朱利安+張虹+李順+葉益聰

[摘 要]作為材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，材料熱力學(xué)的根本任務(wù)在于培養(yǎng)研究生將熱力學(xué)基本原理應(yīng)用于材料科研實(shí)踐中的能力。以國(guó)防科技大學(xué)研究生課程材料熱力學(xué)為例，可以從教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐的革新入手，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核等進(jìn)行探索和實(shí)踐，以提高研究生專業(yè)核心課程材料熱力學(xué)的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]材料熱力學(xué)；研究生；教學(xué)探索

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）04-0096-02

材料熱力學(xué)對(duì)于材料類專業(yè)的學(xué)生來說是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。材料熱力學(xué)對(duì)學(xué)生以后相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)以及研究有重要的作用。材料熱力學(xué)是利用熱力學(xué)原理來研究材料問題的科學(xué)。具體來說，它是研究基于經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)研究材料在制備、加工及相變過程中的相和組織的形成規(guī)律。材料熱力學(xué)課程具有理論性突出、應(yīng)用性強(qiáng)、概念抽象及公式繁多等特點(diǎn)。在我校的課程體系設(shè)計(jì)中，該課程為材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，其根本任務(wù)在于培養(yǎng)學(xué)生將熱力學(xué)基本原理應(yīng)用于材料科研實(shí)踐中的能力。針對(duì)上述目標(biāo)，研究生課程應(yīng)當(dāng)從教學(xué)設(shè)計(jì)到實(shí)踐進(jìn)行相應(yīng)的探索和革新，以實(shí)現(xiàn)研究生理論水平及科研實(shí)踐能力的雙重提升。為此，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程考核等方面進(jìn)行教學(xué)探索和實(shí)踐，以提高研究生專業(yè)核心課程材料熱力學(xué)的教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）內(nèi)容設(shè)計(jì)固基礎(chǔ)重提升

我校材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生生源多樣，本科專業(yè)涉及應(yīng)用化學(xué)、材料物理、材料化學(xué)及材料加工工程等。因此，在材料熱力學(xué)的教學(xué)中既要考慮學(xué)生的專業(yè)差異，鞏固不同專業(yè)學(xué)生的熱力學(xué)基礎(chǔ)，又要注重內(nèi)容的提升，使學(xué)生在進(jìn)一步掌握熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上初步具備從事材料熱力學(xué)研究的能力。為此，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，我們將內(nèi)容劃分為上、下兩個(gè)篇章。第一篇章為基礎(chǔ)篇，包括熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和附加函數(shù)等章節(jié)，重點(diǎn)講解熱力學(xué)三大定律及熱力學(xué)性質(zhì)和函數(shù)間的關(guān)系，目的是鞏固和強(qiáng)化材料熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論。第二篇章為應(yīng)用篇，包括純物質(zhì)相平衡、溶體熱力學(xué)、二組元材料相平衡、相變熱力學(xué)、界面熱力學(xué)及材料設(shè)計(jì)與熱力學(xué)等章節(jié)，重點(diǎn)講解材料熱力學(xué)在處理純物質(zhì)及溶體的相平衡、相變及表界面問題中的應(yīng)用，目的是提升學(xué)生利用材料熱力學(xué)理論解決實(shí)際問題的能力。

（二）教材選取博采眾長(zhǎng)

為了服務(wù)于上述教學(xué)內(nèi)容，我們?cè)诮滩牡倪x取上博采眾長(zhǎng)。課程以David R. Gaskell主編的《Introduction to the Thermodynamics of Materials》為主要參考教材。該書知識(shí)結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)容翔實(shí)，系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)，且實(shí)例豐富，兼具實(shí)用性和趣味性。[1]同時(shí)以郝士明主編的《材料熱力學(xué)》、徐祖耀主編的《材料熱力學(xué)》和西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學(xué)》為輔助參考教材，三本教材各有所長(zhǎng)。郝士明主編的《材料熱力學(xué)》偏重溶體熱力學(xué)知識(shí)的介紹，對(duì)自由能近似和相關(guān)模型的講述全面系統(tǒng)，且包含與科研實(shí)踐緊密聯(lián)系的計(jì)算相圖熱力學(xué)方面的內(nèi)容，尤其重視選材的新穎和解說的例證性。[2]徐祖耀主編的《材料熱力學(xué)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生教材，注重基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)理論的深化和提升，其中有關(guān)界面熱力學(xué)和相變熱力學(xué)的介紹系統(tǒng)深入，理論性強(qiáng)。[3]西澤泰二編寫的《微觀組織熱力學(xué)》著眼于應(yīng)用熱力學(xué)理論解釋材料微觀組織變化的規(guī)律，案例豐富、圖解直觀、闡述系統(tǒng)。[4]教學(xué)時(shí)我們根據(jù)不同章節(jié)的特點(diǎn)合理選取上述參考教材，集眾家之所長(zhǎng)。

（三）教學(xué)案例突出應(yīng)用

針對(duì)材料熱力學(xué)理論性強(qiáng)、概念抽象等特點(diǎn)，我們?cè)谑谡n時(shí)以應(yīng)用為牽引，將重點(diǎn)放在運(yùn)用熱力學(xué)基本原理解決材料科學(xué)問題上。通過分析日常生活、科研生產(chǎn)中的實(shí)際案例，講解重要理論及關(guān)鍵抽象概念的理解及其在材料研究中的應(yīng)用，在讓學(xué)生在理解這些理論及抽象概念的同時(shí)，掌握運(yùn)用它們解決材料研發(fā)問題的能力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[5]例如在講解化學(xué)勢(shì)的定義和意義時(shí)，介紹上坡擴(kuò)散現(xiàn)象及其原因，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)元素?cái)U(kuò)散的根本驅(qū)動(dòng)力；在講解熵的統(tǒng)計(jì)表達(dá)時(shí)，介紹高熵合金的發(fā)現(xiàn)和研究現(xiàn)狀；在講解界面熱力學(xué)時(shí)，介紹采用計(jì)算高溫難熔金屬熔體界面能的方法解決超高溫下液態(tài)材料界面能測(cè)量困難的問題等。

（四）實(shí)踐教學(xué)服務(wù)科研

為了突出材料熱力學(xué)服務(wù)科研的功能和作用，幫助研究生掌握使用材料熱力學(xué)原理解決材料科研問題的方法，我們?cè)诮虒W(xué)中特別注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置。通過課程前期建設(shè)，我們引進(jìn)了包含Nb基合金數(shù)據(jù)庫的PANDAT相圖計(jì)算軟件。該軟件是一款用于計(jì)算多元合金相圖和熱力學(xué)性能的集成工具，面向工業(yè)、研究及教學(xué)的初中高級(jí)用戶，具有功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。利用該相圖計(jì)算和應(yīng)用操作平臺(tái)來指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)學(xué)習(xí)和操作，可以使其親身體驗(yàn)熱力學(xué)原理如何指導(dǎo)材料研究，了解理論對(duì)實(shí)踐的重要指導(dǎo)作用。實(shí)踐教學(xué)增加了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使其對(duì)所學(xué)知識(shí)理解得更加透徹，同時(shí)也讓他們初步具備運(yùn)用CALPHAD（熱力學(xué)計(jì)算相圖）方法指導(dǎo)科研實(shí)踐的能力，為其將來從事相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。

二、教學(xué)方法

（一）板書為主，多媒體為輔

材料熱力學(xué)的課程教學(xué)涉及的公式多、符號(hào)種類多且符號(hào)標(biāo)注復(fù)雜、信息量大，宜采用板書的形式進(jìn)行熱力學(xué)公式和例題的推導(dǎo)、講解。板書的優(yōu)點(diǎn)是講解速度適中、邏輯性強(qiáng)，學(xué)生在做筆記的同時(shí)能加深對(duì)定義、公式和各種符號(hào)的理解和記憶，同時(shí)能緊跟教師講解思路，有利于促進(jìn)知識(shí)的消化吸收。[6]針對(duì)復(fù)雜圖示，如三元相圖的解剖分析等，可采用多媒體課件輔助呈現(xiàn)，這能在節(jié)約教師板書和畫圖時(shí)間的同時(shí)，提高講課效率。

（二）討論式教學(xué)

我們?cè)诮虒W(xué)中挑選章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置討論式教學(xué)環(huán)節(jié)，以加深學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)問題的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的參與意識(shí)與問題意識(shí)。[7]一般在課程結(jié)束后我們會(huì)布置相關(guān)的思考題，讓學(xué)生自由分組，并在下次上課時(shí)派代表上臺(tái)講解，各組學(xué)生針對(duì)講解內(nèi)容進(jìn)行提問和討論并進(jìn)行互評(píng)，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。[8]例如在講解自由能平衡判據(jù)時(shí)，我們以《生物體中球狀蛋白有序構(gòu)型形成的熱力學(xué)解釋》為題設(shè)置討論思考題，以加深學(xué)生對(duì)自由能平衡判據(jù)的理解。

（三）階段性總結(jié)答疑

針對(duì)個(gè)別章節(jié)理論性強(qiáng)、公式多的特點(diǎn)，適時(shí)設(shè)置總結(jié)答疑課，對(duì)章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行梳理和總結(jié)，幫助學(xué)生掌握重點(diǎn)概念、理論和公式，為后續(xù)章節(jié)的講解打好理論基礎(chǔ)。此外，期中和期末組織集中學(xué)習(xí)和答疑，通過對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的梳理、總結(jié)、凝練，制成表格，幫助學(xué)生更快更好地消化所學(xué)知識(shí)。

三、課程考核

考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相呼應(yīng)，分別采用閉卷考試、上機(jī)考試和課程綜合設(shè)計(jì)作業(yè)三種考核方式。其中，閉卷考核占比60%，題型以與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的問答題和計(jì)算題為主，主要考核學(xué)生對(duì)材料熱力學(xué)基本概念和理論的掌握情況。上機(jī)考試占比20%，主要考核學(xué)生對(duì)Calphad方法的理解和對(duì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)用能力。課程綜合設(shè)計(jì)作業(yè)占比20%，主要考核學(xué)員利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合能力?？己藭r(shí)以組為評(píng)價(jià)單位，每組3-4人，小組采取自由組合的方式，每組題目各不相同，采用抽簽的方式從題庫中選定。在課程綜合設(shè)計(jì)作業(yè)的完成過程中，學(xué)員間積極討論交流，進(jìn)一步加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。同時(shí)，這也培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、撰寫科技文章的能力及團(tuán)隊(duì)合作協(xié)作意識(shí)，有益于他們即將開展的課題及論文研究工作。從學(xué)生們的反饋看，學(xué)生對(duì)這種考核形式很有興趣且很重視，我們也取得了理想的核效果。

四、結(jié)束語

作為研究生專業(yè)核心課程，材料熱力學(xué)是一門注重理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程。課程教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握熱力學(xué)基本原理，并將其靈活應(yīng)用于材料科研實(shí)踐中。針對(duì)該目標(biāo)，我們?cè)诮鼛纵喌慕虒W(xué)實(shí)踐中著力從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程考核等方面進(jìn)行教學(xué)探索和實(shí)踐。從課堂教學(xué)情況、學(xué)員反饋和考試結(jié)果來看，上述措施增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，提升了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] David R. Gaskell. Introduction to the Thermodynamics of Materials [M]. 4th edition. Abingdon： Taylor & Francis， 2003.

[2] 郝士明.材料熱力學(xué)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3] 徐祖耀，李麟.材料熱力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 西澤泰二.微觀組織熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5] 楊琪，林文松.如何提高《材料熱力學(xué)》的教學(xué)效果[J].教育教學(xué)論壇，2013（41）.

[6] 楊琪.材料熱力學(xué)教學(xué)中提高學(xué)生興趣的探討[J].科教文匯，2013（13）.

[7] 李青春，常國(guó)威，陳淑英，岳旭東.“材料熱力學(xué)”課程教學(xué)改革探索和實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2014（2）.

[8] 楊琪.材料熱力學(xué)教學(xué)中提高學(xué)生興趣的探討[J].科教文匯（上旬刊），2013（5）.

[責(zé)任編輯：陳 明]