新能源材料發(fā)展背景下“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索
——以新能源材料與器件專業(yè)為例

羅 文，王文廣，王乃光

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510006)

1 引言

化石能源的日益枯竭和對環(huán)境的愈來愈嚴重的污染導(dǎo)致了能源危機，限制了社會的高速發(fā)展，影響了人們的生活質(zhì)量。如何高效地開發(fā)和利用新能源技術(shù)和材料，已成為當今世界科學(xué)家們所面對的重要挑戰(zhàn)[1]。新能源材料與器件專業(yè)就是在此背景下產(chǎn)生的，屬于材料科學(xué)與能源領(lǐng)域相結(jié)合的新興交叉學(xué)科。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展和知識信息爆炸性輸出的當今社會，如何科學(xué)和有效地培養(yǎng)本專業(yè)的學(xué)生是我們授課教師所面對的難題。

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是后續(xù)所有材料類專業(yè)課程的學(xué)習基礎(chǔ)[2]。本課程同樣也是新能源材料與器件專業(yè)的重要核心課程，承擔著連接基礎(chǔ)科學(xué)知識和專業(yè)領(lǐng)域知識的橋梁作用。學(xué)生通過學(xué)習了解材料學(xué)科領(lǐng)域的基本概念和原理、材料的結(jié)構(gòu)特點和性能、材料加工應(yīng)用方面的知識等，為以后的深造和相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)[3]。但由于本課程理論性強、抽象概念多、數(shù)理分析深和理論聯(lián)系實際難，致使學(xué)生的理解和學(xué)習的難度增大，這給授課教師的課程教學(xué)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

而且，在我國著力建設(shè)和發(fā)展新能源技術(shù)和材料的大背景下，傳統(tǒng)的“灌輸式”授課方式和受限于教材的授課內(nèi)容凸顯其局限性，教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容亟需整合和優(yōu)化，教學(xué)手段有待增加和融合，以提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習和創(chuàng)新能力，為高速發(fā)展的新能源技術(shù)和新材料應(yīng)用輸出高素質(zhì)創(chuàng)新型復(fù)合人才[4]。

因此，對于新開設(shè)的新能源材料與器件專業(yè)，其第一門專業(yè)基礎(chǔ)課《材料科學(xué)基礎(chǔ)》顯得尤為重要。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容難以適應(yīng)高速發(fā)展的新能源技術(shù)和材料領(lǐng)域，無法滿足本專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，相關(guān)的教學(xué)改革迫在眉睫。結(jié)合廣東工業(yè)大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)的培養(yǎng)要求，依托本專業(yè)的師資優(yōu)勢和科研平臺，我們針對材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)方法和內(nèi)容、教學(xué)手段、交流互動以及創(chuàng)新實踐等方面進行了一些改革和探索，在教學(xué)質(zhì)量上取得了一定成效，并對未來的課程教學(xué)實踐提出了改革規(guī)劃和展望。

2 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)存在的挑戰(zhàn)

根據(jù)培養(yǎng)方案，新能源材料與器件專業(yè)的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程為64學(xué)時，考慮到教學(xué)內(nèi)容繁多和理論知識面廣泛等問題，課程教學(xué)在教材選擇、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段，以及理論與實踐相結(jié)合等方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2.1 現(xiàn)有教材和教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點難以滿足本專業(yè)的需求

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》已有多版經(jīng)典教材，但這些教材的側(cè)重點仍偏向于金屬學(xué)知識，如晶體學(xué)基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷、相圖等，其他方向知識點涉及較少[5]。目前，大多數(shù)教師的教學(xué)內(nèi)容主要講授金屬材料的相關(guān)知識，對其他知識領(lǐng)域涉及甚少，致使學(xué)生存在知識面較窄、知識結(jié)構(gòu)單一等局限性，不符合新時代高素質(zhì)的創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)要求。而且大多數(shù)教師局限于課本，很少講授學(xué)科前沿的內(nèi)容，尤其是新能源領(lǐng)域的研究和發(fā)展。如何科學(xué)地選擇教學(xué)材料和合理地安排教學(xué)內(nèi)容是本課程教學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

2.2 簡單“灌輸式”教學(xué)模式限制學(xué)生的學(xué)習積極性

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是理論教學(xué)的課程，包含大量基本概念、基本原理和重要公式。目前，大多數(shù)的教師采用PPT文字講授、學(xué)生被動接受的簡單“灌輸式”教學(xué)模式。此類教學(xué)模式難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性，導(dǎo)致學(xué)生記憶和理解出現(xiàn)困難，從而降低了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習成績[6]。如何改善教學(xué)模式，增強學(xué)生的學(xué)習積極性，從而有效地提高教學(xué)質(zhì)量是本課程教學(xué)另一大挑戰(zhàn)。

2.3 理論知識和應(yīng)用實踐難以有效結(jié)合不利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是一門內(nèi)容豐富、難度高的理論課。傳統(tǒng)的教學(xué)模式偏重于傳授理論知識，難以將理論知識拓展到實踐應(yīng)用層面，缺乏實際應(yīng)用的展示和創(chuàng)新實踐鍛煉，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型綜合人才[7]。如何讓學(xué)生更好地理解和吸收所學(xué)理論知識，同時增強學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力是本課程教學(xué)的又一大挑戰(zhàn)。

3 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革

我們對于《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革包括多個部分，如教材的綜合選擇和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)方式的改進、創(chuàng)新實踐的鍛煉等。

3.1 基于新能源材料的知識拓展，整合多重教材和優(yōu)化授課內(nèi)容

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是多學(xué)科交叉的課程，涵蓋金屬學(xué)、無機非金屬學(xué)、高分子學(xué)等領(lǐng)域。根據(jù)培養(yǎng)目標的要求，本課程教學(xué)內(nèi)容的確立取決于教材的選擇與整合。如何選擇和整合教材以及優(yōu)化授課內(nèi)容是本課程教學(xué)改革的首要條件。

我們對國內(nèi)現(xiàn)有經(jīng)典教材進行了審視，發(fā)現(xiàn)不同版本教材的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)差別明顯。其中，北京科技大學(xué)余永寧版內(nèi)容詳實，但授課內(nèi)容繁多，所需學(xué)時過多；西北工業(yè)大學(xué)劉志恩版內(nèi)容偏少，所需課時較少，適合化工類專業(yè)；清華大學(xué)潘金生版內(nèi)容豐富，講述深刻，但學(xué)生理解困難；上海交通大學(xué)胡庚祥版內(nèi)容充實，難度適中，知識點廣泛且所需課時不多。

我們比較發(fā)現(xiàn)，基于培養(yǎng)目標和教學(xué)課時，單一教材難以同時滿足泛材料學(xué)科的知識需求和新能源材料發(fā)展的補充教學(xué)。因此，我們選擇上海交通大學(xué)胡庚祥版為基本教材，適當結(jié)合其他版本的資料作為輔助教材，以及將新能源材料領(lǐng)域的科研資料進行整合補充。在保證多學(xué)科知識面和內(nèi)容深度前提下，優(yōu)化授課內(nèi)容，突出重難點并減少繁冗的知識講授。通過精簡部分理論知識，增加對應(yīng)學(xué)科的前沿科研進展內(nèi)容，教材內(nèi)容得到合理地整合與優(yōu)化，學(xué)生的學(xué)習興趣和理解能力得以有效提高。比如，在講解共價晶體結(jié)構(gòu)中金剛石部分，適當?shù)匮a充其他碳材料作對比和補充，包括具有優(yōu)異性能的碳納米管、石墨烯和富勒烯。簡單描述這些材料的結(jié)構(gòu)和特點，介紹這些材料在新能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用進展，例如在鋰離子電池、鈉離子電池、太陽能電池等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。這種知識拓展可以有效地增加學(xué)生的理解能力和拓展學(xué)生的知識面，同時提高學(xué)生的學(xué)習興趣。

3.2 基于一體式多媒體教學(xué)和增加師生互動交流，提高教學(xué)質(zhì)量

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是一門理論性極強的課程，傳統(tǒng)的簡單“灌輸式”課堂教學(xué)模式已不能適應(yīng)當下學(xué)生的學(xué)習要求和培養(yǎng)目標。而且，本門課程中的抽象概念和復(fù)雜公式偏多且難理解，簡單的文字表述增加了課程教學(xué)的難度并嚴重影響了學(xué)生的學(xué)習積極性和課程的教學(xué)質(zhì)量。如何優(yōu)化教學(xué)方法和教學(xué)手段，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，是本課程教學(xué)改革的核心基礎(chǔ)。

我們基于一體式多媒體教學(xué)和知識拓展，采取多種教學(xué)手段和教學(xué)方法進行調(diào)整和優(yōu)化，增強了師生交流互動，以此提高學(xué)生的學(xué)習積極性和改善教學(xué)質(zhì)量。具體的教學(xué)改革包括但不限于以下內(nèi)容:(1)我們在教學(xué)中充分利用文字、圖片、動畫和“微課”視頻于一體的多媒體教學(xué)，形象地表述了各種基本概念和理論、晶態(tài)和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)和特點等。該方法凸顯了教學(xué)的多模態(tài)性，能夠調(diào)動學(xué)生的多種感官，有利于學(xué)生對知識的深入理解。例如，我們在講解晶體的對稱性時，發(fā)現(xiàn)關(guān)于對稱元素和對稱操作的描述比較抽象，學(xué)生理解困難。因此，我們在PPT中增加一定的動畫和視頻來展示相關(guān)概念和操作，同時補充簡單的數(shù)學(xué)推理解釋了對稱軸僅有五種的原因，利于學(xué)生更深入地理解晶體對稱性相關(guān)的知識；(2)我們在教學(xué)中轉(zhuǎn)變教師角色，將傳統(tǒng)教學(xué)的單純“知識灌輸者”轉(zhuǎn)換為課程計劃“設(shè)計者”、知識探索“引導(dǎo)者”、學(xué)習資源“提供者”、討論活動“組織者”以及學(xué)習過程與效果“評價者”等等，充分發(fā)揮教師的積極引導(dǎo)作用，通過同伴協(xié)商、小組討論、微信交流探討群等方式進行課堂或課后互動交流，提高了學(xué)生的交流能力、合作意識和思維品質(zhì)。例如，我們在講解晶向和晶面指數(shù)部分內(nèi)容時，抽出少量時間讓學(xué)生在課堂上閱讀晶向和晶面的概念，以及晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的意義。通過分組協(xié)作，讓學(xué)生們自己嘗試畫出一些重要晶向和晶面，再通過課堂動畫教學(xué)實例，增加學(xué)生對相關(guān)知識的學(xué)習和理解程度。再如，我們在講解離子晶體結(jié)構(gòu)的理論部分后，讓學(xué)生課下提前閱讀和學(xué)習幾類典型離子的晶體結(jié)構(gòu)，分組讓部分同學(xué)在課堂上展示自己的對某一類晶體結(jié)構(gòu)的理解，其他同學(xué)進行提問和深入討論，以此增強課堂的交流互動，提高學(xué)生學(xué)習積極性和理解能力；(3)我們在教學(xué)中通過生活中的實例講解重點知識，增加了教學(xué)的趣味性，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣和理論聯(lián)系實踐的能力。比如，我們在講解分子間作用力時，以“壁虎爬行”作為實例：壁虎具有數(shù)百萬根次納米級的細毛，毛發(fā)前端又有上百到上千個微細分枝，每分枝前端有細小的肉趾，能和接觸的物體表面產(chǎn)生很微小的分子間的作用力。當壁虎腳上所有的細毛都與固體表面充分接觸時，所產(chǎn)生的巨大粘著力可以吸附相當于兩個成人的質(zhì)量；(4)我們大量減少文字陳述和繁冗公式推導(dǎo)，突出講解各學(xué)科領(lǐng)域重點知識和核心基本公式，建構(gòu)課堂基礎(chǔ)例題和課后拔高題庫，提高了學(xué)生對知識的學(xué)習和掌握能力。比如，我們在講解晶面間距公式時，著重突出了立方晶系的計算公式，在課堂給出了面心立方晶系中特殊面間距的基礎(chǔ)例題，布置了對應(yīng)面致密度的課后拔高練習題，加深了學(xué)生對面間距和面致密度的理解，同時增加了對重點知識的記憶和鍛煉，為最終的復(fù)習和考核提供了學(xué)習資料庫；(5)我們改變了授課時間和課時安排，減少了期末考試在總成績中所占比例，增加了形成性評價的比重，進一步提升了學(xué)生的課堂互動和課后交流積極性，教學(xué)效果得以顯著提高。比如，最初的授課時間安排在大一下學(xué)期，僅有32學(xué)時。經(jīng)過實際教學(xué)和反饋，我們考慮到授課內(nèi)容和學(xué)生基礎(chǔ)的聯(lián)系，將授課時間調(diào)整為大二上學(xué)期，課時增至64學(xué)時。屆時學(xué)生已經(jīng)學(xué)習了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、物理化學(xué)等相關(guān)課程，有了一定的知識儲備，而且增加課時有利于更好地完成授課內(nèi)容。此外，我們適當調(diào)低了期末考試在總成績中的比例，鼓勵學(xué)生多參與課堂互動和課后交流，強調(diào)對知識的理解和運用過程，使教學(xué)質(zhì)量進一步得到提升。

3.3 基于優(yōu)質(zhì)師資隊伍和科研平臺，培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐訓(xùn)練

新能源技術(shù)和新材料開發(fā)日新月異，材料學(xué)科的發(fā)展必須與時俱進。如何在教學(xué)過程中，提高學(xué)生的學(xué)習積極性和理解創(chuàng)新實踐能力是最終的目標。

本課程涵蓋學(xué)科內(nèi)容廣泛、理論知識繁多，單個教師的授課難度較大，難以滿足本專業(yè)的培養(yǎng)計劃和教學(xué)要求。廣東工業(yè)大學(xué)本專業(yè)的教師都是來自國內(nèi)外知名大學(xué)的博士，在不同的學(xué)科領(lǐng)域(如材料學(xué)、材料物理與化學(xué)、高分子化學(xué)與物理、納米科學(xué)與工程等)具有豐富的理論知識和研究經(jīng)驗。

因此，我們選擇不同專業(yè)背景的教師組建教學(xué)團隊，共同授課，形成優(yōu)勢互補的針對性教學(xué)。一方面，任課教師結(jié)合自身的專長和見識，從不同視角闡釋學(xué)科理論，豐富學(xué)生的知識，拓展他們的視野。例如，我們讓具有金屬背景的老師著重講解晶體的知識，讓具有高分子背景的老師重點講解聚合物的知識，讓具有無機非金屬背景的老師主要講解陶瓷和納米材料的知識；另一方面，任課教師根據(jù)自身的專業(yè)研究經(jīng)驗，對理論知識在科學(xué)研究和實際生活中的應(yīng)用進行生動解讀，增強學(xué)生的專業(yè)興趣，培養(yǎng)他們的應(yīng)用能力。例如，我們在講解鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)時，可以介紹其在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展學(xué)生的知識面，明晰結(jié)構(gòu)對性能的影響。

此外，充分依托新能源材料與器件專業(yè)教師科研團隊優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。我們鼓勵學(xué)生分組進入各個教師的科研團隊，進行創(chuàng)新實驗的學(xué)習和鍛煉，深入學(xué)習和實踐新能源材料的研究和應(yīng)用，實現(xiàn)“線上+線下”的混合教學(xué)，以期增強學(xué)生們的實踐能力和創(chuàng)新思維，為他們今后成為優(yōu)秀的創(chuàng)新型復(fù)合人才奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以上是我們近幾年對材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革的一些探索和實踐，主要包含選擇和整合教材、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和建設(shè)師資隊伍，倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、積極互動交流，采用一體式多媒體教學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量，以及基于科研平臺實現(xiàn)創(chuàng)新和實踐訓(xùn)練等方面。從教學(xué)評價和教學(xué)結(jié)果反饋來看，學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性整體得到提高，與老師們的互動交流明顯增多，對重點知識的掌握程度顯著提高，理解、思考和創(chuàng)新實踐能力有所增強，較好地達到了課程建設(shè)的預(yù)期效果。當然，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革是一項系統(tǒng)工程，需要長久的努力和不斷的實踐。在今后的課程教學(xué)中，我們將繼續(xù)深化和完善改革，提高教學(xué)質(zhì)量，比如進一步優(yōu)化授課內(nèi)容和課件、適當增加重難點知識的“微課”視頻、建立和完善網(wǎng)絡(luò)學(xué)習試題庫、增加課后交流探討方式等，以期更好地實現(xiàn)具有創(chuàng)新能力、高素質(zhì)的創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)目標。