《材料科学基础》学习兴趣点激发与维持的探讨与实践

邓坤坤，聂凯波，贾虎生，李线绒，石晓辉

(太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024)

材料的研究水平决定了人类社会的发展水平，材料的发展史不仅是人类社会的发展史，还是科学技术的发展史，人类对材料的研究由古至今尚未间断过。材料科学是以物理、化学为基础，结合冶金、机械和陶瓷等学科，以求探讨材料的内在规律，研究材料的成分、组织、性能与合成加工关系的多学科交叉学科。然而，关于材料科学的概念，直至二十世纪六十年代，才由美国学者M.E.Fine首次提出[1]。

作为材料类专业最重要的一门基础必修课程，材料科学基础课程内容涉及内容较多，包括：材料的固态结构、晶体缺陷、扩散、相图、相变、形变、再结晶等内容，所有的章节与内容都是学习的重点。作为一门承上启下的专业基础理论课，这门课程学习的好坏，关系到学生能否把所学基础理论应用到专业问题的解释、以及对后续专业课程学习的理解和把握[2-3]。作者自2012年起开始从事材料科学基础课程的本科教学工作，在7年的在授课过程中，学生普遍反映该课程内容复杂、抽象、难以理解，故在授课过程中学生很难高度保持注意力集中，从而使学习效率下降。更有甚者，一部分同学因该课程难学，会产生厌倦感，对正常的课堂教学秩序产生不良影响。因本课程的知识点繁多，很多学生虽明白每个知识点是什么，但仅停留于概念的名称及相关公式的硬性记忆，关于知识点间的逻辑关联尚不清晰，对本课程知识融会贯通地运用能力还存在欠缺。上述现象，均不利于后续专业课程的继续学习。

如何激发和维持学生的学习兴趣，提升学生对材料科学基础课程的热爱程度，提高学生对材料科学知识的掌握和运用能力，是如今材料科学基础课程教学的普遍难题。在此，本文结合作者自身教学经验，探讨了激发和维持学生对本课程学习兴趣和热情的具体措施。

1 合理设计第一节课，激发学生学习兴趣

材料科学基础的第一节课，也称为绪论课，学生对本课程的最初认识也是从此次课开始的。因此，第一节课的“好与坏”，直接影响学生对后续课程的学习兴趣，需要精心的设计与课程讲授、引导。

第一节课的目的是让学生了解材料科学基础的同时，提升其对本门课的学习兴趣。如何合理地设计本节课的讲授知识点，是激发学生学习兴趣的关键所在。如上所述，材料的发展与人类社会的进步息息相关。为提高学生的学习兴趣，课程首先从人类社会的发展史讲起，突出各历史阶段典型的代表材料，介绍人类是如何一步步认识材料和改变材料的，使学生更加形象的认识到材料的发展史是人类社会的发展史。与此同时，逐步将学生引入材料的微观世界。比如：在讲青铜器时代时，介绍“越王勾践”宝剑。宝剑是由青铜铸成，但剑刃却如此锋利，引导学生思考：原因何在？此时将纯金属、合金、成分、相等概念初步引入，告诉学生可通过上述等因素的调控改变材料的性能，将“软”铜，变成“硬”铜。在讲铁器时代时，从学生熟知的"钢、铁的成分区别"入手，引入学生思考“二者”到底有何区别，随后恰如其分的引入“石墨”和“渗碳体”，强化学生对材料强度和塑性重要影响因素-“相”的认识。在讲解新材料时代时，首先从航天飞船、隐形飞机、核潜艇等引入，介绍航天、航天、航海等对材料的特殊需求，激发学生的学习兴趣点。

在学生认识材料的基础上，分析材料、材料科学、材料工程的关系，介绍材料科学基础这门课程主要研究内容，带学生认清各内容间的逻辑关联。从原子讲起，带学生认识原子结构、核外电子、结合键、材料结构等内部关联。人无完人，物无完物，材料也是有缺陷的，其缺陷的是什么？对材料的性能有何影响？提出这一问题，带学生思考"晶体结构的缺陷"这一章节。大多数的材料都是由液-固转变而来的，这是个凝固过程，其原理为何？涉及到“相平衡与相图”。实际凝固过程中冷却速度很快，难以实现平衡结晶，其原理又如何？则涉及到“材料的凝固”这一章节。如果将材料由“液”变“固”比作材料的“出生”过程，那么“固态相变”和“材料的变形与再结晶”则是对固态材料性能调控的重要手段，也就是材料的"成长"过程。如此引导，让学生觉得零碎的知识章节也并没那么陌生。

2 理论联系实际，活跃课题气氛

材料科学基础重在理论阐述，课程较为单调乏味。若在理论点讲解时冠以实例，则可在一定程度上活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，有利于提升学生对知识点的理解程度，提高授课效果。比如：

(1)在讲扩散问题之前，先引入汽车轴承等零件。对于此类工件需要耐磨，即有硬度要求。但还要求抗震性，即韧性要求。引导学生思考，如何满足这两大要求。这就要求材料外“硬”内“软”。如何来实现呢？工业上常用的方法就是“渗碳渗氮”，如何渗呢？这就涉及到扩散问题。怎么渗？这与固态原子的扩散机制、热力学与动力学密切相关。基于实际问题，通过问题引导，层层递进将学生领入“扩散的世界”。

(2)铁可分为白口铁和灰口铁，而常用的多为灰口铁。根据石墨的形态，灰口铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。在介绍各类铸铁上，首先从其应用领域出发，激发学生学习兴趣，再介绍其性能。比如，在讲解球墨铸铁时，先问问学生在哪见过“球墨铸铁”这几个字？一般都会给出"井盖"的答案。此时，带领大家从“井盖”的安全性分析，球墨铸铁应具备什么样的性能。由此引出影响性能的因素：石墨形态和基体。在讲基体时，应结合相图章节中的铁素体和珠光体，带领大家思考，如何基于石墨和基体对铸铁的性能进行调控。如此不断激发和维持学生的学习兴趣，增强授课效果。

(3)材料类本科生在“金工实习”中一般都做个小锤子，再对其进行热处理，但其缘由大多学生并不清楚。在讲马氏体相变时，先由“小锤子”说起，提出“为何先把小锤子加热？为何又把通红的锤子放入水里？这个过程中发生了什么？”问题层层递进的将学生带入课程学习的知识点“马氏体相变”。根据相变的条件，马氏体相变特点及强化原理等，逐步给学生揭示谜底。

(4)在讲材料的变形与再结晶时，可先给出一个案例：“某厂对高锰钢制碎石机鄂板进行固溶处理时，加热至1100℃后，用冷拔钢丝吊挂，由起重吊车送往淬火水槽，行至途中钢丝突然断裂。此钢丝是新的，并没有疵病。试分析钢丝绳断裂的原因”。在此基础上，先讲解变形与加工硬化的关系，再讲变形后的金属在加热过程中，组织会发生怎么样的变化？这些变化对材料的性能又有如何影响等问题。通过实例，将变形与再结晶的知识点联系起来，便于学生理解和掌握。

3 合理引入材料名人典故，吸引学生注意力

材料科学基础的许多知识点都比较抽象，而这些知识点都是由材料科学家经长期的理论探索和实验验证而逐步形成的[4-6]。在材料科学基础的授课过程中，若将这些知识点的“历史背景”予以介绍，不仅能增加学生对该知识点的印象，还能大幅提升学生的学习兴趣，提高课堂效率。比如：

(1)晶体结构较为抽象，人们对晶体结构的最初认识还是从衍射斑点间接推得的。讲到衍射斑点，必提德国物理学家马克思·冯·劳厄。正是劳厄在1912年发现了X射线衍射现象，才让人们认识晶体的微观结构成为可能。“吃水不忘挖井人”，X射线的发现者-威廉·康拉德·伦琴更是功不可没。与此同时，简单介绍伦琴发现X射线的过程，突出伦琴在发现X射线过程中的严谨、求实、忘我的科研态度，不仅能激发学生的学习热情，更能激起学生科研探索的好奇心，增加对该知识点的学习兴趣。

(2)马氏体转变作固态相变的重要内容，包括：马氏体转变的基本特征、晶体学、热力学、动力学、转变机制、表象理论、特殊性能及应用等。所含知识点较多，学起来更为枯燥。因此，在本知识点讲解前能提升学生的对此的学习兴趣尤为重要。马氏体是以德国Charlottenburg教授Adolf Martens的名字命名的，而真正对马氏体进行系统研究确实苏联学者G.Kurjiumov，正是因Kurjiumov对马氏体组织、晶体学、力学性能的深入而长期的研究被人们称为马氏体之父[6]。讲到这，定会激发学生的好奇心“为什么不是同一个人？”。这时，通过Martens对马氏体发现过程的介绍，给学生讲解马氏体的性能特点。通过介绍Kurjiumov对马氏体的研究，给学生讲解马氏体转变的特征。

4 基于哲学思维对材料科学基础进行再认识

在认识材料科学基础各知识点之后，只有深入理解各知识点间的关联，才能做到所学知识的活学活用。而在理解各知识点间关系时，则多需采用辨证的思维，这涉及到哲学问题。教育学生基于辩证的思想学习、生活，不仅有利于加深学生对知识点的理解，同时对提高学生逻辑分析能力具有很大的促进作用。比如：

(1)基于辩证思维，学习位错与材料强度的关系。对于理想晶体(无位错)，材料的强度极高，而实际晶体材料都含有位错，强度低于理想晶体，且实际晶体材料的强度随位错密度的增加而降低；但当位错密度高于某一值时，随位错密度的增加，材料的强度反而增大。正是位错的存在降低了理想晶体的强度，也是位错的存在提高了实际晶体的强度，原因到底为何？如此引导学生进行深入思考。

(2)通过位错将材料的强度和塑性贯穿起来，并进行辩证性思考。只有位错运动受到束缚，材料的强度才会得以提升。正是位错运动难以进行，反而是材料的塑性降低。这正是材料强度和塑性难以兼顾的根本原因。在此基础上，带领学生思考，如何基于组织调控实现材料强度和塑性的统筹兼顾。

(3)基于质变和量变的辨证关系，学习Al-Cu合金的脱溶沉淀过程。时效初期，在Al基体中首先出现Cu原子的聚集区，称为GP区。随时效时间的延长，GP区逐渐演化为θ//、θ/和θ相。θ相与Al基体无共格关系且尺寸较大，故θ相出现致使Al-Cu合金的强度降低。可见，只有合适的组织才能保证Al-Cu合金强度，时效时间与温度需控制在一个合理的范围。以此点引发，让学生明白过犹不及的道理。

5 密切联系科研前沿，持续激发学生学习兴趣

材料科学基础不仅是材料类专业学生的基础课程，也是从事材料专业研究人员的知识宝库。目前，在材料研究领域取得的各项成就，都是对材料科学基础知识拓展和延伸。在材料科学基础课程讲授时，适时引入材料最新科研进展，不仅能提升学生的学生兴趣，还能进一步提升学生对本门课的重视程度，同时可能产生学术专研的想法。

(1)在讲材料的塑形变形时，可把刚发表到Science上关于镁合金强塑形的一篇文章[7]给学生予以介绍。基于密排六方晶体结构，镁合金的滑移系少，室温塑形差。该研究成果，通过激发非基面滑移大幅提高镁合金室温塑性。借此，带领大家认识金属的塑形除与位错的可动性与否有关外，还有什么相关？答案是滑移系。接着层层递进的将位错运动派-纳力、滑移系和临界剪切应力等关系进行进一步的梳理和归纳。让学生在一睹科研前沿的同时进一步夯实已学知识，认识到再前沿的成果也是建立在材料科学基础之上的。

(2)在讲材料再结晶时，将自己的研究成果“镁合金热变形过程中组织演变机理”入课堂教学。学生在书本上只知道“晶界凸出形核”的概念，而在镁合金中真正见到“晶界凸出形核”。与此同时，给大家看“不同尺度颗粒增强镁基材料”的显微组织，带领大家基于已学知识分析硬质颗粒尺寸、含量等对再结晶形核和再结晶晶粒长大行为的影响，激发学生兴趣的同时，增加其对再结晶的印象。

(3)在学习材料强度与塑性时，通过讲解告诉学生材料的强度与塑性在常规制备工艺下是两个互为矛盾的性能指标，提高某一指标值，另一指标值必然下降。但通过细化晶粒的方法可同时提高两者性能，如快速冷却技术的引入形成的非晶、微晶和纳米晶等。类似这样问题的提出，增强了学生学习的兴趣，激发了学生的创新意识。

6 结束语

基于作者自身教学经验，通过合理设计“第一节课”，随后的课程讲授过程中理论联系实际，适当引入材料名人典故，基于哲学思维对材料科学基础进行再认识和引入科研前沿等方法，在激发和维持学生对《材料科学基础》学习兴趣方面效果显著。然而，关于上述教学方法的具体案例还需进一步的梳理与精化。如何在激发和维持学生学习兴趣点的同时，进一步提高其创新能力，还需在《材料科学基础》的教学中不断的探索与实践。