材料科学与工程基础知识范文

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第1篇

（1）公共基础实验

主要包括物理实验、化学实验、计算机基本操作实验、电子电工实验等。

（2）专业基础实验

主要包括材料科学基础实验、材料工程基础实验、材料研究与测试方法专业基础训练及综合实验。依据相应课程大纲，每门课程至少开设4个实验项日，且能支持专业培养日标的达成。

（3）专业实验

主要包括专业技能训练、材料制备与性能综合实验等。要求开设材料的力学、热学、电学等性能相关实验至少7项，同时完成至少1种材料的制备，包括原料的选择—配方计算—工艺方案设计—制备—相关性能测试及结构分析等全过程训练。

2、材料物理

学科基础知识被视为专业类基础知识，包括材料科学基础、材料工程基础、材料结构表征等知识领城。

（1）材料科学基础知识包括材料结构、晶休缺陷、相结构与相图、非晶态结构与性能、固体表面与界面、材料的凝固与气相沉积、扩散与固态相变、烧结、变形与断裂、材料的电子结构与物理性能以及材料概论等。

（2）材料工程基础知误包括流体流动基础、热量传递、传质过程及其控制、材料及其产品设计、选材、制造加工成型以及失效分析等方面的基础知识，工程制图、机械设计及制造础、电工电子学等。

（3）物理化学知识包括气体、热力学第一定律、热力学第二定律、多组分系统热力学、化学平衡、相平衡、化学反应动力学、电化学、表面现象和胶体分散系统等。

3、冶金工程

主要课程：冶金工程概论、传输原理、金属学原理、金属材料及热处理、冶金物理化学、钢铁冶金学、有色金属冶金学、材料现代分析方法耐火材料等。

第2篇

关键词：材料科学与工程；材料科学基础；应用型本科教育；课程改革

在现代科学技术中，材料科学是国民经济发展的三大支柱之一。近年来，我国在材料领域的发展突飞猛进。目前，国内众多知名高校已经开设了材料科学相关专业，如清华大学、北京科技大学等开设了金属材料学科；北京化工大学、浙江大学等开设了高分子材料；西北工业大学、中南大学等开设了材料加工学科等。2016年，合肥师范学院成功获批了材料科学与工程专业，并开始招生。作为应用型高校，该学科的建设处起步阶段，虽经过3年的教学实践，但在专业课程设置、教学方法以及考核模式等方面存在很多的问题亟待解决。

1课程教学的问题剖析

材料科学与工程是研究材料的成分、组织结构、制备工艺和使用性能以及四者之间相互关系的学科，因而将成分、组织结构、制备工艺和使用性能成为材料科学的四要素，把四者联在一起就构成了材料科学四要素的四面体结构，如图1所示。《材料科学基础》这一门课程便是以材料科学四要素为主要内容，从教学要求出发，着重于基本概念和基础理论，并引导学生应用理论解决材料工程中的实际问题。该课程中材料学知识十分复杂，理论性强，涉及大量的名词、概念等等，要求学生具有扎实的数学、物理和化学基础。而对于我校本科生而言，大多数同学数理化基础比较薄弱且在学习该门课程之前并未系统的学习过无机化学、物理化学等课程，因此在教学过程中会产生一系列的问题，主要表现为以下几个方面：第一，该课程的部分内容理论性强且难度大，涉及大量的数学推导过程和复杂的文字解释，使同学们难以理解和识记，因而易产生抵触情绪，教学效果不理想。第二，在国内大部分高校，包括我校，目前该课程的教学方式仍以板书与多媒体教学相结合的方式。这种教学方式以文字、公式推导和曲线图为主，图片、视频等影音资料很少，使得学生上课期间缺乏兴趣，难以集中注意力；第三，该课程的考核模式以考试为主，且占比很大。考试内容多以课本上的概念、定理以及理论计算为主，应用类题目较少涉及，因而难以达到指导学生应用已学知识解决实际工程问题的教学目标。第四，目前国内外材料科学发展更新迭代较快，新材料、新技术、新工艺层出不穷，书本上的内容较为有限，在教学上应用部分课时讲授材料前沿发展方向及应用，为学生就业及科研提供参考，培养学生的创新思维。第五，材料科学具有理论知识与应用广泛结合的性质，在教学上，应该适当培育学生们的科研及实践能力。因此，基于以上教学经验中出现的问题，结合材料科学的特点，本文将以“夯实基础、注重应用”为指导，探索该课程在教学内容、教学方法和考核模式等方面上的优化设计。

2课程教学的改革措施

2.1夯实理论基础

材料科学基础涵盖较多的基础概念，这些概念与科学研究及实际应用都有深刻的联系。基础知识的掌握程度对于学习材料科学非常重要。无论是前沿研究还是基础应用，都需要有扎实的基本功。如利用高分辨透射电子显微镜研究材料结构时，需要掌握材料中原子排列的相关知识，包括晶面指数、倒易空间等；针对材料的拉伸或压缩过程，需要掌握材料的弹性模量、屈服强度。同时，相关概念不仅仅只用于某一个领域，如关于材料结构，即可用于分析材料的相变，又可用于分析二维材料的电磁性能。原子的扩散，即可用于研究金属的热处理，又可用于研究锂离子电池。材料科学基础的相关概念复杂难懂，且课时有限，教师在授课时应将相关概念的背景、定义及应用讲清讲透，确保学生理解和掌握，积累扎实的理论基础知识。

2.2培养实践能力

材料科学基础是一门理论知识与实践相结合的学科。其中，相关内容是从实践的基础上总结提炼得到的，如材料的相变，相图的制作是根据各个成分及温度下，进行热处理得到的结果。本科生仅仅学习书本上的内容，很难建立起直观的认识。在课程学习初期，教师应将材料科学基础的理论知识与实际应用相结合、抽象概念与具体图像相结合，以直观性的事物或图像引导学生对抽象性的理论进行掌握。如在学习晶体结构时，可用实物模型展示晶体的FCC、BCC等结构。在讲解原子扩散时，提示学生通过想象构建原子在材料中运动的图像。

同时，为使学生更加全面的理解所学内容，建议学校开设一定学时的实验课程，如材料的热处理过程、材料的力学性能、材料的微观结构等等。使得在提升运用理论知识分析解决实际问题能力的同时，进一步巩固自己的知识体系。此外，本学院的教师均有科研经历，研究方向各有侧重，如计算材料学、太阳能电池，催化、二维材料等等，有丰富的实验经历及理论知识。因此可以鼓励学生在课外时间积极参与到教师的相关课题研究中，针对发现的问题，结合所学内容加以分析，进一步加深对知识的理解与应用。

2.3丰富教学方法

首先，科学合理控制每课时授课量。确保知识点高质量的被学生吸收，而非对学生进行数量上的灌输。其次，调节授课内容的输出速率。通过板书、调节语速等方式，在难点、重点如材料中的缺陷、扩散等知识点上讲懂讲透，使学生对所学内容充分吸纳和梳理。再者，利用多种方法将相關概念实物化、图像化。在学习材料的结构时，可以通过硬球模型展示材料中FCC，BCC等简单晶体结构。在学习材料的力学性能时，可以利用多媒体技术，展示材料在受到压缩或拉伸时的变形过程。此外，利用现状网络技术进行学习。利用微信、QQ等网络技术，建立课堂内容学习交流群，以便及时上传教学内容、作业，分享参考书目，解决问题等。让学生充分利用课余时间主动学习，及时解决遇到的问题，进一步提高授课效率。

2.4把握学科前沿

近几年，材料科学发展日新月异，前沿热点难点时常更新，新材料、新技术、新工艺层出不穷。然而书本上的内容较为有限，针对材料科学的前沿进展，在课堂教学时应设置部分学时介绍材料科学相关进展，讲授基础知识在相关领域的应用，启发学生的创新思维，为学生就业及科研提供参考。结合现有条件，可以邀请相关领域教师来校开展专题知识讲座，讲解本领域的研究现状、前沿进展。授课教师也可以利用网络技术，建立微信群或者微信公众号，向学生推送材料领域最新的成果，文献或者方法等等，营造良好的学习氛围，培养学生对材料领域的兴趣。

2.5完善考核方式

目前，对于材料科学基础的评分方法，总成绩中期末成绩占到70%，平时成绩占30%，其中在平时成绩中平时作业占主要比例。由此可以看出最终成绩主要取决于期末考试的成绩，而平时成绩主要取决于平时作业。结合教学经验发现以下问题：①关于期末考试。仅仅只在期末考核一次，会造成学生在期末阶段突击学习，而忽视了平时的积累；②关于平时成绩。平时作业在总分中占据20%左右的比例。学生往往偏重平时作业，而忽视其他课堂表现。教师难以对每个学生的课堂表现作出準确评价；③材料科学是一门实践性和应用性较强的课程，在本课程的教学过程中缺乏相应的实践课程。因此难以培养学生的实践能力。鉴于以上因素，可以在材料科学基础一课的成绩评定制度上进行如下改进。

一是引入阶段性考核。首先，建议在第9周前后增加一次期中考试。在检验前期所学内容的同时，及时发现问题并整改。将期中考试的成绩按照一定比例纳入到总成绩中。在期末考试中，主要考核后期的学习内容，前期的学习内容也要有所涉及。其次，提高课堂表现的分值比例，建立周期性的课堂问答方法，如按照学号让学生参与教学环节，确保至学习结束时每人都有机会能参与到课堂教学。对于主动提问，经常与教师讨论问题的学生给予较高的平时成绩。

二是设立相关实验课程，考核实践能力。材料科学是一门注重实践的课程，书本上的知识点最终要运到到材料的实际性能、制备及应用上。纸上得来终觉浅，通过实践考核可以综合考查学生对于材料科学基础知识点的掌握程度。如通过实验方法画制Fe-C相图及分析合金的力学性能等。在画质Fe-C相图时，培养学生学会对FeC合金进行热处理，得到不同成分下的合金相，并在显微镜下进行观察、分析合金相的形成过程。在分析合金的力学性能时，培养学生学会如何对合金进行拉伸或者压缩，并绘制应力应变曲线。进一步掌握根据得到的曲线分析合金的塑性变形、弹性变形及屈服强度等。

三是增加研究报告的考核形式。结合材料科学基础的特点，由教师罗列出热点领域，在班级分成若干小组，每个小组自行选取兴趣领域，形成研究报告，并在课堂上以PPT的形式进行报告。讲述该领域的发展现状及问题，形成PPT并向老师和同学做报告，最后形成综合评分。这一考核方式有助于培养学生的协调组织能力及团队意识。在促进学生自身思考以及激发学习主动性的同时，也能让学生及时了解最新的国际研究动态。

第3篇

《材料科学基础》课程是从事材料科学研究所必须具备的基础理论，是材料科学与工程学科一门重要的专业核心课，也是学生接触的第一门专业课，对后续专业知识的理解和掌握有着至关重要的作用。该课程涵盖了材料科学与工程专业下的所有二级方向的基础理论，它将金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料的基本理论融合在一起，提炼了各种材料共性的基础知识，从材料的组织结构出发，研究材料的性能与材料结构和制备工艺之间的关系，内容涉及晶体的结构、晶体的缺陷、凝固与相图、变形与断裂、回复与再结晶、扩散、钢的热处理原理及常用热处理工艺等方面的基础理论和研究材料学有关问题的基本方法，学生通过该课程的学习，除了可以掌握材料领域相关的基础知识，更是能够学会分析、解决科学研究或工程应用过程中遇到的实际问题，为从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的基础。该课程涉及的内容广泛、抽象，理论较深，晶体结构和晶体缺陷部分还包含许多复杂的图形，比如晶体的空间结构、晶体缺陷的形成过程、位错的交互作用等，另外三元合金相图部分也很枯燥、抽象。因此在授课过程中，教师感到难教，学生感到难学。为解决这些问题，本教学课题组在教学内容、教学方法与教学手段的改革等方面进行了有益探索和实践，旨在提高该课程的教学质量和教学效果。

一、教学内容优化

哈尔滨工程大学《材料科学基础》课程主要针对材料科学与工程专业开设，材料科学与工程专业下设金属材料与表面工程、材料成形与控制工程、无机功能材料、高分子和复合材料四个方向。根据学校厚基础、宽口径的人才培养要求，选用由赵品主编，哈尔滨工业大学出版社出版的《材料科学基础教程》，该教材是高等学校“十一五”规划教材。教材内容以金属材料为主，但存在部分章节内容不够具体深入的问题。因此，授课过程中参考了胡庚祥主编，上海交通大学出版社出版的《材料科学基础教程》，对教学内容进行了重新组合遴选，遵循以金属材料为重点，以材料成分-组织结构-制备工艺-性能之间的关系作为主线，提炼出材料的共性规律，并辅以包括晶体结构、晶体缺陷、金属凝固、二元和三元合金相图、金属材料中的塑性变性与断裂、回复与再结晶、扩散、金属固态相变等的相关内容，适当地增加与课程内容相关的材料实例来进一步阐明材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的内在联系，增强学生的理解能力。考虑到本校材料科学与工程专业的四大方向，在重点介绍金属材料理论体系的前提下，要考虑到全部材料领域的基础理论范畴，并站在科学体系层面上进行课程内容的整合，兼顾到金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等的各自特性，利于学生在更宽阔的视域中掌握材料科学的基础知识。并紧跟学科发展，将材料科学的发展前沿知识与最新科研成果融入课堂，及时补充到《材料科学基础》课程教学内容中，这样既可以保持教学内容的新颖性，又可以开阔学生的视野，使学生对相关科研领域的国内外发展动态有所了解，并可能从中产生一些新的想法。教师在教学过程中也可以穿插适当的科研实例，有意识使学生接触前沿科学知识，调动学生的学习积极性，提高学习兴趣和创新意识，变被动学习为主动学习，以兴趣引导学习，势必事半功倍。同时，根据我校的特色，尝试将课题组或相关学科的科研成果渗透入课堂教学，有重点、有针对性地引入诸如用于船舶工业中的合金、用于海洋装备上的材料等知识。增强教学的时效性，使学生感觉学有所用，加强理论知识与生产实际的联系。

二、教学方法改革

传统的教学方法主要以教师课堂讲授、板书为主。但是材料科学基础涉及的理论知识比较复杂、抽象，较难理解，如晶体的空间结构、显微金相组织、三元合金相图、金属的塑性变形等许多概念和知识都是学生难以想象和教师难以用语言描述的。对这类内容仍采用传统的授课方法，会导致学生学习的难度大，兴趣差，教学效果不佳。所以有必要对传统的教学方法和教学手段进行改革。相对传统的教学方法，多媒体教学具有直观、形象、生动的特点，而且它传授的知识量更大。但是，多媒体教学的使用往往导致教师把更多的精力放在课件的新颖性和备课的便捷性上，理解不到位而囫囵传授的情况和过量灌输的事情时有发生。针对这种情况，应该采用多媒体教学与板书相结合的方式，注意教学过程中信息的传递量和教学内容的科学性、先进性。将多媒体教学与板书相结合，可弥补板书在时空上的不足，使抽象的知识形象化，同时能够增加课堂信息量，开阔学生思维。例如，晶体结构中面心立方和密排六方结构的空间堆垛、晶体结构缺陷中位错的形成和运动过程、晶体结晶和固态相变过程中的形核及生长过程、三元合金相图的各相区划分、金属塑性变形的滑移和孪生过程等内容都是教学中的重点和难点，学生理解起来很困难。如果采用多媒体技术中的二维或三维动画对这些内容进行演示，就可以使其更形象和生动化，便于加深学生对这类内容的理解，明显地提高教学效果。但是教师在授课过程中还不能过多地依赖多媒体教学，如果一味地应用多媒体授课，学生也可能会因为课件变化快或信息量过大而难以消化，反而影响学习的积极性。因此，有效的方法是将多媒体课件与板书相结合，二者相互取长补短，而且在授课过程中，将二者恰当有效地结合也是提高教学质量和教学效果的关键。教学内容中涉及到的一些基本理论和公式应使用板书的方法讲解，这样在基本理论或公式的推导过程中，能够给予学生充分的理解时间，引导学生全程跟住教师的思路，更好地理解和掌握，还可以调动学生参与的积极性。涉及到的新材料开发、具体制备工艺和加工过程以及应用情况，可以通过视频形式更形象、直观地来帮助学生理解，加强学生对基础知识与实际生产联系的理解，同时也激发学生对科研的兴趣。

此外，在教学过程中要坚持“以学生为主体、教师为主导”的理念，采用集引导法、讨论法、案例法于一体的教学方式，充分调动学生在课堂上参与的积极性和主动性。每次在讲授新内容之前，可以结合工程实际列举相关的科研或生产实例，提出需要解决的问题，在此基础上引出解决问题所涉及到的理论知识，进而引出授课内容，这样不仅可以激发学生的学习兴趣，而且可以启发学生理论联系实际的思维方式。授课过程中，注意各章节内容的前后贯通，说明各部分内容之间的相互关系，理清各知识点的联系和区别，体现课程教学的整体性，使课程内容清楚、简单。转换教学内容时，一定要交待交代清楚前后两部分内容间的衔接关系，以使学生明白课程教学内容的延续性、完整性以及编排的必然性。

授课时可以结合教师的科研课题，引入基于项目的课堂教学方式。教学中引入部分科研工作的内容，引导学生从科学研究成果中学习基本概念，将死记硬背的一些枯燥无味的抽象概念变为探究和解决问题的手段，增加学生的兴趣，提高学生对理论知识的理解和掌握程度，激发科研兴趣。同时将科学研究方法和手段融入教学中，使教学真正成为培养学生创新能力的重要环节。

三、实践教学方法的应用

材料专业基础课，是培养学生科研能力和创新能力的重要课程。在教学时必须注重理论和实际的紧密联系，在课程安排上要坚持理论授课与实验操作齐头并进。我校通过独立开设的《材料科学基础》实验，不仅有利于加深学生对理论知识的理解，培养创新思维，而且还有利于锻炼学生的动手能力，使他们愿意去主动探究，培养学生从事科研的能力。我校开设的《材料科学基础》实验分为三个环节，即验证性实验、设计性实验和创新性实验。其中，验证性实验是使学生验证已学过的理论，巩固和加深对已学过知识的理解。对于某些未能开设的实验，在课堂上以图片、动画或插播媒体文件的形式展示实验过程和实验结果，从而使学生对所学知识的理解更加透彻。在此基础上，通过开放实验室，进行设计性实验和创新性实验，主要培养学生综合应用所学知识的能力，提高学生亲自设计实验、解决工程实际问题的能力。在这三个环节的实验中，将设计性和创新性实验教学列为重点，通过这两个实验的开设，可以加强学生实践能力和创新能力的培养。也可以通过为大二或大三对科研有兴趣的学生配备导师，让他们参与到某些教师的科研项目中，这样可以让学生尽早地把所学的理论知识真正应用到实践中，从而锻炼学生从事科研工作的能力、掌握科学的研究方法和培养创新思维。

四、结语

通过多年的教学实践，对《材料科学基础》课程的教学内容、教学方法和手段进行了有益的探索和研究，取得了较好的效果。通过课程内容的优化、引入材料科学发展的前沿知识和基于项目的课堂教学模式，提高了学生的学习和科研兴趣。应用实践教学的方法，使学生更好地掌握基础理论知识，提高分析问题和解决问题的能力，增强创新意识。

参考文献：