《材料学》课程教学探索与实践

赵天宝，王 霞，杨如意，陈宝书

(西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

1 课程简要介绍

《材料学》是材料基础理论密切结合工程实践运用的学科，对于培养高技能材料方向学生的专业素养、兴趣以及创新能力发挥了至关重要的作用[1]。该课程主要研究材料组成、结构、性质、生产制备工艺、本征性能与使用性能之间的相互关系，为材料设计、制造、工艺优化和生产使用提供基础的理论依据[2-3]。材料学囊括了高分子材料、金属材料、无机非金属材料以及复合材料等，涉及材料化学、固体物理学、生物材料、电子材料、高分子材料科学基础等理论[4]，课程内容繁多、知识涵盖面广、学科交叉性强，知识掌握存在一定难度。因此，为了让高分子专业方向的学生更好的掌握该课程，培养学生的实践能力，培养出理论知识扎实、实践能力强的高素质工程应用型人才，本文基于课程特点，从教学目标、教学内容、教学模式和考核制度等方面进行探索研究。

2 明确课程教学目标

基于高分子专业方向的学生对材料化学、材料物理和高分子材料科学的理论等有了基本掌握的基础，本课程从各大类材料的结构与性能之间的关系入手，帮助学生掌握所有工业上常用材料的概念、性能、加工及应用知识。要求学生熟悉其单体及聚合工艺，理解材料的化学结构和聚集态结构与其性能，能够结合高分子材料结构与性能之间关系，具备分析高分子材料结构及解决工程化应用的能力，从而达到能够根据材料的结构性能要求和加工条件选择合适的高分子材料，并进行高分子改性及配方设计的能力，同时能够了解和熟悉高分子材料配方设计、工艺研发、产品生产等相关标准、法律法规、安全管理、社会文化等背景知识。

3 整合课程教学内容

材料学章节多，涉及的内容广，在课时少的情况下难以将知识点拓展开来，在指定的教学时限内很难将课程全部内容讲解透彻，教学效果不理想。因此，课程教学内容应该与材料科学与工程的不同专业方向相适应。如对于高分子专业方向的学生应该对课程进行精简、合并、偏重，使课程内容丰富而不杂乱、知识点清晰而不晦涩。本课程大体上将教学内容分成绪论、金属材料、无机非金属材料和高分子材料四个部分。从材料的发展历程引入，通过多媒体教学方式讲授各种材料的特征、分类、主要来源、结构与性能特点、主要用途，然后简要介绍金属材料和无机材料的基本特征、分类、主要来源、结构与性能特点，重点讲高分子材料制备、成型加工方法和加工过程中各类助剂的作用机理，如通用塑料的结构与性能、成型加工方法、主要用途；五大通用工程塑料的结构特点、性能、主要成型方法及主要用途；特种工程塑料中聚苯硫醚的主要性能特点及其应用；橡胶的基本特征、分类，橡胶的主链结构及侧链结构对性能的影响，通用橡胶的来源，天然橡胶的制备、结构及加工、主要应用；以增塑剂、增韧剂等为例，讲述力学助剂的概念、用途及作用机理；最后系统的讲授高分子材料及助剂设计配方及生产中的标准和安全事项。建立“课堂讲授+科研成果展示+实验教学”的多元化教学模式。为了激发学生对本课程的兴趣，激发学生在课堂上的求知欲，实现最终的教学目标，拟采用“课堂讲授+科研成果展示+实验教学”的多元化教学模式，具体如下：

3.1 课堂讲授

丰富教学方法。采用多媒体教学为主，利用大量图片和视频资料，形象生动地介绍材料结构及其制备过程，增强教学的直观性，提高课堂教学信息量和教学效果，例如在绪论章节讲述材料的发展史之前，给学生播放央视纪录片《材料革命》，通过生动的视频进入课程学习，激发学生兴趣，强化学生对材料的认知，然后再介绍材料的发展历程、材料分类、材料的基本性能、材料的结构特性及助剂，循序渐进，有助于学生对课程内容的整体把握。

联系日常生活讲授。结合日常生活中高分子现象大量举例，提出问题、鼓励学生积极讨论并给出措施，激发学生主动学习的兴趣，启发学生思维，引导学生独立思考和主动获得知识，培养学生分析和解决问题的能力。比如讲解塑料的特点与性能时，向同学们提问“为什么用塑料绳绑东西会越来越松？”由常见的高分子应力松弛现象入手，让学生发表自己的观点，借此解释应力松弛现象，再画出典型的应力松弛曲线，图文结合对其应力松弛概念进行系统的讲述和解释，加深学生对该概念的理解，能起到事半功倍的效果。

加强教学过程监控。以课内讨论、课堂提问等形式，形成教师课堂讲授与学生学习与思考的互动；以课堂考勤和课堂提问，控制课堂教学过程；以作业、期中考试形成过程控制。如，在讲解完应力松弛概念留下问题，“生活中还有哪些现象是由应力松弛产生的？你还知道哪些日常现象可以由材料特性解释？”让同学们在课堂上积极讨论并发表意见，有助于转变学生被动接受知识的观念，增强学生的学习主动性，进一步提高教学效率。

强化师生互动。充分利用QQ微信群等通信技术，加强师生交流和沟通，解疑答惑，公告作业答案等相关教学资料，同时鼓励学生通过线上方式反馈课堂感受和学习情况，充分了解学生思想动态和学习动态。定期向学生推送新材料的发展动态，形成课外互动，提高教学效果。如，在学习无机非金属材料章节前，要求学生在学习强国观看《匠心冶陶》宣传片，通过对大型景德镇市传统手工制瓷技艺的了解认识陶瓷，进一步的讲解无机非金属材料的基本特征、分类、主要来源、结构与性能特点。

3.2 科研成果展示

材料学是一门综述性学科，其知识体系不断发展与更新，书籍教材的更新难免落后于时代的飞速发展，因此在教学过程中，必须结合时代前沿科研动态和行业实际需求，将科研成果引入课堂。比如，在讲解力学助剂章节内容时，将自己的科研成果PP耐磨试样展示给学生看(如图1所示)，同时结合塑料成型工艺介绍样品的熔融共混过程，结合高分子助剂章节介绍滑石粉对PP力学性能的作用机理。同时，展示行业前言科技成果(如图2所示)——华东师范大学葛建平教授团队研发的精准胶体自组装制备的透气耐磨的结构色织物，通过展示该研究成果的独创性和优势，进一步的拓展到胶体制备、粘结剂的种类和作用机理等理论知识。在教材内容基础上结合最新研究成果，能够让学生更全面的认知材料，了解当下材料的研究热点和发展新方向。

图1 PP耐磨试样Fig.1 PP wear-resistant specimen

图2 基于SiO2光子晶体的结构色聚酯纤维[5]Fig.2 Structural color polyester fiber based on SiO2 photonic crystal[5]

3.3 实验教学

专业课程中不仅设置课堂的理论教学板块，还要开拓实习实践板块。课程以教师引导为主，实验分组进行高分子材料的样品制备及力学性能测试实验，实验包括掌握挤出机和注塑机的主要结构特点、操作方法，选择材料成型加工工艺参数制备样品，并在不同的拉伸速度下对材料的力学性能进行测试，记录实验过程中观察到的现象、实验数据，并加以讨论、分析，形成实验报告。经过小组实验的开展，有利于加深学生对知识的理解和掌握，增强其实践技能与理论联系实际的能力，培养其组织沟通能力，强化学生的团队合作精神，培养能够适应社会发展需求的应用型、复合型人才、创新型人才[6]。

图3 塑料力学性能测试流程Fig.3 Plastic mechanical properties test process

4 构建灵活的考核制度

课程的考核应以考核学生对课程目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度及综合分析能力。鉴于此，本课程改变传统的以期末考试成绩为主的考核方式[7]，而是由平时成绩(10%)、实验成绩(10%)、期中成绩(10%)、期末成绩(70%)4部分考核结果多角度进行综合评价。平时成绩主要考核学生对每章节知识点的复习、理解和掌握程度，主要考察学生对于高分子材料基本概念、结构与性能、应用的掌握情况，能分析高分子材料结构与性能之间关系。实验成绩根据实验评分标准评分，总分100 分，主要考察学生对高分子材料及助剂配方设计、加工工艺、材料制备掌握情况，对于材料做出结构分析、性能测试及报告分析的能力，对材料在设计及生产中的标准及安全事项掌握情况。期中根据绪论，材料基本概念、结构与性能等相关内容设置名词解释、选择题、填空题、简答题等题型，进行开卷考试，由学生答题情况判定成绩。期末针对本课程教学内容进行闭卷考试，卷面成绩100分，主要考核学生对材料的概念、性能、加工及应用，熟悉其单体及聚合工艺，理解材料的化学结构和聚集态结构与其性能等基本知识的掌握，考核学生对各类材料的应用，了解各类材料的衍生物，考察分析高分子材料结构及解决工程化应用的能力。

5 结 语

基于材料学课程特点，明确提出教学目标，结合材料高分子专业定位重新整合教学内容，从材料组成、结构、性质、工艺和使用性能入手，将教学内容分成绪论、金属材料、无机非金属材料和高分子材料四个部分。同时，以多元化的教学模式进行课程教学，在课堂讲授的同时引入科研成果展示，并结合相应的实验教学，使材料学课程的知识点更加鲜活，课堂氛围更加活跃，并以灵活的考核制度对学生的课程学习进行考核评价，最终教学效率获得提高。