材料科学与工程基础实验教学改革探索

凌 红， 杨 坡， 冉起超

(四川大学 高分子科学与工程学院，四川 成都 610065)

材料科学与工程基础是材料学专业一门重要的专业基础课，是公共基础课和材料相关的专业课程之间的衔接与过渡，在课程设置上起着承前启后的作用，为后续课程的展开扮演着基础铺垫和专业引导的角色[1]。因此，国外大学的工学院已广泛把材料科学与工程作为大学低年级的一门公共必修课。材料科学与工程基础研究物质结构基础、材料组成与结构、材料的性能、材料的制备与成型加工，研究内容涉及金属、无机非金属、有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间相互关系的科学[2]。通过教学实践发现，材料科学与工程基础课程的知识点多、内容繁杂枯燥、抽象难记、教学难点突出[3]。为提高学生的学习质量和学习效率，更好的理解材料科学与工程基础课程的理论知识，以便于更好的分析解决实际材料的生产和科研问题，为本课程开设实验课势在必行。本文通过分析材料科学与工程基础课程的教学现状，阐明了开设实验课的必要性，并对实验课的课程体系和内容进行了初步探索。

1 材料科学与工程基础课程教学现状和开设实验课的必要性

开设材料科学与工程基础的目的是让学生了解材料科学的基础理论知识，掌握材料成分、结构与性能之间的关系，并对金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等四大类材料有一个广泛而系统的认识[4]。在本课程组老师的努力及学院和学校的支持下，四川大学高分子科学与工程学院所开设的材料科学与工程基础，被评为国家级精品课程、2003年度被评为四川省精品课程。在教材选用上，我们选用的是顾宜和赵长生主编的《材料科学与工程基础》及William D. Callister编著的《FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING》美国原版教材，并且开设成双语教学。

材料科学与工程基础课程涉及到大学物理、有机化学、物理化学等多个相关学科，课程内容多，概念多，理论抽象。因此多年来我们采用多媒体教学为主的教学方式，除了PPT课件以外，在一些同学理解困难的知识点处，我们制作了生动、形象的动画，以帮助同学们理解和掌握。比如晶体结构、铁碳合金相图等，我们通过多媒体教学，改变了单靠课本上简单的平面图形使同学难以理解和掌握的状态。例如铁碳合金相图，我们清晰地把相图上的点、线、面形象生动的展示给学生，并且制作了动画，展示了随着温度的降低，铁碳合金中碳含量和铁碳合金组织结构的变化。多媒体教学通过形象、逼真的动画形式，从静态到动态、从平面到立体、从单色到彩色、具有局部结构解析功能、全方位演示课程的重点和难点教学内容，极大的丰富了材料科学与工程基础课程的教学信息量，扩充了教学内容，既有利于学生空间概念的建立，正确理解材料微观结构的特点和宏观性质及其应用之间的相互关系，又提高了教学效率和学生学习积极性[5]，使教学效果得到了一定提高。

经过课程组老师的努力，建成了材料科学与工程基础课程网络学习平台，并已向我们学院大二本科生开放多年。通过材料科学与工程基础课程网络学习平台，我们将教学大纲、教学课件等学习资料上传到该平台，可以帮助同学了解课程的具体授课安排和知识点等，使同学们更有效的自主学习。并且我们还制作了自测评系统，发布了很多的练习题，以便于同学们平时复习和期中考试、期末考试之前进行练习，通过自测评系统的练习，学生们可以及时发现问题，复习巩固所学内容。而且每一年每一个班级的老师、助教和同学们我们都会建立一个QQ群，学生们在学习中遇到任何问题，可以随时把问题发布到QQ群里，助教或者老师都会及时解答，这样就提高了同学们的学习效率，从而达到一个更好的教学效果。在学院和教务处的大力支持下，我们还录制了材料科学与工程基础的慕课，并且于2019年9月上线。

21世纪需要的是具有创新能力、实践能力、高素质的复合型人才。只有为学生在大学期间打下扎实的基础和专业知识，使学生具有较高知识应用能力与动手能力，才能在以后的工作和科研中做到游刃有余。所以对于材料科学与工程基础课程的学习也不能只停留在理论知识上，必须要与实践操作能力相结合[6]。实验环节可帮助学生巩固和加深对理论知识的理解，掌握基本实验技能，培养理论联系实际，自己动手分析、解决问题的能力。我们要认识到材料学相关专业实验教学的重要意义，进而加强材料科学与工程基础的实验教学。

2 实验课程体系及内容

实验教学应该是材料科学与工程基础的一个重要环节。通过开设实验课，让同学们对材料科学与工程基础中的概念、基本理论、知识点等加深理解，理论的正确与否可以通过实验来验证。除了学生在课堂上接收理论知识外，还要通过实验教学的方式来对理论进行消化、巩固、吸收，学生在实验室进行实验的过程，是理论学习与实际实践相统一的过程。学生可以通过实际操作来观察现象，测量数据，同时锻炼学生的观察问题、分析问题和解决问题的能力[7]，为以后的工作和科研打好基础。

实验课程体系及内容可以根据材料科学与工程基础教程来开设。比如说第二章在晶面指数和晶面间距部分，我们可以开设X射线衍射实验，让同学们验证布拉格定律，同时进一步理解晶面间距的知识点。在表面张力和表面能部分，我们可以开设毛细管测试液体表面张力的实验，同时可以验证表面张力和接触角之间的关系。第三章和第五章可以合并在一起，在讲到高分子材料时，可以和我们学院开设的高分子化学实验相结合，从单体合成开始，直到最后制备出所设计的某种高分子材料。有条件，也可以带学生去陶吧，感受一下无机非金属的陶瓷是如何由黏土制备而来的。第四章材料性能部分，力学部分：可以利用教学实验中心的拉力机给同学们开设拉伸实验，通过实验理解应力、应变、弹性模量、拉伸强度、屈服强度等物理量的概念及相应的知识点；可以通过冲击实验仪来测试高分子材料的冲击强度，从而进一步巩固冲击强度的概念及知识点。热性能部分：可以通过开设差热分析(DTA)和差热扫描量热分析法(DSC)实验使同学们了解温度变化过程中样品的物理和化学变化过程，如结晶、熔融、氧化、分解等。可以通过开设TGA(热重分析)实验，使同学们了解聚合物的稳定及分解，比如起始分解温度，空气和惰性气体中的分解差异等等。还可以通过氧指数测试仪测试高分子材料的氧指数，同时巩固氧指数的概念和该知识点，进而了解高分子材料的燃烧特性。在电性能部分：可以通过测试材料的电阻率，来理解电阻率和电导率的概念及知识点，然后通过电阻率区分导体、半导体和绝缘体。大多数的高分子材料作为绝缘体使用，可以通过测试其击穿强度来理解和巩固该概念及知识点。在光学性能部分，可以简单的介绍一下红外光谱和紫外光谱，使同学们了解电介质的吸收率随波长的变化情况。

在实验过程中，尽量让同学们自己亲自动手操作，以培养同学们实际操作仪器的能力和动手能力。通过测试实验数据，使同学们深入理解实验原理，掌握实验背后的相关知识，培养同学们解决问题的能力。

最终实验成绩可以在材料科学与工程基础总成绩中占一定的比重，比如20%或者30%。而实验成绩的考核可以由学生的实验课堂考勤、实验预习、实验操作及实验报告四部分组成。这样的实验考核机制应该可以比较客观的反应学生的实验学习效果，同时考查学生的动手能力。

3 结 语

对于材料科学与工程基础课程，由于我们采用以多媒体教学为主，并且开通了网络平台，甚至慕课，已经取得了较好的教学效果。在今后的课程建设中，我们应该开设对应的实验课，使基础理论和工程实践相结合，培养学生的动手能力、创新能力与科学素养，进一步提高材料科学与工程课程的教学质量，同时为国家培养更多的高素质专业技术人才。