材料热力学课程建设的探索

[摘 要]课程建设是教学质量工程建设的主要内容，材料热力学是材料科学与工程专业的专业基础课，针对材料热力学的课程特点，通过精选教材、调整教学内容、改革教学方法和考试方式，改变学生应试教育的学习方式，激发学生的学习兴趣，培养学生自主解决问题的能力，为材料热力学的课程建设起到积极作用。

[关键词]材料热力学 课程建设 教学改革

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）21-0110-02

课程建设是促进教学的有效手段，也是提高教学质量的有效措施。一般来说，课程建设包括教材选用、教学内容选择、实验教学和教学方法等方面。笔者从上述几个方面对材料热力学课程建设进行一些初步探索。

一、精选教材

心理学和教学经验反复证明这样两条原则：第一，凡是过浅过易的教学内容，会降低学生的学习兴趣；第二，凡是过深过难的教学内容，也会降低学生的学习兴趣。材料热力学作为材料科学与工程专业的基础课程，有多个版本的教材，可选择的范围较广。笔者在材料热力学的教学过程中体会到徐祖耀等人编写的《材料热力学》和郝士明等人编写的《材料热力学》比较适合本科生深层次的学习或作为研究生的教材，相比之下，江伯鸿编写的《材料热力学》要浅一些，考虑到我校材料科学与工程专业学生的学习基础，因此我这几年一直使用江伯鸿编写的《材料热力学》作为教材，使用李洪晓等人编写的《材料热力学习题与解答》作为教学参考书。

二、调整教学内容

（一）侧重典型例题的讲解

教材选择后，教学内容的选取与优化成为课程建设的关键。材料科学与工程专业是研究材料制备、组成、组织结构与性能之间关系以及材料应用的学科，因此相变是材料科学与工程专业学生学习的重点。《材料热力学》前半部分主要讲述热力学的基本概念原理，后半部分主要讲述热力学原理在相图和相平衡、表面和界面等领域的应用。学生在学习材料热力学以前已经学习过物理化学，热力学的基本概念原理在物理化学课中都已经讲过，但是考虑学生对物理化学的知识掌握得不太好，我在材料热力学前面几次课中安排热力学的基本概念和原理的复习内容，重点讲述热力学基本原理在材料科学中的应用，比如：选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用，选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等。我将教学重点放在热力学原理在相图和相平衡、表面和界面等领域的应用，主要包括相律及其应用、单元系的相平衡、二元系的相平衡、曲面热力学和表面吸附等方面内容。

笔者在材料热力学的教学过程中一直以热力学基本原理在材料科学中的应用作为教学重点，因此在课堂上我一般只对构成材料热力学理论框架的重要定理和公式进行简单地推导，对于其他定理和公式，我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围，不做详细的推导，而把教学重点放在这些定理和公式应用上。我从李洪晓等人编写的《材料热力学习题与解答》中精选出一些与材料科学密切相关的典型例题作为课堂讲解的内容或者作为学生课后的作业，从科研项目和企业生产实践中精选出一些与实践密切相关的案例补充到授课内容中，以培养学生运用理论知识解决实际问题的能力。

（二）增加与实践相关的内容

材料热力学向来是以抽象的理论、复杂的推导和繁琐的计算为特点，若在课堂讲授中从理论到理论，只注意基本概念的讲解、数学推导及计算，学生会感到枯燥无味，产生厌学情绪。我在材料热力学教学中，引入很多实践环节的内容，使得枯燥的理论和鲜活的实践相结合，激发学生的求知欲。笔者经常将科研内容融入教学内容中。有一些学生参加过钛基激光熔覆层方面的大学生创新研究，我在讲解自由能判据这部分内容时会引入钛基激光熔覆层中原位合成TiB和TiC增强相这部分科研内容，说明自由能判据在复合材料中原位合成增强相方面的应用。我的一个科研项目是有关无铅滑动轴承材料制备工艺的。在这个项目中，我使用碳纤维替代铅青铜涂层中的铅组元以提高滑动轴承材料的耐磨减摩性能。我将这部分科研内容引入表面和界面这一章中，向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。笔者也经常将企业生产实际融入教学内容中。在讲解封闭体系的热力学基本方程时，我会举金刚石工业生产的例子以说明公式（αG/αT）P=-S和（αG/αT）T=V的应用。我曾经做过一个有关特种粉末的产业化生产项目，为了节约水资源和满足政府的环保要求，我采用反渗透将生产过程中产生的氯化铵废水进行纯化，循环使用。在讲解渗透压这部分内容时，我引用这个例子来说明如何根据废水中离子的浓度计算出渗透压，进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。

（三）引入实验教学内容

在高等教育中，实验教学在学生综合能力和创新能力培养中，起着理论教学无法替代的特殊作用，如学生通过实验课学习多方面的实际知识技能，在他们毕业走向社会后，这些知识和技能与所学到的理论知识一样重要，有的则比理论知识更早、更快地发挥作用；通过实验教学可以开拓学生的思路，激发探索精神，培养学生分析问题、解决问题的能力和归纳综合能力；通过实验教学可以训练学生从事科学研究的能力；实验教学使学生在不同程度上接触与科学技术相关联的，使他们能正确对待和解决与科学技术的关系，这对学生走出校门后能较快地适应社会形势的要求有积极的作用；同时实验教学也可以消除或减轻学生对科学研究的幻想，使学生对科技事业的艰苦性和平凡性有一定的思想准备。江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验方面的内容，为了弥补这一缺陷，我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机用于相图计算”两部分实验内容。

三、改革教学方法

（一）应用讨论式教学，提高学生的参与度

讨论式教学法强调在教师的精心准备和指导下，为实现一定的教学目标，通过预先的设计与组织，启发学生就特定问题发表自己的见解，以培养学生的独立思考能力和创新精神。我在材料热力学的授课过程中非常重视讨论式教学方法的应用。我会结合刚讲授过的材料热力学知识，设计一些与科研和工程密切相关的问题，让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时，我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解，其他同学提问，最后老师点评和总结，以培养学生自主解决问题的能力。

（二）采用板书和多媒体相结合的教学方式

笔者在讲授材料热力学时，通常采用板书的形式，因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来，让学生们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频，增加信息量，节约教师板书和画图的时间，提高讲课效率，我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程，但学生们反映多媒体讲课速度较快，跟不上教师的解题思路，影响师生之间的交流。近年来，我倾向于以板书为主，多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上，使同学跟上老师的讲课思路，对于一些抽象难懂的概念，我经常找一些图片和视频，使讲授的知识更直观、形象和生动。

四、改进考试方法

考试是知识水平的鉴定方法，大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关。学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转，因此如何用好考试这根指挥棒，对提高教学效果至关重要。由于材料热力学的概念多、公式多且难以记忆，因此采用闭卷考试学生要花费较多的时间和精力去背概念和记公式，难免与运用热力学基本概念和基本原理解决材料科学问题的教学目标相违背。我倾向材料热力学采用开卷考试的考核方式，在试题的设计上，避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目，而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本概念和基本原理解决问题的题目，问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的，必须掌握热力学基本概念和基本原理以及实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式，改变学生在应试教育下形成的学习方式，明确学习目的，提高自身运用知识解决实际问题的能力，养成独立思考的习惯。

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