基于资源共享的材料科学基础课程内容优化研究.pdf

第25卷第4期 辽宁工业大学学报(社会科学版)Vol.25,No.4 2023 年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Social Science Edition)Aug.2023 收稿日期：2022-09-06 基金项目：辽宁省一流课程项目(202101)；辽宁省普通高等教育本科优质教学资源建设与共享项目(2021)作者简介：齐义辉(1965-)，男，辽宁兴城人，教授，博士。DOI：10.15916/j.issn1674-327x.2023.04.032 基于资源共享的材料科学基础课程内容优化研究 齐义辉，刘 亮，商 剑，陈 扬(辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001)摘 要：为加强“材料科学基础”共享课的资源建设，提高教学效果，在省一流课程的建设与改革中，需要不断对课程内容进行整合与扩充。本文通过在教学过程中突出“相”的核心地位、课程内容对接科技前沿、对接工程实践、强化实践教学、增强教师教学能力，以及在课程教学中引入思政元素等措施，优化了材料科学基础课的内容。关键词：材料科学基础；教学改革；教学内容 中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1674-327X(2023)04-0124-04 “材料科学基础”是普通高校工科材料类专业的一门重要的专业基础课，是学好后续专业课的保证。这门课程包含的内容丰富，几乎涵盖了材料专业的大部分知识点，内容繁杂、抽象，不同于大学物理、工程力学、机械设计基础等课程，初学者学习掌握难度较大。因此，针对材料科学基础课程的教学改革层出不穷1-5，主要集中在教学方法与手段、教学内容优化、考试方法改革、教师能力提升、实验教学改革和课程创新实践等方面。在长期的课程教学中，我们也进行了一些教学改革与实践6-9，实施了基于工程教育的“材料科学基础”线上线下混合教学模式探讨；依托超星平台，与沈阳航空航天大学、辽宁科技大学、辽宁石油化工大学等，开展了跨校修读学分及优质教学资源共享工作，积累了一些经验，取得了明显成效，已经将“材料科学基础”建设为省一流课程。但原有的教学理念仍然需要不断更新，与新形势下的工程教育保持一致。因此，在“材料科学基础”的教学过程中，应始终强调学生的学习效果，全流程关注学生的学习状态，以便开展针对性的教学。从学生历次的反馈情况看，学生对材料科学基础课程的学习始终感觉晦涩难懂，抓不到重点和知识主线。针对这种情况，我们在课堂教学过程中不断地突出知识主线，对接工程实际和科技前沿，加强内涵建设，突出重要知识点的作用及与工程实际的联系，对课程内容进行了整合与优化，增强了资源共享效果。一、突出知识主线与相互关联“材料科学基础”内容包括：晶体学基础、合金相结构、晶体缺陷、纯组元的凝固、二元合金相图与凝固、三元合金相图、固体中原子及分子的运动、晶体塑性变形、热加工过程、固态相变等，课程目标是使学生具备工程材料强韧化的理论基础，具有材料制备、产品加工、材料研发的能力。要在教学过程中始终突出“相”的核心地位，由此引出合金、固溶体、化合物、相变、相平衡、相图、凝固、扩散、晶体塑性变形与再结晶等知识点。详见图1。可见，相是所有知识点的核心，是“材料科学基础”教与学的主线，是理解所有材料科学问题的基础，而且贯穿于材料专业的多数专业课程，是一切问题的出发点和落脚点。二、对接科技前沿（一）金属及合金凝固 在应用形核与晶体长大理论时，教师除了重点讲解细晶材料和非晶的制备方法，还特别强调单晶体的制备、硅单晶在信息行业的重要作用，明确硅材料的国内外生产、研发现状、成熟的技术和难点。单晶体制备的核心技术包括制备大直径、结晶质量好、无杂乱晶核、纯度高、缺陷少的单晶棒。同时，明确悬浮区熔法（FZ法）、区域提纯等在生产高纯度金属、合金、半导体、无机和有机化合物晶体（纯度可达10-910-6）中的重要性10296。第 4 期 齐义辉等：基于资源共享的材料科学基础课程内容优化研究 125 图1 材料科学基础课程中相与各知识点的关联（二）智能材料（形状记忆合金）Ti-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Ti-Nb和Fe-Mn-Si等合金，由于其马氏体转变的特殊性质，这些合金都具有形状记忆效应，其中以TiNi形状记忆合金的研究与应用为最多，大量应用于航空、航天、机械、医疗、桥梁、建筑以及日常生活等多个方面。如，人造卫星上庞大的天线就是由记忆合金制作的。（三）超导体与磁性材料 在讲解合金相结构的金属间化合物内容时，教师适当引入具有超导特性和强磁特性的金属间化合物。这些材料都是目前科研、生产领域里的前沿和热点，强调它们的重要性可以起到抛砖引玉的作用，延伸、拓展课程内容，培养学生科研兴趣。1.超导材料。超导材料表现为在低温下电阻为零，且具有排斥磁力线的性质，如Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al、V3Si、NbN等。最有实际应用价值的是高温超导材料，如钡-钇-铜氧化物在液氮温度（77K）有超导性质，是非常具有发展前景的超导材料11。如果在更高的温度，如干冰温度甚至室温发现超导材料，在电力、交通等领域将会更有实际意义。2.软磁材料。软磁材料具有低矫顽力及高磁导率，是电工与电子技术的常用材料，用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、继电器、电磁吸盘、磁敏元件等。软磁材料包括：（1）合金薄带；（2）非晶态薄带；（3）铁氧体等11297。3.永磁材料。永磁材料具有高矫顽力，因而不易退磁，包括合金、铁氧体和金属间化合物三类。我们平时所说的磁铁就属于这类材料，通常用粉末冶金的方法制备，即通过选取合适的金属粉、压制成型、烧结等步骤制取。其中，Nd-Fe-B、稀土元素（Ce、La、Sm、Pr、Y等）与Co的金属间化合物具有优异的永磁特性，广泛应用在能源、交通、机械、医疗、IT、家电等领域11299。（四）教师科研成果应用于课堂教学 在讲授相关的课程内容时，教师可适当引入学院教师的最新科研成果，如，高性能金属间化合物材料（NiAl、Ni3Al、FeAl等）的强韧性、非等轴晶的超塑性行为与机理、高温蠕变行为、高温度梯度凝固理论与技术、高熵合金的制备与表征、变形铝合金织构的形成与控制、铸造铝合金的组织细化、大块非晶合金的制备以及新能源材料等。这样，一方面，可讲清讲透这些知识内容；另一方面，能让学生体会到知识与生产实际的联系，培养学生的科研兴趣。三、对接工程实践（一）扩散第二定律，解决渗碳问题 扩散第二定律的误差函数解与工程上广泛应用的渗碳工艺密切相关。经渗碳热处理的零件，由于表面的高硬度、高耐磨性、高接触疲劳性能以及心部的高韧性，在机械制造行业中被广泛应用。其中，汽车和拖拉机上通常应用的渗碳件有：驱动桥里的各类齿轮、变速箱里的轴齿和各种齿轮、发动机里的活塞销和各种齿轮零件等。另外，渗碳热处理能够做到全自动控制，甚至是智能控制。所有这一切的基础就是扩散第二定律及其在工程上的应用。（二）应变时效 应变时效是低碳钢在塑性变形时表现出来的126 辽宁工业大学学报(社会科学版)第 25 卷 一种材料行为。退火态的低碳钢板材在冲压、拉深时，钢板表面会呈现出粗糙不平的现象，影响材料的表面质量和后续的加工。消除这种表面粗糙不平的办法是应用应变时效的机理，即在钢板冲压前，先实施一次微量冷轧（如1%2%的变形量）工序，让屈服现象不出现，然后再冲压成型；另外，炼钢过程中添加少量Ti、Al等C、N化合物形成元素也可以消除屈服现象10187，这是工程上应用应变时效的典型案例。（三）变形与再结晶 吊装大型工件的钢丝绳（经冷拉成型）如果与工件一起在1 000 左右的炉子中保温较长时间，那么再次吊装大型工件时，这个钢丝绳会突然断裂，这与变形和再结晶内容密切相关。在1 000 左右保温时，钢丝绳会依次发生回复、再结晶。如果钢丝绳内强化相分布不均匀，就会出现异常的晶粒长大，即发生二次再结晶。晶粒粗大使得钢丝绳的强度降低，钢丝绳就会发生断裂10206。通过明确“材料科学基础”各个知识点的内涵，将其与科技前沿和工程实际密切联系，教师通过生产实际案例突出其重要性。这样既培养了学生的科学与工程意识，又增强了学习的目的性，有利于提升学生的学习兴趣。四、加强实践教学 材料科学基础课内实验，已经整合为专门单独设课实验的一部分，期望通过系统的实验理论、方法和技能的训练，提高学生的实践能力。并且不断更新实验教学内容，如将金属的塑性变形与再结晶实验整合为综合性实验；将热分析法测定二元合金相图整合为设计性实验。另外，要充分发挥材料科学基础课内实验在创新创业实践中的基础作用，以全国金相大赛等为契机，开展练兵竞赛，提升学生金相试样的制备水平和分析常用金属材料显微组织的能力。还要不断强化对实验教学的组织与管理。在每个实验前，要求学生在MOOC平台上进行预习，撰写预习报告后才可以动手操作。五、教师能力提升 授课教师要积极参加学校、上级主管部门组织的微课设计与制作技术、信息化技术等竞赛；参加为教师开展的教学理论、教学方法、优质资源共享课建设等专项培训以及青年教师企业实践等。团队教师经常参加国内有关教学改革方面的线上或线下学术会议，交流教学经验，吸取其他高校先进的教学经验。如，参加中国现代教育研修中心举办的以学生为中心的金课建设研修班、全国高校教师网络培训中心开展的高校教师课程思政教学能力培训等。通过竞赛、培训、讲课大赛、专业综合能力大赛等教学基本功训练，结合教师对课程内容的深入系统研究，将大大提升教师的讲课能力，能够简明、通俗、形象地讲授复杂晶体结构、晶体缺陷等难懂、抽象的知识。六、课程思政 为落实立德树人根本任务，教师在相关内容的讲授过程中适时融入材料领域中国科学家的工作，培养学生的爱国思想、社会责任感、科学精神和工匠精神等相关思想政治教育元素。赵忠贤院士一辈子只做超导一件事，领导科研团队通过长期不懈地坚持与积累，终于突破了理论计算判定的超导材料临界温度极限，于1989年和2013年先后获得国家自然科学一等奖。他认为，只有中国科学家提出的新概念、新思想、新理论被国际同行广泛认可，才是真正发挥中国科技引领作用的时候12。李依依院士领导团队成员完成了六种强度级别抗氢钢及合金系列的研制和开发，完善了Fe-Ni-Cr、Fe-Mn-Al、TiAl、TiNi等10多种合金；并带领团队攻克了我国装备制造业中的多个关键大型零部件的技术难题，如铸钢支承辊、大型船用曲轴曲拐、大钢锭等大型铸锻件，为三峡水轮机转轮、CRH5动车、CRH3高铁转向架国产化、核电用大型容器、蒸发器用精密管材等的高质量生产作出了重大贡献13。杨锐研究员联合国内多家企业和研究所，从钛合金的多个基础科学问题着手，带领团队突破了“奋斗者”号关键设备载人舱材料、成形、焊接等多个关键技术瓶颈，为“奋斗者”号在马里亚纳海沟区域下潜作出了重要贡献。他认为，这些工作也促使着中国前沿科技从实验室到实际应用寻找到了更迅速的突破之路14。我们始终坚持材料科学基础课程价值引领、能力培养、知识传授三位一体的课程教学目标，围绕立德树人这一根本任务，将价值引领贯穿于课程教学全过程。学生对这种实际案例兴趣浓厚，表现出了极大的热情，感受到了所学知识的用处。这些科学家的工作和科技成果使得学生的学习更有针对性，同时实现了潜移默化、润物无声的育人效果。七、结束语 目前，高等教育正发生着深刻的变革，从标准第 4 期 齐义辉等：基于资源共享的材料科学基础课程内容优化研究 127 化、知识型教育转向个性化、创新型教育，传统的“知识导向型”面临较严峻的挑战。学生既需要有广博的知识面，又要有相当的知识深度。因此，在“材料科学基础”省一流课程的建设与教学改革过程中，我们除了应用多元化的教学手段外，关键是提供了丰富的、优秀的教学资源，促进了省内跨校修读学分及优质教学资源共享工作的深化，既培养了学生的科学与工程意识，又培养了开放性、原创性的思维，达到了应用型人才培养的目的。参考文献：1 张代东,房大庆,宫长伟,等.材料科学基础精品资源共享课建设探讨J.中国现代教育装备,2016(233):64-66.2 赵严,鲁玉祥,刘恩洋.以学生为中心的“材料科学基础”课程教学改革与探索J.高等理科教育,2021(1):49-53.3 李艳霞,范涛,王倩,等.“互联网+”下材料科学基础教学模式改革的研究与实践J.北华航天工业学院学报,2021,31(1):42-44.4 任璐.本科生材料科学基础课程教学改革探索与实践J.教育教学论坛,2020(51):204-205.5 郑举功,石俊,那兵.基于工程教育认证的材料科学基础课程改革J.教育教学论坛,2020(47):169-171.6 陈扬,石萍,刘伟东,等.材料科学基础课程的教学实践与探索J.辽宁工业大学学报(社会科学版),2013,15(4):129-131.7 齐义辉,陈扬,刘亮,等.材料科学基础省一流课程的建设与实施J.辽宁工业大学学报(社会科学版),2021,23(6):96-98.8 齐义辉,韩萍.材料科学基础课程的教学改革与实践J.辽宁工学院学报(社会科学版),2007,9(2):138-140.9 陈扬,刘伟东,石萍,等.材料科学基础多媒体教学探索与应用J.辽宁工业大学学报(社会科学版),2014,16(2):126-128.10 胡赓祥,蔡珣,戎咏华.材料科学基础M.3 版.上海:上海交通大学出版社,2010.11 冯端,师昌绪,刘治国.材料科学导论M.北京:化学工业出版社,2002.12 赵忠贤院士五十年超导强国梦EB/OL.(2017-01-12)2022-06-06.http:/ 李依依院士荣获中国金属学会冶金科技终身成就奖EB/OL.(2016-10-31)2022-06-06.https:/www.ca- 中国深海装备研制从“国产化”走向“国产创”EB/OL.(2020-11-29)2022-06-08.https:/m.gmw.c-n/baijia/2020-11/29/1301848752.html.(责任编辑：付春玲)（上接第 110 页）核，把高质量的网络思政平台和科研成果纳入年终绩效考核，直接作为薪资和晋升的指标体系之一，进而激发辅导员创建出一大批有温度、有深度、有感染力的思政网络平台和网络文章。再次，优化网络思想政治教育平台。高校应选取专业人才进行统一管理，从广度和深度上优化网络育人新媒体平台，搭建起多平台协同联动的网络矩阵，并及时剔除那些累赘重复的“僵尸平台”。最后，建立高校长效保障机制。网络思想政治教育工作的推进，不能仅仅依靠辅导员自身的力量，高校应充分整合内外资源，统筹安排，全面谋划，将网络育人工作纳入到学校整体规划中，成立网络思想政治教育工作中心和领导小组，引导各部门充分参与其中，形成全校联动协同的网络思想政治教育育人合力，筑牢教育防线。四、结束语 在社会主义新时代，高校网络思想政治教育仍需不断前行。高校辅导员必须肩负起立德树人的时代重托，不断强化个人综合能力，更新教育观念，创新网络育人方式，在实际工作中能够想学生所想，思学生所思，俯下身子，倾听学生，在学生政治思想、价值观念、情感表达、行为习惯等方面进行正确引导，做好“守门员”的角色，主动探索引起学生共鸣、共情、共振的网络教育内容与方式。此外，高校应完善相关的体制机制和配套设施，通过对培训机制、激励制度、平台建设、协同育人体系的构建，为高校辅导员网络思想政治教育能力提升体系保驾护航，切实增强网络思想政治教育工作实效。参考文献：1 习近平.习近平谈治国理政：第二卷M.北京:外文出版社,2017:378.2 教育部.普通高等学校辅导员队伍建设规定EB/OL.(2017-09-29)2019-04-14.http:/ 习近平.在北京大学师生座谈会上的讲话N.人民日报,2018-05-03(02)(责任编辑：付春玲)