人才的要求 材料科学家、材料工程师对社会发展的贡献毫无疑问是巨大的。社会的发展离不开材料科学的发展,现阶段我国具有材料科学与工程学院(系)的高校不少于100所,由此可见国家对材料科学人才的培养是非常重视的。但是在培养人才的过程中要进一步体现时代发展的需求。下面仅举两个例子简单分析一下新形势下对创新性材料科学人才的要求。一是金属行业,中国现有钢铁冶炼等方面的企业和研究院所若干,从事金属行业的人才队伍也很庞大,但是对金属的深加工以及高性能金属材料的研发大量缺乏人才,更是缺乏创新型人才。二是电子信息材料行业,当前这一行业的趋势是大规模发展高性能电子信息材料的生产、研发及其应用,并为后续电子器件(产品)提供基础(源)材料,而电子信息材料与器件涵盖物理、材料学、半导体、机械等多个学科,需要有广泛而扎实的基础知识及其应用能力。如果材料科学基础实验的教学模式还停留在原有的水平,很显然已经不能满足现阶段社会发展对创新性、综合型材料科学人才的需要,我们在实验课程的设置和教学模式上就要把学生的创新思维发挥出来、努力培养出满足当今国家和社会需求的高素质人才。 3教学模式创新的探索 从实验课程开设的目的、方法、内容和效果等方面来看,并结合当今社会对材料科学人才的需求分析,材料科学基础实验的教学改革已经刻不容缓。根据传统理工科实验课程的特色以及时代发展的需求,材料科学基础实验课程主要从以下几方面进行创新性探索,以培养出新时代所需的创新性、综合型材料科学人才。 3.1在实验课程的设置上体现综合性和创新性 由于材料科学基础这门课程的内容广、知识多,而实验课程的时间又很有限,因此开设的实验数量不会太多。这就要求每个实验尽可能地将相关的知识点融会贯通,将所学的知识“串连”起来。更重要的是学生在操作和分析实验的过程中能充分发挥出创新能力和多角度思考问题的模式。下面以“位错的实验观察”为例作一简单说明。 “位错的实验观察”通常是作为一个验证性实验,一般为2学时,目的是让学生了解观察位错的方法、原理和学会位错密度的计算。但是这样的实验目的还不能发挥出学生的创造能力和思维能力。在创新模式教学和实践过程中至少要体现以下5个方面的内容。 (1)浸蚀法(或称为腐蚀法)观察位错的原理与方法。利用蚀坑显示晶体表面的位错露头,除了让学生掌握工艺方法以外,还要求掌握并思考蚀坑形成的原因及其影响因素,主要涉及到位错附近原子排列的不规则性、腐蚀液的选择、影响腐蚀速度的因素等等。 (2)位错密度的计算。从单位面积中所含有的蚀坑个数计算出位错密度。 (3)蚀坑的形状与不均匀性分析。首先阐明为什么有些蚀坑为圆形,而有些为三角形或六边形(可以提供不同类型的晶片作为实验材料以显示出不同形状的位错露头),这主要与晶体结构和材料本身的特性有关。然后分析在不同区域位错密度不相同的原因。此外,在观察位错的过程中还可以观察到孪晶(如果选择合适的含有孪晶的晶片)。 (4)位错密度对材料实际应用的影响。位错密度对材料在使用过程中的性能,如强度、电导率、热导率等的影响及其简单机理分析。比如可以选择同一型号具有不同位错密度的钢进行拉伸试验,比较位错密度对材料强度性能的影响。 (5)位错密度对后续器件制备及其性能的影响。半导体薄膜电子器件通常是以晶体(单晶)作为衬底,以外延的方法形成具有复杂结构的器件,而衬底的位错密度对外延薄膜的质量(如结构完整性和光电性能等)具有非常重要的影响。同时,位错密度对薄膜生长前缓冲层(过渡层)的选择及其优化也是非常重要的。 通过对“位错的实验观察”这一简单验证性实验增加新的实验内容并鼓励学生进行创新,并不需要改为综合性实验,但是已经体现了实验的综合性和创新性,这样在实验过程中就可以开阔学生的思维模式,提高创新能力。 3.2创新实验教学模式、提高教学效果 (1)增强开放型实验的教学模式。现阶段材料科学基础实验大都是学校(院)统一安排、分批次进行实验,学生在老师的指导下完成相关实验内容,提交实验报告。这样学生缺乏主动性,甚至会对实验失去兴趣。俗话说“兴趣是最好的老师”,要提高学生的兴趣,首先就是把学生放在主动地位,变封闭式实验教学为开放型实验教学模式,让学生在实验课时间或课余时间,自行组织小组,充分利用现有资源和条件,完成相关实验内容。这样可以大大地提高学生的积极性、开阔思维、提高创新能力。同时,开放型实验教学也为学生自拟实验内容提供了锻炼的平台和机遇,有利于因材施教地培养高素质人才。 (2)学科交叉的实验教学模式。材料科学基础实验课程不仅仅是材料科学专业的必修课程,物理、化学、生物、机械等领域的研究同样需要材料科学的相关知识。目前除了纯理论研究以外,几乎所有的实验性研究都要以材料作为研究对象,所以材料科学人才的培养在实验课 程上就要把交叉学科(边缘学科)考虑进来,前面列举的“位错的实验观察”中位错对器件性能的影响就是一个典型例子。学科交叉的教学模式也是培养综合型人才的前提和基础,学生在实验过程中就会逐渐明确哪些领域适合自己将来的发展,这样在以后继续深造或工作当中就会有一个更加清晰的定位。而对于国家和社会来说,在选择人才的时候也真正体现出了人尽其材的目标。 (3)走出实验室的教学模式。“学以致用”,学习的根本目的是为了应用。通过在实验室里的教学,学生掌握到的知识总是有限的。教师可以带领学生到车间、工厂、企业开展实验课程的教学,还可以让学生到其他高校或者与其他高校的学生相互交换等等一系列的新型实验教学模式。从心理上分析,学生一旦去兄弟院校开展实验课程,总是想把自己最优秀的一面表现出来,很明显这种教学模式就增加了学生的学习兴趣、提高了积极性、更加有效地实现了资源共享。同时也进一步开阔了同学们的视野、增长了见识、活跃了思维能力,因而也进一步提高了学生的创造力。 4结语 通过对现阶段实验课程的设置和教学模式进行改革,学生增加了学习兴趣。从表面上看,每个实验的内容增多了,但是更加贴近了实际应用,学生感到自己所学的知识可以派上用场而不再是纯理论上的知识,使他们颇有成就感,因此在实验过程中也就有了更多的快乐！同时,学生积极主动地思考和探索问题,把已经学到的知识综合、全面、灵活地加以运用与发挥,科研能力不断地得到了培养和锻炼,进一步提高了综合素质和创新能力。 参考文献 1石德珂.材料科学基础M.北京:机械工业出版社,xx. 2陈异,李庆.材料科学基础课程教学实践与探索J.科技文汇,xx(1):100. 3何奥平,穆枭,胡治流,等.材料科学基础实验教学改革初探J.大众科技,xx(1):136. 4葛利玲,赵康,白力静,等.“材料科学基础”实验课教学改革与实践J.高校实验室工作研究,xx(4):10. 5郑举功,陈泉水,刘晓东,等.材料科学与工程专业创新人才培养体系的研究与实践J.广东化工,xx(6):133. 6唐超.创新型材料科学人才培养体系的规划与实践J.中国电力教育,xx(24):17. 材料科学与工程专业教改项目清单（31项） 材料科学基础教学大纲 一、课程基本信息 1、课程代码：MT311 2、课程名称（中/英文）：材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScience 3、学时/学分：108/6 4、先修课程：普通物理、普通化学、物理化学、材料科学导论5、面向对象：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业 6、开课院（系）、教研室：材料科学系 7、教材、教学参考书： (1).胡赓祥、蔡珣材料科学基础,上海交通大学出版社2000 (2).胡赓祥、钱苗根主编金属学上海科学技术出版社1980 (3).卢光熙、候增寿主编金属学教程上海科学技术出版社1985 (4).徐祖耀、李鹏兴材料科学导论上海科学技术出版社1986 (5).田凤仁无机材料结构基础冶金工业出版社1993 (6).R.E.Smallman,ModernPhysicalMetallurgy(4thed.),LondonButterworths,1985 (7).A.G.Guy,IntroductiontoMaterialScience,NewYork:McGraw-Hill,1972 (8).L.H.VanVlack,ElementsofMaterialsScienceandEngineering,Addison-Wesley PublishingCo.5thed.,1985 (9).WilliamF.Smith,PrinciplesofMaterialsScienceandEngineering,McGraw-Hill,1986 (10).何曼君高分子物理复旦大学出版社 二、课程性质和任务 材料科学基础是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。 三、教学内容和基本要求 1、绪论：了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。 2、原子结构和键合 了解物质是由原子组成，而组成材料的各元素原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。物质的组成；原子结构；原子间的键合；化学键、物理键和氢键；高分子链。 3、固体结构 固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。晶体学基础；金属的晶体结构；合金的相结构；离子晶体结构；共价晶体结构；聚合物晶态结构；非晶态结构。 4、晶体缺陷 实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶 以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。 点缺陷：空位与间隙原子；点缺陷的运动；点缺陷的平衡浓度；线缺陷位错概念的引入；位错的基本结构；位错的运动；位错的弹性性质；实际晶体中的位错；面缺陷：晶界，孪晶界，相界，外表面。 5、材料的形变与再结晶 分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。 材料受力情况下的力学行为；弹性变形与粘弹性；单晶体的塑性变形；多晶体的塑性变形；变形后的组织与性能；合金的塑性变形；变形晶体加热时的变化；回复；再结晶；再结晶后晶粒的长大；动态回复与动态再结晶；高聚物的塑性变形；超塑性。 6、固体中原子及分子的运动 描述固体中原子扩散的表象理论：扩散第一、第二定律和原子理论：扩散中原子的迁移机制。了解影响扩散速率的因素。理解金属和离子晶体中扩散差异的原因以及高分子（聚合物）分子运动对力学行为的影响。表象理论；扩散问题的热力学分析；原子理论；扩散激活能；影响扩散的因素；反应扩散；离子晶体中的扩散；高分子的分子运动。 7、单元系相图及其凝固 掌握相图、相平衡条件和纯晶体材料的凝固理论，了解多种生长机制和凝固理论的应用。 单元系相变的热力学及相平衡；纯晶体材料的凝固；高分子的结晶特征。 8、二元系相图及合金凝固 掌握相图的热力学基础知识，能运用成分自由能曲线推测相图，掌握匀晶、共晶、包晶和溶混间隙三种基本相图和其凝固特点以及成分过冷对组织形态的影响。了解平衡凝固和非平衡凝固的组织变化。 相图的表示和实验测定方法；相图的热力学基础；二元系合金凝固中的组织分析；其他类型的二元相图；二元相图的分析方法与应用；固溶体合金的凝固理论；共晶合金的凝固理论；铸锭（件）的组织与缺陷；二元高分子合金。 9、三元相图 掌握三元相图成分的表示法，熟练运用三元匀晶和共晶相图投