大材料专业“材料科学基础”课程的教改认识与实践

(4 ) 与专业课的衔接 。 材料科学基础课在 6 门学院平台课中与各专 业课的衔接关系是最为密切的 。对此我们明确界 定了与专业课的衔接 ,即对涉及较为具体的一些 材料的行为 、结构特征以及性能或功能的介绍 ,一 般留给专业主干课程内进行。这样保证了在有限 的课堂学时内使学生能够基于大材料学科的范围 去了解和认识其中的基本概念 、基本原理 、基本规 律 ,这对学生更清晰地掌握并运用这些基础理论 无疑是十分有利的 。此外 ,在大材料意义下的基 础理论体系 ,能以更宽的学科内容 ,更鲜明的材料 个性特征 ,对其相互间的特征映衬给予了更为完 整的体现。 基于如上的认识 ,我们在教学大纲的制定讨 论中明确 :授课内容应从材料科学与工程的基本 原理出发 ,要力求全面地阐明各种材料的共性规 律 ,以及金属材料 、无机非金属材料和有机高分子 材料的主要个性特征 ,本着材料科学的范畴 ,以固 体材料结构为重点 ,从微观 、宏观、物质内部、表面 与界面 、静态及动态过程等不同层面角度 ,阐述与 固体材料 密切相关的质 点间结合方 式和相互作 用 ,质点的空间排列特征规律 ,聚集态结构 ,结构 缺陷及变化规律之间的相互关系 ,表面与界面相 关的理论和现象 ,以及凝聚态材料 的相平衡 、相 图 、扩散、相变等 ,使学生对材料组成与物质结构 的内在联系有系统、深刻的理解和掌握 ,同时又了 解材料结构与性状间关系的基本规律 ,为今后继 续从事材料类专业的学习打下扎实的宽专业口径 的理论知识基础 。为此具体构建了以材料中的物 质结构和 物质质点运动 及物相为核 心的大纲框 架: 2 . 新的教与学模式 。 “材料科学基础”作为“大材料宽专业口径”的 专业基础课 ,更为具体的是在教材的编写上如何 做好授课内容的取舍与更新 ,以及在有限的课时 内达到理想的教学效果。 (1 ) 教材建设。 材料科学基础课程体系与许多相关专业课程 体系是紧密联系的 ,但本身教学内容中的每一环 节又是相对独立的 ,这就要求在组织教材中应注 意各个环节之间的衔接 ,特别是在与后读课程的 关系上 。教材内容与体系的取舍既要明确与后读 课程的相互关联 ,又要保持课程自身体系的完整 , 兼顾不同材料的特点及知识体系与要素 ,充分注
(2 ) 拓宽专业 。 在大纲的制定中 ,我们打破了三大材料的旧 有界限 ,以材料科学与工程专业的授课角度去思 考内容的舍取 ,不根据授课教师的特长设置内容 。 在理论模型的介绍上尽 量拓展其适 用的材料范 围 ,如关于位错模型 ,界面结构模型等。在叙述上 也采用通用性的模式以最大限度的淡化三大材料 各自的专业色彩 ,力求突出共性的内容 。例如相 平衡与相图的内容 ,我们选择了相律 、相平衡热力 学理论 、一元 、两元和三元基本相图类型的阅读等 为重点内容 ,舍去了具体材料的相图及其应用的 大部分内容 。 (3 ) 注意理论体系的贯通融合 。 在分析金属 、无机非金属 、高分子材料的基础 理论体系的基础上 ,我们注意了从理论范畴和科 学体系层面上进行整合贯通。例如在介绍材料中 的表面带电 、界面偏析 、质点扩散 、结构缺陷类型、 相变类型上均拓宽了材料的范围 。事实上 ,材料 科学在理论上的交叉融合已日益明显 ,材料制备 和使用过程中许多概念 、现象和转变都存在着许 多相似之处 ,例如马氏体相变理论最初由金属学 家建立 ,广泛用于钢的热处理理论解释 。而氧化 锆增韧陶瓷中同样也发现了马氏体相变现象 ,并 作为陶瓷增韧的一种有效方法 。又如缺陷行为 、 平衡热力学 、扩散 、塑性变形和断裂机理 、界面的 精细结构与行为 、晶态和非晶态结构 、不同类型材 料中的电子迁移理论等可以用来解释不同类型材 料的行为。这些都为材料科学基础课程的内容整 合提供了十分良好的基础和可能性 。 此外 ,在整合共性基础理论体系的同时 ,力求 让三大材料在相互映衬 下表达其各 自的个性特 征 。例如我们在介绍材料的结构章节中 ,晶态和 非晶态结构均并列了三大材料的内容 ,其中高分 子的典型球晶进入了晶态结构的介绍 ,而非晶态 结构则以高分子材料为重点。这样使学生能在更 宽阔的视域中掌握材料科学的基础知识 ,这对于 他们今后的专业学习及材料研究上的受益是显而 易见的 。
(1) 利用材料学院学科门类齐全的优势 ,进 行三大材料专业知识结构的优化重组 ,建立大材 料专业的“材料科学基础”课程的教学体系。
(2 ) 根据材料学院材料科学与工程一级学科 设立的六门平台基础课的相互衔接 、交叉 、融合的 要求制订课程的教学大纲 。
(3) 打破原有材料划分的界限 ,从材料科学 的本质出发 ,以突出基础 、强调共性为重点 ,在三 大材料的结构与性能特征相互映衬下制定“材料 科学基础”的教学内容 。
— 31 — ©
来自百度文库
高等工程教育研究 2005 年增刊
的效应决定了材料的性能 。 2 . 课程的历史沿革 。 材料在人类文明进步的发展历程中始终扮演
着重要的角色 。历史上 ,人类文明阶段是按石器 时代、陶器时代 、青铜器时代、铁器时代来划分 ,现 代的所谓核时代与信息时代也是与两个著名的元 素 U 和 Si 的开发紧密联系 ,这些反映了材料对于 人类文明发展的重要作用 。人类在利用材料资源 和挖掘材料资源的历 程中 ,已将材 料的种类 、品 种 、用途不断扩大 ,不断赋予材料新的设计 、新的 结构、新的功能甚至智能 。如今 ,世界各国已注册 的材料就有几十 万种 ,并且仍 在不断地增加中 。 随着各类材料大规模的应用和研究发展及与相关 基础学科的交叉融合 ,人类对材料本质的了解也 得到了不断深入 ,对各类材料的理解认识积累了 丰厚的理论基础 ,形成了以基本成分 、键性特点 、 本质属性分类的所谓金属材料、无机非金属材料 和高分子材料的专业体系 。
随着我国改革开放 、经济建设和文明建设日 新月异的发展“, 振兴教育 ,教育创新”已经提到了 十分突出的地位 。新的时代所需要的人才类型是 多样化 、个性化和具有创新精神的 ,这就要求我们 在新形势下重新定位我们的人才培养模式。
材料科学是 2 0 世纪 5 0 年代末提出的 、是以 揭示 、研究固体材料性质规律 为主的一门科学 。 进入 21 世纪 ,材料科学已经与能源科学和信息科 学并列为现代科学技术的三大支柱 。
— 32 — ©
大材料专业“材料科学基础”课程的教改认识与实践
了不涉及哪类材料的相关基础理论知识的汇集 , 如几何结晶学基础 、晶体化学基础 、缺陷化学基 础 、表面与界面理论基础以及固体材料扩散理论 等 。在这方面 ,我们也注意了不能与学生所学过 的基础内容重复 ,特别是物理 、化学和物理化学中 的内容 。
(4) 按材料学二级学科专业设课 ,进行教学 改革的初步尝试 。
(5) 组 织编写“材 料科学基 础”课程 教学用 书。
(6) 组织编写课程的 CAI 课件 ,提高课堂教 学质量与效果。
(7 ) 加强实践教学 ,探索新的教与学模式 。 三 、课程改革的实践 1 . 新课程体系的建设。 在新课程体系的建设中 ,首先是打通金属材 料 、无机非金属材料 、高分子材料专业的相关基础 课 ,按材料科学与工程一级学科设置“材料科学基 础”课程 。根据材料科学与工程专业的平台教学 要求 ,实现材料科学与工程专业真正意义下的基 础理论知识的教学 ,我们在课程体系 、大纲制定 、 教材编写等方面注意了如下几点 : (1 ) 加强基础。 作为大材料专业的平台课程首先要体现课程 的基础性 。对此 ,我们在教学大纲的制定上侧重
二 、课程教学的改革 随着教育创新的不断深入 ,材料科学与工程 学科正面临着办学指导思想上的转变 ,即围绕着 适应现代材料科学技术的发展 ,在教育观念上实 现由注重专业教育向注 重能力与素 质教育的转 变 。办学的目的是强调在宽专业知识面上对学生 进行综合素质的提高 ,培养既掌握材料科学与工 程基本原理 , 又通晓材料制备与加 工、组成与结 构 、性能与应用等系统知识的宽专业人才 。 在材料学院进行的教学改革方案中 ,按“材料 科学与工程”一级学科设立了六门相关材料科学 的平台基础课程是 : 材料科学基础 、材料物理性 能 、材料力学性能 、材料现代研究方法、材料研究 与计算机应用、材料概论 (双语) 。其中“材料科学 基础”是最为基础和重要的平台课程 ,在学科知识
在以金属材料、无机非金属材料 、高分子材料 的专业课程体系中 ,属于专业基础理论课的内容 均列为必修 。其中关于材料科学基础的教学从各 专业课程的安排上看 ,金属材料专业一般是以金 属和合金材料的本征行为及其应用理论为重点 ; 无机非金属材料专业的重点是离子键和共价键材 料物理化学上的基本特征及行为规律 ;而对高分 子材料专业 ,其材料科学基础理论多分散在“高分 子物理”、 “高分子 化学”等课程的相关 章节中进 行 ,其中制备科学涉及的较多而关于晶态物质结 构理论及高温过程则涉及的较少。
大 材 料 专 业“ 材 料 科 学 基 础 ”课 程 的教改认识与实践
靳正国 郭瑞松 侯 信 郭新权 胡绳荪 盛 京
【摘 要】 本文根据天津大学材料学院材料科学与工程专业教学改革的目标 ,讨论了相关《材料科学基础》 课程教改中的一些热点问题及教改实践 。“材料科学基础”是材料科学与工程专业较为基础和重要的课程 ,在 公共基础课和专业课程之间起着一个必经的桥梁作用 。材 料学院在专 业设置齐全 、专业 积淀较厚的 背景下 , 利用学科门类齐全的优势 ,在 加强 基础 、拓宽专业 、注 意理论体系 的贯通融合 、与专业 课的衔接等 方面进行 了 探索和三大材料专业知识结构的优化重组 ,初步 建立 了大 材料专业“材料 科学基础”课程 的新教学体 系 ,从 中 取得了一些较好的教改效果和经验 。 【关 键 词 】 材料科学与工程专业 教学改革 材料科学基础 课程建设 【作者 简介 】 靳正国 、郭瑞松 ,天津大学材料科学与工程 学院教授 ;侯信 ,天津大学 材料科学与 工程学院副 教 授 ;郭新权 ,原天津大学材料科学与工程学院副教授 ;胡绳荪 ,天津大学材料科学与工程学院教授 ,天津市教改 项目负责人 ;盛京 ,天津大学材料科学与工程学院教授 ,教育部教改项目负责人 。
作为材料科学与工程学科重要基础课程之一 的“材料科学基础”正面临着以加强基础 、拓宽专 业知识面和加强实践训 练为主要目 的的课程改 革。
一 、课程的性质及历史沿革 1 . 课程的性质 。 材料科学主要是指从事对材料本质规律的发 现 、分析、认识、设计及控制等方面研究的一门科 学 。其目的在于揭示材料的行为 ,给予材料结构、 性质等的统一描绘或建立模型 ,以及解释结构与 性能之间的基本关系 。其内涵是由组成 - 制备 结构 - 性能 - 与环境相互作用等几大要素组成。 广义地讲 ,材料科学的核心内容是对结构的
构建中起着“基石”的作用 ,其教学内容的设定 、宽 度和深度决定着学生培养中关于材料学知识的基 础深度和知识面的广泛程度 ,并影响着后续课程 的展开 、实施及教学 效果 。可以 说“材 料科学基 础”课程是公共基础课和专业课程之间的一个重 要桥梁 。
材料学院现设有金属材料 、无机非金属材料 、 高分子材料 、材料化学和材料加工及自动化五个 专业 。此专业设置在国内材料类学院中 ,是属于 专业设置较为齐全的 ,并且其中四个专业是上世 纪 50 年代期间先后成立的老专业 。在以如此学 科门类较为齐全 、专业历史发展较长的背景下开 展材料科学基础课程的改革 ,既有有利的一面 ,又 有困难的一面 。对此 ,我们在如下几方面进行了 教改内容的规划 :
认识以及其对性能的影响 。对此需要了解材料在 各种过程中的行为 ,如加热过程、冷却过程 、反应 过程、界面过程 、扩散过程 、相变过程等 。因此可 以说 ,研究过程是理解结构的重要环节 ,结构是决 定性能的核心 ,外界条件控制着结构的形成 。
在材料科学中 ,对材料结构的描述有不同的 角度和层次 ,如组成基元 ( 原子、离子或分子) 、结 合方式 (金属键 、离子键 、共价键 、分子键) 、排列规 律 (晶态 、非晶态 、缺陷) 及运动形式 (扩散、偏析、 迁移、晶格振动 、电子运动、质点热运动) 等方面 。 此外描述材料的结构也可以通过原子结构 、晶体 结构、显微结构等不同层次 。材料的原子结构 ,电 子围绕着原子核的运动会影响原子的键合 ,使材 料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性 。 金属 、无机非金属和某些高分子材料在空间能形 成规则的原子排列或称晶态结构会表现出独特的 物理性质 ,如石墨和金刚石都是由碳原子组成 ,但 原子排列方式不同而导致了强度 、硬度及其它物 理性能上的显著差别 。又如玻璃态的聚乙烯呈透 明状 ,而晶态的聚乙烯是半透明的 。从显微结构 的层次上讲 ,纳米材料许多特异的性能是与其晶 粒细化和界面成分提高密切相关。这些统一起来