“金属与合金”课程教学方法改革

“金属与合金”课程教学方法改革

谷长栋
　材料科学与工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业选修课

2.学科类别

工学—材料科学与工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:要求学生通过本课程的学习，初步掌握现代金属与合金的基本设计原理，并结合金属与合金的组织结构与性能，了解现代金属与合金的作用功能与最新的发展趋势，掌握各种金属与合金的化学组成、组织结构与材料性能间的相互关系；掌握在工业实际应用中如何运用金属与合金的基本设计思想获得高性能金属与合金的技术途径，为进一步深入研究和开发新型金属与合金奠定理论基础。

（2）教学内容:课程内容涉及:①碳化物与金属间化合物的晶体结构、性能与作用，合金元素的强韧化作用；②钢铁材料的设计原理、化学组成—组织结构—性能的相互关系，以及现代钢铁材料的发展趋势；③有色金属合金，包括镍基高温合金、铝、铜和镁合金中合金元素与金属间化合物的作用，材料结构和功能的相互关系，现代有色金属合金的发展趋势。

4.教学对象

材料专业四年级本科生。

5.课程学时与教学场景

课程学时:32学时。

教学场景:多媒体教室。

二、课程教学重点解决的问题

“金属与合金”是面向材料科学与工程学系金属材料专业的学生开设的一门专业理论选修课。传统理论课的讲授方式单调乏味，并且当前材料系所进行的研究课题很少涉及金属结构材料，所以，参加课程学习的学生在课堂上表现较为消极，大多数学生仅为获得学分而来。因此，本课程的教学重点表现为:

（1）提高学生的学习积极性，改变学生被动听讲的教学现状。

（2）更新课程知识点，丰富讲解内容，改变课程内容乏味陈旧的现状，使课程内容具有与时俱进的特色。

（3）改变以教为主的传统教学模式，探索基于问题的学习方式和启发式教学相贯通的教学策略。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对“金属与合金”课程教学的目标和教学中存在的问题，目前本课程采用研究性学习和启发式教学相贯通的教学实施策略。采取的教学方法主要有:延伸拓展性知识点的指导自学，基于问题的探究式学习，结合社会热点介绍金属材料领域的研究进展等，具体阐述如下:

（1）教学内容与当前研究热点问题相结合，体现“探究式”教学模式。社会热点问题经常在学生群体中产生广泛关注和热烈讨论，通过将热点问题与课堂内容相衔接的方式，增强学生主动学习的积极性和汲取知识点的兴趣，从而使学生的听讲方式由“被动听讲”转变为“主动获取”。

（2）展开“提出问题—解决问题”的主要教学思路。尝试在课堂上首先提出问题，让学生阐述自己的理解，然后根据学生的反馈再进行有的放矢地讲授课程主体内容，即让学生带着问题听课，增加学生课堂听讲的注意力。

（3）举办研讨课:围绕社会热点问题，提前布置作业，让学生自己查阅资料和文献，就热点问题中所涉及的金属与合金的设计相关的知识进行深层次挖掘，从而体会金属结构材料设计过程中所体现的合金化规律，对课程内容有更深的理解。

（4）考核方式转变:从原先的平时成绩比重较轻向平时成绩比重增加转变，平时成绩权重增加至60%，平时成绩包括课堂发言和作业。课程的其他成绩通过自主命题的PPT汇报完成。通过这种方式，锻炼了学生的查阅文献能力，增强了学生对知识点归纳和汇报的能力。自主命题的PPT汇报与大四学生正在进行的毕业设计相辅相成，以学生的兴趣为中心，激发学生的主动性，增强学生自主进行科研准备的能力。

（5）及时补充基础知识，巩固学习内容。本课程所涉及概念较多，尤其是需要学生对合金相图，特别是Fe-C相图以及铁碳合金热处理工艺要有较深刻的理解。通过及时给学生回顾相关知识点，可以帮助学生尽快理解新学的知识。

2.具体实施方法举例

（1）体现“探究式”教学模式，教学内容与当前研究热点问题相结合。与本课程相关的社会热点如2011年度公布的诺贝尔化学奖授予准晶的发现。准晶的发现正是与高强度铝合金的研制密切相关，并且中国科学院金属材料研究所的中国学者也在准晶的发现和表征方面作出了非常杰出的贡献。结合本课程的授课内容，在讲解金属材料中的强化相时，穿插引入有关“准晶”的话题，增强学生对于金属材料强化设计知识点的了解和兴趣。并通过作报告的形式，训练学生获得新鲜知识的能力和增进学生对课程知识点的理解能力。类似的社会热点问题还包括中国航空母舰的诞生（对应知识点:高强钢的开发）、跨海大桥的设计（对应知识点:耐腐蚀钢材的设计）、2011年度的国家最高科学技术奖授予金属学及材料科学家师昌绪院士（对应知识点:中国高温合金的开发）等。通过将教学内容与当前研究热点问题相结合的方式，充分发挥“探究式”教学模式的作用，增进学生的课堂听讲主动性和积极性。教学过程中还要求学生阅读多篇高水平研究文献，这些文献都是与本课程内容紧密相关。比如，在首次授课时，重点在课堂讲授了2010年发表在Science杂志上《The future of metals》文献，从而引申出当前金属与合金的研究内容与发展近况，激发了学生的学习兴趣。同时给学生指出，当前有关热强钢、不锈钢等传统材料的研究成果时常也会出现在国际顶尖杂志上，体现出传统材料对于社会发展所起的作用重大。在讲解“结构钢”章节时，提供研究文献《铁素体—马氏体双相钢的组织及性能》供学生课外阅读，结合课堂知识点，体会当前的研究热点。在讲解“弹簧钢”章节时，提供研究文献《弹簧的低温热处理与稳定化处理》给学生，并在课堂重点讲解其中的“稳定化处理”过程，使学生增加对知识点的理解。

（2）让学生带着问题听课，展开“提出问题—解决问题”的主要教学思路:在讲解“调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢”章节时，先提出问题“从合金化原理，比较调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢，并说明为达到相关机械性能所采用的热处理工艺和组织结构”。布置学生事先查阅文献，独立思考，并形成自己的观点。在课堂上，以PPT的形式展现给教师与同学，并接受教师和同学的提问，实现师生互动和生生互动。教师然后针对知识点，对各种钢的成分、组织结构及其性能特点展开讲解讨论。通过这种方式，可以使学生主动地去比较三种材料的设计特点，体会合金化在材料设计和服役性能中发挥的作用。在讲授“耐热钢”章节时，先让学生根据之前介绍过的各种钢种的知识，给出自己理解的耐热钢的特点和耐热钢在设计和使用过程中应该着重考虑的问题，进而根据学生给出的反馈，适当引导学生，把耐热钢的知识点展示给学生。通过这种方式，可以使学生对之前的知识点进行巩固，并通过对比的方式，加深当前知识点的理解。在讲解“不锈钢”章节时，首先让学生考虑“钢铁材料为什么会生锈？不锈钢又为什么不会生锈？不锈钢不锈的机理如何”等问题，通过目前世界上跨海大桥和海洋经济的兴起以及中国航母的诞生，阐明不锈钢或者耐腐蚀钢对国民经济和国防的意义，进而对不锈钢的成分、耐腐蚀机理、性能等进行详细阐述。

（3）举办专题研讨课:针对课程内容特点，以“准晶”为题，展开关于准晶的讨论课。学生通过查阅资料和相关文献，对准晶的发现历史，准晶的概念，准晶的结构特点及其使用性能有了较全面的了解，同时也增加了对本课程关于“金属间化合物相”和“金属强化方式”的理解。学生通过PPT汇报的形式在课堂进行介绍与讨论，效果较好。随着中国第一首航母的诞生，舰艇用钢的研究也成为金属合金的研究热点。新闻报道和研究文献也逐渐增多起来，舰艇用钢是一类特殊的结构钢种，其中涉及高强钢、不锈钢、无磁钢等。就此热点问题，展开研讨课，研讨课主题设为“舰艇用钢的发展”，要求学生广泛查阅资料，给出自己所理解的舰艇用钢的发展趋势。然后根据学生的掌握程度，对知识点进行相应补充。

（4）以材料的“服役条件—工艺—组织—性能”作为讲解主线，让学生头脑中“带着问题”听课。在讲授“高温合金材料”章节时，首先通过简单介绍中国高温合金开拓者之一师昌绪院士被授予2011年的国家最高科学技术奖，吸引大家对高温合金的关注。对高温合金的服役条件进行说明，介绍高温合金材料在使用环境中需要具备高的化学稳定性和红硬特性。然后对高温合金的失效机制进行阐述，引申出提高高温合金的具体举措，比如添加合金元素，形成耐高温的碳化物或者金属间化合物，强化基体等。合金化过程对材料微观结构和使用性能的影响规律也会得到阐明。通过这种探究式讲解思路，可以使学生保持较高的集中力。

（5）通过辩证的思维讲解合金设计中的基本原则。比如材料的力学性能中强度与塑性是一对矛盾，对于高强度钢，往往强调材料具有高的强度，同时也要保持较好的韧性。因此，可以通过传统的强化途径实现材料的强度提高，但如果强化相过多，又会使材料的塑性大大降低，所以对于所采取的强化措施、添加的合金化元素要有量的控制。如何控制强化相的类型、存在形式以及量的多少是高强度结构钢设计原则中的关键。

（6）课堂中穿插播放部分视频，主要介绍部分工厂中采用的合金加工工艺和钢铁的发展现状等，增加学生对工业生产的感性认识。

（7）考核方式从原先的平时成绩比重较轻向平时成绩比重增加转变，平时成绩增加至60%。平时成绩包括出席、讨论课发言与提问、PPT讲解等。课程的其他成绩通过自主命题的PPT汇报完成。自主命题的题目范围较宽，比如可结合大四学生所进行的毕业设计和SRTP科研训练，如果与金属与合金课程内容相关联的可以做一下介绍，也可以选择自己感兴趣的一种钢种，介绍其合金化原理。总之，自主命题的内容要求体现出金属材料的合金化设计思想、微观结构表征以及相关的性能介绍。通过这种方式，锻炼了学生的查阅文献能力，增强了学生对知识点归纳和汇报的能力。自主命题的PPT汇报与大四学生正在进行的毕业设计相辅相成，激发了学生的主动性，使学生的自主科研能力得到增强。

3.教学方法特点分析

本课程采用探究式教学模式，归纳起来，有以下特点:

（1）与时俱进的启发式教学:本课程内容主要涉及金属的合金化理论，具有知识点零碎陈旧等特点。通过结合当前社会所关注的热点问题，赋予金属与合金材料更深层次的意义，提高学生的关注度，启发学生的学习兴趣。

（2）基于问题的互动式教学:在教学方法的设计中，引入研讨课的形式，实现“师生互动”和“生生互动”，锻炼了学生查阅文献能力和科研汇报能力。

（3）考核方式的转变:考核方式有原先的一次大作业转变为全方位课程考核，更注重学生的平时积累。而且作业充分体现学生的主动性和参与性，调动学生查阅文献，并将文献研究内容与课程讲解内容相结合，所以教学效果不仅体现在知识的掌握上，更体现在思维方式的改变上。特别是采用了自主命题的PPT汇报形式进行期末考核，这种方式与大四学生正在进行的毕业设计相辅相成，以学生的兴趣为中心，激发学生的主动性，增强学生自主进行科研训练的能力。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

本课程采取全方位课程考核方式。在课程考核上，将所有教学环节纳入其中，课程的综合成绩由平时成绩（60%）和期末自主命题的汇报考核（40%）构成。

2.教学支撑手段

成绩构成:平时成绩60%，期末自主命题的汇报40%。

平时成绩构成:研讨课参与讨论15分，读书报告15分，布置作业共25分，出勤5分。

期末自主命题的汇报以PPT形式，占40分。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

该教学方法在2010年开始实施，目前已在两届学生中采用。受益学生数量10人/年左右。2011—2012学年冬学期选课学生为7人，教学评价为“优秀”。2012—2013学年冬学期学生选课数量目前增至31人。

学生典型评价:

“谷长栋老师个人知识渊博，在课堂上能够将书本死板的知识与当今金属合金研究最新现状，通过寓教于学的方式，将其传授给学生，并能够主动引导学生进行课余自主搜索学习新的知识。课堂上，老师鼓励学生上台分享自己的作业成果，以灵活化的方式对其成绩进行评定，而非仅仅局限于一个标准答案；同时，本次课程的最终考核方式为PPT展示，限主题而不限内容，并且提倡学生将其与目前的毕业设计、SRTP等科研训练项目挂钩，可谓考核方式中的一个创新，带动学生积极性的同时，能够将知识与学生的实践挂钩，使其能够讲得深，值得以后课程中继续沿用。总之，本次课程，谷老师能够较好地通过一些创新性的教学方法，让学生对于金属与合金这个领域有所认识，同时提高学生对于这类材料的兴趣。”——周鼎（2009级本科生，学号:3090102563）

2.推广性分析

本课程教学方法的实施需要有以下条件支撑:

（1）需要小班教学。由于课程学习有采用研讨课的方式，并且作业和考核均采用PPT课堂汇报，如果教学班人数过多将难以保证教学质量和效果。

（2）需要有技术手段支撑。任课教师需要热心投入，与时俱进，紧抓社会热点与本课程的相关性，实时更换作业题目。学生具有科研训练的经历，具备网络检索科研论文的技能。

（3）需要学生花更多的时间和具有良好的学习主动性。因为课程中有研讨课和作业的完成，学生需要主动查阅相关文献，独立思考作业问题，准备课堂汇报材料，这些均需要学生花费更多的课外时间和具有良好的学习主动性。

六、课程教材及实验参考书

［1］Lu K.The future of metals.Science，328（2010）:319.

［2］戴起勋.金属材料学.北京:化学工业出版社，2005

［3］吴承建等.金属材料学.北京:冶金工业出版社，2010

［4］金属材料或结构材料类相关学术期刊，如《金属学报》、Acta Materialia等.