材料类专业导论课教学内容设置新探.pdf
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1、:./.材料类专业导论课教学内容设置新探于 杰哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院 广东深圳 摘 要:“材料科学与工程导论”(简称材料导论)是一门特殊课程其特殊性在于课程内容设置以及功能与目标不确定性大迄今未有共识 近年来材料专业教育届的教师们进行了大量探索建立了比较丰富的材料导论教材体系 但目前的教材总体上是知识传授型存在与后续课程内容和功能重复的问题 本文探讨建立思想引导型材料导论课程以统一性、系统性和引领性为原则设置内容体现大视野、历史观、思想性、方法论、趣味性等特征以期使材料导论课成为思想性强、内容丰富、功能独特的独立课程在材料专业教育中起到不可替代的作用关键词:材料科学与工程导论
2、教材思想引导性课程 :“”(“”).:“材料科学与工程导论”(下称材料导论)是一门非常特殊的课程在内容与功能等方面与其他课程均有很大不同 材料类各专业其他课程在功能和内容设置方面都很明确具体没有可商讨变动的余地如“材料科学基础”就包括晶体结构、缺陷、扩散、相变与相图等内容非常具体明确其课程功能就是把这些具体知识传递给学生 而材料导论课所面临的情况则比较复杂第一材料导论课没有明确具体的内容可选内容覆盖范围大界限不明确具体确定其内容所面临的抉择难度大第二材料导论的功能与目标具有不确定空间是传授思想还是传授知识传授什么思想需要探讨传授哪些知识需要确定通过哪些内容传授思想需要确定第三材料导论课是一门年
3、轻的课程应该包含什么内容、达到什么深度并未尘埃落定这些问题的存在正是因为材料导论课的历史还不够长教学实践还不够多讨论沉淀还不够充分因此需要进一步的思考与实践 笔者从 年起在哈尔滨工业大学(深圳)开设材料导论课课程讲义全部自己编写经过多年的教学实践有一些心得体会本文在此做一个总结汇报以求起到抛砖引玉促进材料导论课日臻完善的目的一、国内外“材料科学与工程导论”课程设置现状材料导论是一门年轻的课程由于调查渠道所限笔者在此并不能确定各个学校开设这门课的具体起始时间创新教学科技风 年 月但大概推测应该是 年左右证据之一是就作者所知国内最早的材料科学与工程导论教材是 年出版的证据之二是一份网络资料提到北京
4、科技大学于 年开始 开 设“材 料 科 学 与 工 程 导 论”课(:/./)二十余年来材料学科教育界的教师专家们进行了大量的探索和实践取得了丰硕的成果逐步建立了目前材料导论课的教材体系目前能够公开查到的教材有 种了解这些教材的内容有助于理解目前国内材料导论课的现状及未来的改进方向教材主要内容包括材料与人类、工程材料概述、工程材料的基本性能、材料的原子结构和原子间结合键、固体材料中原子的排列与缺陷、固体材料热力学状态:自由能相图相与组织、固体材料动力学过程:激活与扩散及相关材料行为、工程材料强化与韧化的主要途径、工程材料的制备 教材主要内容包括工程材料的基本性能、材料的原子结构和原子间结合键、
5、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、新材料简介、材料的强化与表面处理、材料的设计与选择 教材的主要内容包括原子结构和原子间结合键、晶体结构、凝固晶体缺陷和扩散、相图、铁碳化铁相图和微结构、高分子材料、陶瓷材料、金属的机械性质、材料的电性质与超导、材料的磁学性质与磁性材料、材料的光学性质、腐蚀、复合材料 教材的主要内容为晶体结构、高分子材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料、材料的腐蚀和降解 教材的主要内容为材料的成分结构和性能、矿石中提取金属、高性能金属材料、高强轻质金属材料、亚稳态金属材料、磁性材料、新型无机非金属材料、高分子材料、碳及能源材料、有机光电材料特性与应用、材料成型与过程控制、
6、打印与增材制造、生物医用材料与修复应用、材料基因工程与高通量计算、极端条件下的材料行为、材料的分析与表征等 综合比较这些教材内容设置彼此有共同点也有很大的差别教材彼此更接近一些这些教材包含的内容在类别上是相似的都包括基础理论部分和具体材料介绍有较大比例的重合内容如基础理论部分大都介绍了晶体结构和材料性能具体材料部分大都介绍了金属材料、陶瓷材料、高分子材料等 另一方面这些教材彼此之间内容的差别也很大如材料热力学、材料动力学、化学键、复合材料、材料加工制备等部分各个教材选取的内容及占比差别较大 教材与教材差别很大教材基本不包括基础理论部分但在具体材料介绍方面包含内容很多并有冶金学和材料表征方面的内
7、容 这些教材所呈现的显著差异也说明这门课的确还没发展到成熟稳定阶段还没达成共识这对材料专业教育是不利的需要进一步探索、讨论尽快达成共识形成一门体系完善、内容稳定、功能明确的材料导论教材笔者也对国外材料导论课教材做了调研查阅了 种代表性教材 教材的主要内容包括物质与能量、原子结构、化学键合、分子轨道、无机化合物、聚合物、有机固体、金属、几何晶体学、结构缺陷、表面和界面、扩散、化学平衡和反应速率、电化学反应、腐蚀和氧化、相图、相变、结构和性质变化、弹性行为、永久变形、机械失效、固体导电性、半导体、材料的热性能、磁性行为、介电材料、光学性质 教材主要内容包括原子结构与键合、晶体学基础、固体结构、高分
8、子结构、晶体缺陷、扩散、金属的力学性质、位错和强化机制、失效、相图、相变、金属的性质及应用、陶瓷的性质及应用、高分子的性质及应用、复合材料、工程材料的加工工艺、材料的腐蚀和降解、电性能、热性能、磁性能、光性能、材料科学与工程中的经济环境与社会问题 教材的主要内容包括缺陷和扩散、金属和半导体的电学性质、金属和合金的力学性能、相图、陶瓷和复合材料、聚合物、金属和合金的腐蚀和氧化、磁性、薄膜、促进可持续发展 从内容设置上看国外材料导论教材与国内差别很大国外教材普遍内容更多、更深、更全面、更系统、更偏向基础其内容类似于国内的“材料科学基础”不是一门专业引导课国内材料导论课的设置应该是一个创新性的探索
9、由此可见在材料导论课的设置上国外并没有现成经验可供借鉴需要我们独立探索二、“材料科学与工程导论”内容设置指导思想探讨如上所述国内材料导论课教材建设已经取得很大进展为该课程的教学实践提供了良好条件 总体来看这些教材的主要内容都是节选自材料专业其他课程或者说是其他专业课程的简要汇编属于材料专业的具体知识因此可以认为目前材料导论课教材都是知识传授型 显而易见对于材料类各专业的学生来说目前材料导论课内容设置与后续课程是重复的即使不上材料导论课学生也有机会学习相关内容这些专业知识后续都会有专门的课程进行更系统深入的讲授从知识传授的角度看材料导论课设置的必要性不像其他普通课程那么大 这门课大都是在大一年级
10、开设从实践中看大一学生不具备足够的基础学习这些知识而且这些教材内容涉及面广但不系统不深入对于大一的学生较难掌握并且这种简介式的学习方式容易形成“夹生饭”造成似懂非懂的感觉影响后续学习 目前的材料导论课教材对于非材料专业的学生比较合适如机械、电子、半导体、物理、化学等专业而对于材料类专业的学生来说则存在较大的问题需要进一步讨论探索 科技风 年 月创新教学材料导论课内容设置一个基本原则应该是不与后续课程大面积重复能够让学生学到后续课程学不到的内容凡是后续课程要讲的内容尽量不在此课程中出现 基于此一原则对于材料类专业的学生来说材料导论课不应该是知识传授型其功能不是传授具体的专业知识因为所有的重要专业
11、知识都有相应的专门课程讲授 由此提出了一个问题那就是材料类专业导论课的功能到底是什么?答案应该是思想引导通过本课程的学习建立材料的思维方式以材料的角度看问题以材料的方法解决问题并最终建立材料的文化 要达到思想引导的目的在教学过程中就要解决这样一些问题如材料科学从何而来?材料科学的知识环境是什么?材料科学知识体系的逻辑结构是什么?材料科学的基本内容是什么?材料科学的发展规律是什么?材料科学的研究方法是什么?材料科学对社会的作用机制是什么?鉴于这些思考作者认为材料类专业导论课的功能可概括为服务于材料科学与工程专业学生建立材料的思维方式、思想体系和文化习惯其设置指导思想是:()大视野:以材料的观点看
12、世界以世界的角度看材料()系统性:从材料科学整体逻辑结构的视角看待具体知识点()历史观:从历史的角度看材料科学发展的规律()思想性:从纷繁的现象和事件中抽象普遍性的原则()方法论:从因果成败中学习材料创新的方法()趣味性:以讲故事、话古今的方式组织教学内容为服务于思想引导的教学目的材料导论课的内容要从全局视角组织安排以材料科学发展的整体逻辑结构和历史脉络为主线在各逻辑层级尽量以共性线索为依据安排内容具体知识讲授时要植根于整体知识环境体现逻辑性和系统性两头相牵于整体知识体系从何处来向何处去基础理论的讲授一头牵于知识源头一头牵于其在材料科学中的作用工艺技术和具体材料的讲授一头牵于知识源头一头牵于应
13、用场景 笔者在教学过程中谈论课程背景时曾利用图 和图 说明本课程的内容设置特色图 展示了结构材料力学性能的知识环境与应用背景具体讲解思路如下:结构材料具有广泛应用力学性能是其应用指标其力学性能由晶体结构、晶粒结构、成分组成决定晶体结构知识的建立首先基于原子的发现原子的发现基于定比倍比定律、电子的发现和原子核的发现电子的发现基于阴极射线管的研究原子核发现的重要条件是放射性的发现晶体结构的测试方法主要有 射线衍射和电子衍射技术 射线衍射技术的建立基于 射线的发现、射线晶体衍射的发现和晶体衍射理论的建立 射线的发现源于阴极射线管的研究晶体衍射理论建立的重要基础是经典光学电子衍射技术建立的理论基础是波
14、粒二象性、电子衍射理论和固体理论电子衍射理论建立的主要基础是 射线晶体衍射理论和经典光学晶粒结构的理论基础是热力学、动力学、矿物学、结晶学晶粒结构观察依赖于光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜光学显微镜建立的主要基础是经典光学扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行晶粒观察的重要理论基础是固体理论主要是高能粒子与固体的相互作用成分组成主要测试技术的理论基础是原子物理和固体理论 图 展示了半导体硅的应用及其理论基础讲解思路如下:半导体硅具有广泛而重要的应用其应用的实现基于对其半导体性质的认识其基础就是固体物理固体物理建立的基础是量子力学量子力学的建立基于黑体辐射、光电效应、原子光谱和波粒二象性的
15、认识原子光谱的知识发源于氢原子光谱的认识氢原子光谱的发现源于真空放电管的研究观察到氢原子光谱利用的是三棱镜分光 通过这两个图的讲解不仅可以传授具体知识还可以揭示材料科学知识体系的逻辑结构对学生建立材料思维十分有益图 结构材料力学性能的知识基础与应用创新教学科技风 年 月图 半导体硅电子器件制备技术的知识基础与应用 三、思想引导型“材料科学与工程导论”课内容设置与教学实践为了实现思想引导的教学目的作者在具体教学实践中自编讲义内容组织和教学过程充分体现大视野、系统性、历史观、思想性、方法论和趣味性 整体内容分为 章下面分章具体介绍讲义内容并做简要分析讨论以体现对思想引导功能的贯彻(一)第一章 材料
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