材料科学基础课程教学资源的有效利用与学生综合素质的提高

杨 平 陈 冷 强文江 孟 利

北京科技大学材料科学与工程学院 100083 北京

材料科学课程教学专题②

材料科学基础课程教学资源的有效利用与学生综合素质的提高

杨 平 陈 冷 强文江 孟 利

北京科技大学材料科学与工程学院 100083 北京

目前国家对本科生培养目标的要求逐渐提高，特别包含了国际化培养和综合能力方面；同时，国家对教学改革的资金投入也越来越大。因此，新时期高校教师的教学理念、培养方法和本科生的响应程度三者之间的规律也在随时间而不断变化。探索相关的高等教育理论和方法，对未来创新人才的出现十分重要。本文沿着多年来国家精品课程建设的线路，探讨了十余年收集的丰富的教学资源的利用状况，在课堂教学、教材、课件、作业、考试等建设内容已基本完成并相对固定的情况下，研究所收集的丰富教学资源（主要指学生自学平台软件系统、名人典故与经典文献、趣味实验）的有效利用与学生综合能力培养的关系。

材料科学基础；教学资源；综合素质；课程建设

目前国家对本科生培养目标的要求在发生变化并不断提高，其中国际化教育和综合素质的提高已明确列入。同时，国家对教学改革的资金投入也越来越高，使得教师能够按自己的思想做一些大的教学改革。新时期高校教师的教学理念、培养方法和本科生的响应程度，它们之间的规律不断变化，且尚不成熟。随着学校不同、教师不同、学生背景不同，三者间关系会应有所变化。探索相关规律对未来创新人才的出现十分重要。本文沿着我校材料科学基础国家精品课程及精品资源共享课建设的线路，探讨了十余年教师收集的丰富教学资源（主要指学生自学平台软件系统、名人典故与经典文献、趣味实验与前沿实验）的利用状况。这些资源在课堂讲授中因课时的限制，利用有限；在课后业余时间的应用也受师资力量的不足（即教师没有足够的时间指导学生利用这些资源）和学生同时参与大量各种课外活动（如学生普遍参与SRTP活动、学生要考各种证书、学生参与各种大赛等）及兴趣度的限制（即学生不能识别这些资源的价值）。在课堂教学内容、教材的选择、课件制作或更新、作业、考试各环节相对固定的情况下，研究教师收集的丰富教学资源的再利用与学生综合能力培养的关系，寻求其遵循的规律性，具有重要的意义，也是本文的目的。

1 具体做法

建设规划：2003年为了申报材料科学基础国家精品课程，在完成了教材建设、课件建设、习题集编写出版等基本内容后，教学团队首先建设了学生自学平台软件系统，该软件系统（光盘）包含7个模块，分别为（1）课件及试题模块；（2）视频及动画模块；（3）软件模拟模块；（4）经典人物模块；（5）组织观察模块；（6）经典文献模块；（7）科普讲座模块；并且将这个软件系统赠送给约10个学校使用。其次以学生自学平台软件系统中的人物典故和经典文献模块为基础，进一步收集、查询、整理，将教材中出现的各主要概念、实验、定律与相关的人物与经典文献联系起来，在2010年完成并出版了《材料科学名人典故及经典文献》，这本书是对著名材料学家R Cahn出版的《走进材料科学》一书的重要补充，更加适合学校的学生了解，而不是已有一定材料研究基础的研究者或研究生。2013年中科院金属所又出版了《材料科学研究中的经典案例》（第一卷）（师昌绪、郭可信、孔庆平等编）。至此，我国初步形成了材料专业以培养学生综合素质为目的的相关名人典故类教学资源。本课程学生发表了4篇以名人典故为内容的教研文章［1-4］。另一方面，教师还开展了矿物、岩石、宝石的材料学基础实验训练（兴趣小组）。这项课程建设内容是基于我校《材料科学基础》相关的实验课都是涉及金属的实验，而教材中及课堂上也介绍了诸如液晶、聚合物、无机非金属材料（含矿物）。由于师资力量的不足，这类对金属以外材料的课外研究活动缩减至主要对岩石、矿物和宝石的研究。因为矿物、岩石、宝石与金属更近、更容易获得、更容易分析、也更漂亮、更有趣。

1.1 教学资源在研究生课程中的应用

由于材料科学基课程授课教师也承担其他课程，这就给教学资源的利用提供新的空间。例如，任课教师同时承担了研究生的材料结构课程40学时的教学内容，同样涉及晶体学（含点群、空间群）、晶体缺陷（点、线、面缺陷）等内容；在这门课程中就有效利用了材料科学基础课程自学平台软件系统的教学资源，具体内容有：（1）晶体学及晶体结构方面的电子书籍；（2）英国剑桥大学Bhadeshia教授的晶体几何实例（Worked examples of geometry of crystals）一书；（3）各晶体软件使用案例可取出并拷贝给研究生；如CaRine，TexTool，Auswert等软件。（4）一些当代材料名人的课件及照片，如日本晶界领域研究专家Watanabe教授关于晶界工程课件、专著与照片，还有相图热力学专家，美国卡内基-梅隆大学的Masaalski教授的相图热力学课件及照片，以色列晶界研究专家Brandon教授的报告等；自学平台中有不少关于他们的文章。（5）32种点群对应的对称操作动画等；（6）目前承担的编写课程用书的重点教研项目，在内容规划中，引用了大量自学平台软件系统中的教学资源。这是现课程教学资源的纵向深化过程。

1.2 教学资源在本专业国际班全英文课程建设中的应用

我校设立的材料专业国际班是学校教改的大胆尝试，这项教改内容是我校2014年获得国家级教学成果一等奖的教研成果中的一项重要内容或支撑材料。任课教师同时承担了全英文材料的形变与再结晶课程教学任务，并负责了该课程的示范课建设教改项目。本全英文课程的教学内容实际是材料专业128学时的材料科学基础课程的两章，即材料的形变一章与再结晶一章，共16学时（注：为了改善听课效果，学校将大课进行分解，相应设置了多个小课程：（1）晶体学与晶体缺陷；（2）材料的热力学与相图；（3）材料的动力学与扩散；（4）界面与表面；（5）材料的形变与再结晶；（6）固态相变）。如何有效利用材料科学基础课程建设积累的教学资源也是摆在我们面前的问题。恰好这个自学平台软件系统收集的资料以英文为主，所以可以很方便地提取出来，加以应用。比如：（1）在调整课件时，加入人物典故、经典文献、动画、模拟软件；（2）16学时课程的教材或校内讲义的编写（目前一直未找到合适的全英文国外教材）；可插进人物典故、软件使用、实际应用的内容。这可使教材内容不同于简单地引用国外教材中的内容。当然，能否编出一个更有特色的短小精悍的英文教材？对我们教师是个艰巨的挑战。（3）在课程网站建设中，设计了三个层次，基本教学资源；软件或组织辨认训练的教学资源；形变再结晶理论在实际工程研究中的应用案例教学资源。这样，不断丰富的教学资源就得到有效的发挥。

1.3 教学资源在建设《材料科学基础》资源共享课中的应用

2014年，我们的材料科学基础课程被批准为国家资源共享课建设项目，目前全部课程录像已上网（教育部的“爱课程”网站）。在共享课网站建设中，除了完成规定的全部内容外（如课程录像、ppt全部课件、练习题、试题、作业、重点难点解释等），为突出我们课程的特色，也加入了许多教学资源。由于版权、容量等限制，仅使用了课程教学资源中的软件使用录像、学生发表的教研文章、名人典故、动画软件等。不论哪门课程，最初建设的学生自学平台软件系统都是最丰富的教学资源，其他所有课程的教学资源都来自这个“百宝箱”。

1.4 教学资源在课堂授课时新教学法的尝试

随着自学平台软件系统中收集的名人典故资源的增多，通过对材料名人资料的了解，感觉许多课程中介绍的概念与相关人物的明确关系尚未清晰，因此尝试形成一个研究某个材料名人的研究成果在课程中出现多少次的“思考题”，或新教学法。例如，课堂上教师可以提出这样的问题：（1）美国的Zener教授的哪些成果在我们课程讲授中讲到？初步总结出6个概念：Zener粒子钉扎、Zener-Hollomon热加工参数、Zener弹性各向异性常数A、Zener-Hillert长程扩散控制的片状相长大公式、Zener交换式扩散机制、Zener马氏体形核时原子位置移动方式；（2）美国的Turnbull教授的哪些成果在课程中讲到？初步总结出：玻璃化温度、超大临界过冷度的获得方法、晶界迁移速度公式、经典形核理论、晶粒异常长大经典实验、单晶、多晶银不同温度下扩散系数变化规律等；（3）美国的J Cahn教授的哪些成果在课程中介绍：准晶的发现、固态相变时晶界形核、晶棱形核、角隅形核率的关系、位错形核公式；调幅分解理论等；（4）德国的Lücke教授的哪些成果在课程中介绍？FCC金属中40°＜111＞关系的经典实验、BCC中高迁移率26°＜110＞的经典实验、溶质钉扎对晶界迁移速度的影响实验、六方金属Zn单晶不同方向拉伸时的应力应变曲线等。以这种“串”的方式，可以更有效、更有趣低吸引学生牢固掌握课程知识点。不断将这种工作系统化，也形成了教师自己特有的教学方法。

另外，在将各种途径收集的材料人物典故资料整理出《材料科学名人典故与经典文献》书籍中，系统化了前期收集的零散的工作；但这种系统化只是以基本历史人物事实为依据而编写的，尊重历史事实而没有将教师个人体会、评价和相关科研加入。近几年作者开始陆续以特邀撰稿人的身份为《金属世界》期刊发表一些课程中的经典名人与自己的科研体会［5-8］文章，即将一些与自己研究领域密切相关的名人典故与自己的科研结合，再结合课程各种知识点，同时加上较多的个人体会、感想。这样不但提升了教师的科研底蕴、教课技巧，也拓展材料科学基础课程知识点的影响面，因为杂志是面向全国读者的。

1.5 教学资源在实验型第二课堂活动中的应用

在2013年提出的本课程学生综合能力培养模式中，第二课堂的实践型活动包含了2项内容，一是对我校特色的金属材料的研究（称为前沿研究），另一项是对液晶、聚合物、矿物岩石宝石类的趣味性研究；目前集中在矿物、岩石及宝石上。关于矿物、岩石、宝石类无机材料试验研究与教学资源的再利用问题上，对应了一个虚拟世界上的研究和现实世界中的研究。在自学平台软件系统中，不断收集相关的电子文件，如书籍、研究论文、图片；也收集了我们自己对矿物岩石宝石的研究数据。这些对应虚拟实验研究。作为实物研究训练教学资源，到目前为止，我们先后收集了40多种廉价的标本，例如：

（1）火成岩、变质岩、沉积岩三种岩石（如图1a所示）。

（2）各种廉价宝石手串（青金石、孔雀石、红绿宝石、沙金石、和田玉、绿松石、黑曜石、虎睛石）（如图1b所示）。

（3）各种矿物岩石标本；如含孪晶的拉长石和水晶（如图1c所示）；黄铁矿（正方形和五角十二面体）；水晶单晶，歪晶，烟晶+石榴石；发晶；单个蓝沙金石，红沙金石、绿松石，玛瑙；翡翠串（30多粒）；见图1d所示；矿物标本（地质博物馆购买），2套；各32种：方铅矿、锡石、辰砂、萤石、电气石、紫水晶、水晶、辉绿岩、闪锌矿、孔雀石、辉锑矿、黑钨矿、冰洲石、石榴石、芙蓉石、大理石、黄铁矿、辉钼石、蓝铜矿、玛瑙、雄黄、石膏、长石、砂岩、赤铁矿、黄铜矿、硬锰矿、蛇纹石、重晶石、云母、滑石、浮岩；矿物标本一盒9个（地质博物馆购买）；⑤宝石袋；3种（如图1e所示）。

（4）阿拉善玛瑙及石头（内蒙古工业大学刘丹敏教授提供）：球形玛瑙类若干、流体状若干、沙漠漆若干、各种石头（类型待定）（如图1f所示）。

（5）购置了20余本矿物岩石、宝石类的相关书籍；

图1 课程建设收集的矿物岩石宝石标本

显然，要研究这些矿物、岩石、宝石，需要最基本的测试工具。为此，在学校各类教改项目的支持下，我们制备了30多片透射薄片（如图2a所示）；同时购置了2台偏光透射式光学镜；高倍的反射、透射式岩相显微镜和宝石显微镜（如图2b所示）；以及手电和放大镜（如图2c所示）。进一步的成分测定，能谱分析，晶体结构分析XRD和EBSD，形貌分析SEM，可借助我校大量的相关设备。从收集的大量实物标本中，就可设计不同的趣味小实验，撰写实验指导书。目前设计了10余个趣味小实验。由此形成较为系统的学生课余研究内容和教学资源。

图2

2 规律性总结

所有教学资源建设都基于最早的课程建设，对如何教好这门课这个基本问题？从最早为了提高讲课效果和对教学的一份责任心，而不断地收集教学资料，上升为制作一个学生自学平台软件系统，系统化了前期零散的工作；从自学平台软件系统这类仅以“虚拟”形式存在的教学资源的建立，上升到需要动手实践的矿物、岩石和宝石的研究（当然也包含以金属材料为主的前沿研究），从“虚拟”走到了“现实”的教学资源。从纯“技术”型各类教学资源上升到以名人典故与经典文献这类人文历史型教学资源的建立；最后由自学平台软件系统教学资源、人物典故与文献书籍教学资源与趣味实验教学资源构成本课程学生综合能力培养的模式。

进一步展开趣味实验教学资源可知，在第二课堂实验研究或兴趣小组活动中，也应不断将矿石、岩石、宝石的分析研究系统化，即分别与课程上的晶体学知识、晶体缺陷知识、形变、再结晶、相变知识（岩石的形成）、相图知识对应、归纳；在参考岩石、矿物、宝石学专业的一些教课书籍后，探索了矿物、岩石、宝石选修实验的建设。到目前为止，积累了大多数常见的岩石与矿物；并将原始标本、制备薄片、显微镜下观察、能谱检测分析结合在一起；使这项教学资源更加系统、更加规范化。

从这三个方面形成了教学资源和课程学生综合能力培养模式，教师在整个课程建设中也增长了知识和教学方法，这好比是酝酿、完成一个自然基金的申请过程。

应当意识到，虽然教师期望新时期本科生培养的教学理念应使学生有高的综合素质，高的学习和专业兴趣、对人物历史的一定了解；但目前还有不少学生仍是只反复看书，做习题，应付考试高分，不注重研讨，不注重将基本知识和概念不断应用到周围遇到的环境中去；在SRTP学生科技训练活动中的浮夸作风较严重，更多依靠研究生、甚至是导师“不负责任”的帮助，影响学生对诚信度的重视；一个简单现象是许多本科结业生很担心毕业论文的“查重”环节。

3 结束语

大学专业课的特征是，每个教师都有自己科学研究、教学方法、教学资源，它们的不同组合、对学生的教学态度都不同，这种教师特点的多样性演绎出多种不同的培养方法，教师的质量（综合素质）显著影响学生的综合素质，探索有效的培养方法十分重要，并且必然与其他教师不同。应该让学生了解这些差异，认识每个教师的教课、教学理念，进行调整，对学生也是非常重要的。

致谢：感谢《材料科学基础》国家精品资源共享课建设项目、感谢材料学国家级优秀教学团队建设项目的支持、北京科技大学全英文教学示范课建设项目（KC2014QYW01）、北京科技大学《工程材料的结构》研究生重点教材建设项目的支持。

［1］ 毛丰昕，肖泓羽，曹涵，杨平.材料科学名人典故对“材料科学基础”课程学习的影响［J］.中国冶金教育，2010，141（6）：82-84，87.

［2］ 贺哲丰，杨平.名人典故在材料科学基础教学中的作用［J］.中国冶金教育，2011（5）：38-40.

［3］ 白欢欢，杨平.晶体学家外斯与晶带定律［J］.金属世界，2013（1）：75-79.

［4］ 栾家斌，杨平.吉布斯理论在材料科学基础教学中的应用［J］.中国冶金教育，2013（4）：6-9.

［5］ 杨平.《材料科学基础》课程的基本概念与相关名人典故：再结晶形核机制、立方织构及胡郇先生［J］.金属世界，2011（4）：73-77.

［6］ 杨平.再结晶及晶粒长大国际会议的Smith奖及其获奖者：《材料科学基础》课程中的基本概念与名人典故［J］.金属世界，2013（5）：77-84.

［7］ 杨平.特殊钢中的“工艺品”：取向硅钢 材料科学基础知识和经典人物［J］.金属世界，2015（1）：6-12.

［8］ 杨平. Laves相及Laves的科研生涯［J］.金属世界，2015（3）：3-10.

Effective Use of Training Resource of the Course Fundamentals of Materials Science and Enhancement of Student's Overall Quality

Yang Ping， ChenLeng， Qiang Wenjiang， Meng Li

University of Science and Technology Beijing， Beijing， 100083， China

Nowadays， the cultivation objectives and the demand from government on students become higher and higher， in particular， in terms of internationalization and the overall-quality. At the same time， the budget from government is also increasing. Thus， the relationship among the teaching mode， the training method and the response from student's side may change along with the time. It is crucial to explore the related educational theory and method on students for their future innovating ability. This work reviews the use of training resource collected for over 10 years in the process of constructing our national key course of Fundamentals of Materials Science. The purpose is to explore the relationship between effective use of the collected massive teaching resource， regarding mainly to the student's self-learning software systems， stories of distinguished material scientists and classical literatures and funny experiments， and the training of student's overall-quality.

fundamentals of materials Science； teaching resource； overall-quality； course construction

2015-07-30

杨平，博士，教授。