摘要：结合“材料热力学”的课程特点和在教学中存在的问题，从编写新教材、调整教学内容、改革教学方法等方面进行了教学改革探索和实践，并起到很好的教学效果。
关键词：材料热力学；教学改革；教学方法
作者简介：李青春（1972-），女，辽宁葫芦岛人，辽宁工业大学材料科学与工程学院，副教授；常国威（1960-），男，辽宁葫芦岛人，辽宁工业大学材料科学与工程学院，教授。（辽宁 锦州 121001）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）02-0143-02
“材料热力学”是材料科学与工程、材料物理专业本科生必修的一门基础理论课，它是利用经典热力学和统计热力学来研究材料的制备、加工及相变中的热力学条件及规律。材料科学与工程学科的特点是揭示材料的成分和加工对结构、组织和性能的影响。而呈现不同性能的各种显微组织，其形成和变化的热力学研究极其重要，因此材料热力学与动力学、晶体学及相变机理共同构成了材料科学的四大板块。学好“材料热力学”这门课对于后续材料学科专业课程的学习以及将来从事科学研究都具有重要的意义。
“材料热力学”课程具有理论性突出、应用性强、概念多且抽象、内容多且分散、公式多且应用条件复杂等特点，一直被师生们视为难学难教的课程之一。目前，关于“材料热力学”的教材比较多，但针对本科生教学，仍然存在教材适用性差的问题。在教学方法上，目前普遍采用的是老师满黑板推导公式，学生忙着记笔记，结果是教师费劲讲的内容，学生却感觉在听天书。经过几轮“材料热力学”的课程教学后笔者发现，大部分同学在学完“材料热力学”后，虽然弄懂了基本概念和基本规律，但却不知如何针对具体的材料问题来进行热力学分析。因此，如何编写适用于本科生的教材，整合教学内容，探索新的教学方法，培养学生的逻辑思维能力，调动学生的学习积极性，势在必行。本文从分析“材料热力学”教材改革入手，探讨了教学内容和课堂教学方法的改革方案。
一、教材的编写
“材料热力学”是理论性和应用性都很强的科学。考虑到材料科学与工程、材料物理专业特点和培养目标，使大多数学生掌握“材料热力学”的基本概念和规律，选用徐祖耀等人[1]编写的“材料热力学”作为基础教材，该书在教学体系上高瞻远瞩、洞鉴古今。以郝士明等人[2]编写的“材料热力学”作为参考教材，该书更重视选材的新颖和解说的例证性。在此基础上，参考国内外优质教材的内容，[3-8]博采众家之长，结合笔者对“材料热力学”课程整体教学思路的理解，最终编写了更适合本科生的“材料热力学”新教材。
在教材编写过程中，为了把材料热力学这个科学问题更加形象化，通过定量分析材料科学的实例来解说热力学理论，把材料的实际开发与热力学联系起来。新教材全书共分三大部分：第一部分为热力学三大定律，包括热力学三大定律、自由能、相平衡、界面热力学、扩散热力学、相图热力学、相变热力学等。第二部分为统计热力学在材料科学中的应用，包括玻耳兹曼分布、玻色分布、费米分布、光子气体、金属中的自由电子气体、玻色-爱因斯坦凝聚、微正则分布、正则分布、巨正则分布等。第三部分为材料中一些物理现象的热力学分析，包括制冷原理、超导热力学、热辐射热力学、不可逆过程热力学等。新教材主要有以下两个特点：
第一，更新内容。在阐述热力学和统计热力学基本原理的基础上，保留与材料科学密切相关的内容，增加与材料加工、热处理等新技术密切相关的热力学实例及最新理论研究成果，如热力学三大定律在表面现象、热处理过程的晶界吸附及结晶过程中的形核等方面的大量实例，并精心设计了300多幅插图进行清晰的定量解答。同时，在每一章结束后，将本章的重点与难点列出，类似于文章的结论部分，便于学生加深理解本章的核心内容。
第二，精选习题。课上重点讲解例题的解题思路和方法，课后布置结合工程实际的典型习题，强化对基本理论的理解，提高解决工程实际问题能力。同时，注意将习题的难度控制在适当水平，难度太大，反而不利于提高学生的学习积极性。针对学生在完成课后作业时出现的相互抄袭现象，在编写新教材时，尝试增加习题的已知条件。把学生分组，每组学生随机分配一组习题，这样可提高学生独立分析问题、解决问题的能力。[9]
二、教学内容改革
1.优化课程体系
根据教学实际需要适当调整教学内容，既不破坏知识结构的系统性和逻辑性，也要保证学生受到必要的训练。根据“材料热力学”和“物理化学”课程的关系，尽量减少与“物理化学”课程内容的重复。热力学是以实验为基础，统计热力学是以统计学和量子物理为基础，但二者均以宏观体系为研究对象。虽然研究对象相同，但研究方法却截然不同。在传统教学中，一般是先讲解热力学，再讲解统计热力学，这样就割断了同一研究对象性质之间的相互联系，因此有必要整合这两部分内容。例如对于热力学中的内容（如热力学第一定律、理想气体、热力学第二定律、卡诺定理等）和统计物理中的内容（如能量均分定理、麦克斯韦分布等），可适量减少课时。另外，应根据专业特点适当调整教学内容。针对材料科学与工程专业的学生，应加强相变热力学、相图热力学和一级相变原理等内容的讲解。针对材料物理专业的学生，除了重点讲解相变热力学、相图热力学外，还应加强界面热力学、统计热力学、二级相变原理、制冷原理等内容的讲解，而对热力学微分关系式、化学热力学等作为选讲内容。对考研同学，考研复习时集中讲解热力学微分关系式这一章。
2.增加前沿知识
在讲授基础知识的同时，适当增加前沿内容。例如讲解获得低温的原理时，介绍激光致冷；讲解不可逆过程热力学时，介绍耗散结构的研究现状；讲解相变种类时，补充朗道连续相变理论的发现过程；介绍玻色爱因斯坦凝聚现象的新进展和朗之万方程在光学粘胶、多普勒致冷等方面的应用；强调自由能在相图计算中的应用，介绍被称作“材料地图”的多元平衡相图，说明沉淀析出和共析相变这样的微观组织转变也可以在热力学的引导下通过电脑来进行计算，并根据计算结果绘出图形，加以预测。通过增加前沿知识的介绍，开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣。
另外，在教学中多讲一些物理学家的经典故事和科研探索精神。例如在讲授热力学三大定律时，介绍焦耳、迈耶、卡诺、克劳休斯、开尔文、麦克斯韦、吉布斯，在讲授制冷原理时介绍华裔科学家朱棣文，讲授超导热力学时介绍昂尼斯、巴丁、库珀和施里弗。把有关科学家的生平趣事融合进去，这样增加了课程内容的趣味性，让更多学生对科学研究产生浓厚兴趣。
3.注重实践环节
在讲授理论知识的同时，注重实践性教学环节。教学中为了使抽象的教学内容更直观化、形象化，选择典型的实物道具进行辅助教学，如节流孔板模型等；将基本理论与熟悉的生活现象联系起来。如讲到表面能时，举例为什么荷叶上的水滴呈球形，而两水滴相遇会自动合并为一个大水珠，为什么会产生晶界偏析等；讲到克拉珀龙方程时，举例在高山上为什么不能煮熟饭及烧开水，溜冰时为什么加压来增加润滑作用。这样增加了学生的感性认识，使学生对知识的理解更加透彻。
三、教学方法改革
1.互动式教学
适当增加互动式的教学方法，在互动过程中逐步培养学生学习的参与意识和问题意识。从第一堂课开始就创造良好的学习氛围，采用启发式教学，提出一些跟生活密切相关的问题让学生积极思考，如“如何用计算机设计一个性能优良的材料”，初步激发学生对这门课程的的学习兴趣，认识其重要性。每次上课前，以提问的方式带领学生回顾上堂课的内容。同时增加讨论课，学生通过事先上网查询及对本章内容的思考，在课堂上对一些基本定律和处理方法进行讨论，如根据熵增加原理讨论宇宙和人类社会的形成、发展和未来等。
2.对比法
通过对比教学，既加深学生对基本概念、基本研究方法的理解，又能起到举一反三的教学效果。对于一些基本概念，如内能、焓、吉布斯自由能、亥姆霍兹自由能，理想熔体、正规熔体，微正则分布、正则分布、巨正则分布，玻尔兹曼统计、玻色统计、费米统计等内容，在教学时均采用对比的方法来分析这些物理概念的区别和联系。另外，学生普遍反应公式难记，尤其在运用时有时会选错。在每一章结束时将本章的公式列成表格，并在表格中对于繁衍的公式注明其应用条件以便比较。
3.灵活运用多媒体和板书
在教学过程中最大限度地使用多媒体。多媒体教学的优点是形象、生动、直观，提高教学信息量，不足之处是教学速度快，学生印象不深刻。因此，教学中应灵活运用多媒体和板书。针对一些公式推导，应以板书教学为主，讲完后再用多媒体课件对整个推导过程进行归纳。针对具体的工程实例，如对各类动力装置、制冷装置的工作过程等，可在课件上进行动态演示，再用板书进行理论分析和计算。
4.考试方法改革
如何选择考卷的难度和容量，需要在教学过程中进行反复探索。除了期中、期末闭卷笔试外，增加科技小论文考核环节，小论文在总成绩中占15%的比重。在课程结束前要求学生完成一篇小论文，通过完成小论文，加深学生对热力学基础理论的理解，培养学生查阅文献、写作科技文章的能力。从学生们的反馈看，学生对这个环节很有兴趣且很重视。
四、结束语
“材料热力学”是一门注重理论和实践相结合的课程。针对“材料热力学”教学中存在的问题，笔者进行了教材的编写、教学内容和教学方法的改革和尝试。通过几年“材料热力学”课程的教学实践和学生平时的学习效果来看，进行这门课的教学改革和探索是非常必要的。这些改革增加了学生的学习兴趣，提高了教学效果，增强了学生解决实际问题的能力，从而有利于工程应用型人才的培养。
参考文献：
[1]徐祖耀，李麟.材料热力学[M].北京：科学出版社，2004.
[2]郝士明.材料热力学[M].北京：化学工业出版社，2004.
[3]西泽泰二.微观组织热力学[M].北京：化学工业出版社，2006.
[4]David R. Gaskell. Introduction to the Thermodynamics of Materials（4th edition）[M].Abingdon：Taylor & Francis，2003.
[5]David V. Ragone. Thermodynamics of Materials [M].New Jersey：
John Wiley & Sons，Inc.，1995.
[6] Mats Hillert. Phase Equilibria，Phase Diagrams and Phase Transformations：Their Thermodynamic Basis[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1998.
[7]苏汝铿.统计物理学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[8]汪志诚.热力学统计物理（第四版）[M].北京：高等教育出版社，
2008.
[9]王海川，王世俊，陈二保，等.材料热力学课程改革探索[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2004，21（2）：108-109.
（责任编辑：王意琴）
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