新工科理念下材料热力学课堂案例教学创新与实践

凌意瀚 马振凯 欧雪梅

[摘 要]作为材料科学与工程专业研究生的专业基础核心课程，材料热力学的根本任务在于培养研究生将热力学基本原理应用于材料科研实践中的能力。以中国矿业大学研究生课程材料热力学为例，从教学设计及实践的革新入手，对课程的教学内容、教学方法和考核等进行探索和实践，以提高研究生专业核心课程材料热力学的教学效果。在新工科理念下，通过重组和优化整个课程教学体系，探讨形式多样的教学方法，改革实验教学内容。

[关键词]材料热力学;案例创新教学;教改

[基金项目]2019年度中国矿业大学研究生教育教学改革项目“新工科理念下《材料热力学》课堂案例教学创新与实践”（2019YJSJG030）

[作者简介]凌意瀚（1986—），男，安徽池州人，博士，中国矿业大学材料与物理学院博士生导师，特聘研究员，主要从事新能源技术—燃料电池研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）32-0246-02[收稿日期] 2019-12-24

材料热力学是材料科学与工程学科研究生教学用书之一，是本科生材料热力学的进一步深入。材料热力学的编写目的是帮助研究生进一步掌握热力学理论，并能进行材料热力学研究。该门课程主要涉及经典热力学和统计热力学理论在材料中的相和组织形成规律方面中的应用，以及材料在制备与加工过程中的动力学问题。该课程包括了很多的数学表达内容，一系列的数学推导公式使得学生难以理解，这表现了该课程的理论性强、数学表达式多以及学习的挑战性。同时该门课程对教师的教学也具有很高的要求。改进教学方法，提高这门课的授课效果，调动学生的学习积极性显得尤为重要。本文着重从教学方法、互动性以及考核方式等三方面进行教学改革，以更好地提高教学效果，激发学生学习兴趣。

一、传统教学模式的不足

中国矿业大学材料工程与科学在60余年的发展历程中不断改革创新，求是进步，以培养“高素质、强能力、应用型”专门人才，为我国材料行业人才队伍添砖加瓦为己任，努力提高教学的质量。但是学院传统课堂教学仍有很多不足，例如忽视了学生的课堂主体，同时该课程包含了许多抽象难懂的公式内容[1-3]，这些因素导致学生们反映该门课程，理论性强、公式多、难以及时跟进。教学方法单一、枯燥，容易使学生失去学习兴趣，不利于学生对教学难点的掌握。通过学习观察比较，我认为在传统课堂教学中主要存在以下不足：

（一）课程教学模式单调

目前大学课堂中教学手段通常以老师的单独授课为主，即老师在上边讲述推导复杂的公式，但是由于该课程的复杂和晦涩难懂，部分学生难以及时理解并做好笔记。有一些教师先入为主地引导，按照预备的PPT和课堂备案来讲解，牵着学生的鼻子走，有填鸭之嫌，并且当代学生参与互动的积极性也普遍低下，导致单方面的教学，严重制约了学生发散思维的培养。

（二）考核方式不够科学

大学对于各科的测试，不仅仅能够测评学生们的水平以及他们对于知识的吸收情况，也可以给予教师能力的肯定。材料热力学与动力学课程考评的主要方式仍采取的是笔试，但这并不能够作为评价学生的唯一标准，一般学生们的最终成绩并非只是由期末的笔试成绩决定，因为它基本无法将学生们的学习情况好坏进行科学的测评，也不可以判断学生在平时能否熟练运用所学知识。考评成绩一般由期末的开卷笔试、作业和平时成绩三部分组成。课程考试占总成绩的70%，作业和平时成绩一共占30%。这个比例导致一锤定音，在考试前学生突击基本可以通过，导致学生知识掌握不够扎实，仅为考试而学。

（三）互动性不足

随着科技的发展，手机、多媒体的应用导致学生在课堂上的互动性越来越差。教师的多媒体教学导致部分学生在学习过程中遇到困难，就不再去跟进教师烦琐的黑板板书的公式推导和理论讲解，而期待着课后PPT的下载，而对于一些课堂问题的答案，现在大多数也可以通过各类搜索引擎得到相关答案，这降低了学生思考的主动性，同时也降低了教师与学生之间对于问题的讨论与互动。

二、创新教学与实践方案

案例教学以其新颖生动的特点受到师生的喜爱。传统的案例教学主要是以教师为讲授主体，以知识传授为主要渠道，对学生进行理论灌输，难以适应当前国家对于创新性工程人才的培养要求[4-5]。从整体上讲，創新性案例教学的特征体现在以下几个方面：

（一）选择具有吸引力的案例与教学工具

在材料热力学课程教学中，为使抽象的教学内容更直观化和形象化，通过增加典型实物型的教学道具进行辅助教学。例如，在讲授三元相图时，使用三维实体模型来描述温度、组成与相态之间的典型关系，利用COMSOL等软件来描述温度、组成与相态之间的数学关系。在课堂上通过使用各种模拟软件例如FLUENT、COMSOL、CHEMKIN等教授相关案例教学，同时布置相关课堂作业，使学生通过课堂学习之后再通过模拟软件作业的方式亲身参与到案例和学习中来，通过自己动手来达到知识的融会贯通。让学生们在课堂上能够直观地理解材料的组织、结构的变化，从而实现教学水平的提高。

（二）以学生为中心

传统的案例教学以教师为中心，进行填鸭式的教学，学生被动地接受老师授予的知识，而不去消化吸收，还有的满堂问，大都是齐答，有相当一部分学生是随声附和。创新性案例教学则是将学生主体放置在核心的位置上，充分强调学生在案例教学中的地位，充分调动学生的好奇心。从学生实际出发;根据学生的知识水平与心理特点，找出能诱发他们思维的兴趣点来问，注意生成性的问题;在教学实践中大胆地探索和尝试，把课堂、时间和练习的机会还给学生。在这种理念和实践中充分相信每个学生，让每个学生不同程度地取得进步，最终达到学会的目标。

（三）注重学生能力培养，考核方式优化

注重学生能力培养是创新性案例教学的核心特征。这一特征主要体现在问题的提出、解决问题的方案设计以及实地操作，直至最后的系统总结都蕴含着对学生多种能力的培养。当问题出现后，教师应引导学生去思考、去动手，从而培养学生独立思考、独立分析、独立操作以及独立总结的能力，将课堂表现作为成绩的重要考核部分，使最终考试只有40%左右的内容依靠书本可以得分，剩下的60%的内容必须灵活利用所学知识才能完全做对。同时对期末的开卷考试考场秩序进行严格控制，杜绝作弊;考查学生对知识的掌握，杜绝仅凭突击得高分的现象。对于作业的评价，要严格把控作业的质量，分组布置作业，随机抽取作业，避免互相抄袭的现象，以此全面提高教学质量水平。

参考文献

[1]王群，李杨，霍华，吴晓宏.工科化学类研究生材料热力学课程教学体系改革研究[J].大学化学，2018，33（2）：12-17.

[2]谷万里，方晓英，朱光明，秦聪祥.《材料热力学》课程信息化教学模式初探[J].科技资讯，2019，17（21）：75-76.

[3]靳涛，韩明臣.加强材料热力学理论—促进创新能力提高的教学实践[J].教育现代化，2020，7（24）：12-15+51.

[4]邵辉，葛秀坤，毕海普，赵庆贤，郝永梅，邢志祥.工程教育认证在专业建设中的引领与改革思考[J].常州大学学报（社会科学版），2014（1）：105.

[5]王洪才，李慧.运用生成性案例实现创新性教学[J].中国高等教育，2013（19）：44.