新工科背景下的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程案例教學(xué)模式思考

凌意瀚 楊洋 牛繼南 張平

[摘 要] 為積極應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命，對(duì)材料類專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求。為適應(yīng)新工科背景的發(fā)展需求，對(duì)“無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的諸多問題進(jìn)行思考。結(jié)合新工科發(fā)展方向，以案例教學(xué)方式對(duì)新工科背景下的課程教學(xué)進(jìn)行設(shè)想，以培養(yǎng)適應(yīng)新工科下要求的創(chuàng)新型和應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

[關(guān)鍵詞] 新工科;案例教學(xué);材料科學(xué)

自21世紀(jì)以來，我國為面對(duì)新一輪的科技革命與改革浪潮，先后形成了“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)蓬勃發(fā)展，促進(jìn)先進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷推動(dòng)著科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。然而，新產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新型人才的支撐，因此，2017年2月以來，教育部積極加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)工程科技人才需求的調(diào)研，做好增量優(yōu)化、存量調(diào)整，主動(dòng)謀劃新興工科專業(yè)建設(shè)，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，明確探索形成新工科建設(shè)模式，主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1，2]。“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝、性能及應(yīng)用之間相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科，是無機(jī)非金屬材料專業(yè)的主要專業(yè)課程，具有較強(qiáng)的知識(shí)理論性，緊密聯(lián)系先進(jìn)材料科技的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)新一輪科技革命過程中培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型工科人才發(fā)揮著重要作用。

案例教學(xué)是在教學(xué)過程中加入案例分析，使學(xué)生在課堂上對(duì)案例情境進(jìn)行分析、討論以表達(dá)自己的觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考、創(chuàng)造能力，提升學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中解決實(shí)際問題的能力[3]。案例教學(xué)最早在美國哈佛商學(xué)院教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，目前，已在各類教育教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[4]?！安牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)模式關(guān)系到學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)，因此，本文結(jié)合我校中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案，從案例教學(xué)模式方面著手，對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式進(jìn)行探索，以適應(yīng)當(dāng)代新工科發(fā)展的趨勢(shì)，著力培養(yǎng)具有新工科背景的人才。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，是銜接基礎(chǔ)課程與其他專業(yè)課程之間的一門重要課程，起著承前啟后作用。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程主要包括晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體擴(kuò)散、相圖和合金相結(jié)構(gòu)等，課程的知識(shí)點(diǎn)較為復(fù)雜，內(nèi)容抽象，部分結(jié)構(gòu)難以理解。在教學(xué)方法上大部分高校仍然采用以教師為主體的PPT滿堂式教學(xué)，這樣的教學(xué)模式下學(xué)生處于被動(dòng)接受知識(shí)狀態(tài)，缺乏獨(dú)立思考，難以抓住課程的重點(diǎn)，不利于新工科發(fā)展下的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。在探索新工科發(fā)展模式和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，要求高校更新“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹先進(jìn)材料科學(xué)研究的最新進(jìn)展以及新的發(fā)展趨勢(shì)[5]。使得教學(xué)課程有被動(dòng)滿堂灌式教學(xué)向主動(dòng)的問題導(dǎo)向課程教學(xué)發(fā)展，著重對(duì)學(xué)生的主觀創(chuàng)造性進(jìn)行培養(yǎng)，以增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的興趣，促進(jìn)學(xué)生全面朝著新工科建設(shè)方向發(fā)展。

二、新工科背景下案例教學(xué)模式思考

在新工科建設(shè)背景下，要以技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向，改革課程教學(xué)模式，形成一批內(nèi)容新、方法新的特色課程。作為核心專業(yè)課程，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程概念多，教學(xué)理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，所以課程教學(xué)難度大、跨度大。由于該課程中一些微觀結(jié)構(gòu)以及過程是抽象又枯燥，學(xué)生難以去理解及學(xué)習(xí)。為了增大這一課程的趣味性及科學(xué)性，將傳統(tǒng)理論教學(xué)與案例分析、實(shí)踐相結(jié)合，從而增強(qiáng)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程的興趣，提高課程教學(xué)效果。與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)相比，案例分析與實(shí)踐模式的加入能夠?qū)⒊橄笫挛镒兊弥庇^化，簡化復(fù)雜問題，能夠讓學(xué)生對(duì)一些結(jié)構(gòu)或擴(kuò)散過程等抽象知識(shí)有著深刻理解，這也為教學(xué)順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，結(jié)合教師講解+案例教學(xué)，對(duì)一些抽象和枯燥難以理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡化，更加直觀地幫助學(xué)生理解復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)，提高教學(xué)效果。要實(shí)現(xiàn)課程案例教學(xué)，需要課程教師培養(yǎng)起新工科建設(shè)理念，要做到以下幾點(diǎn)。

1.課程教學(xué)理念轉(zhuǎn)變。在新工科建設(shè)背景下，課程教師應(yīng)樹立“以學(xué)生為主體，教為學(xué)服務(wù)”的新型教學(xué)理念，而不是以教師為中心，忽視了學(xué)生的主體地位，教師應(yīng)盡可能地通過多樣創(chuàng)新的教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考、主動(dòng)討論、主動(dòng)實(shí)踐，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.豐富課程教學(xué)方法?！疤铠喪健苯虒W(xué)方法在新工科建設(shè)背景下已經(jīng)無法滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理念的要求，因此，在課程教學(xué)過程中，需要不斷豐富教學(xué)方法，適應(yīng)新工科建設(shè)條件。在課程教學(xué)過程中可以增加啟發(fā)提問式教學(xué)部分，通過設(shè)計(jì)一些啟發(fā)式的問題，使教學(xué)課堂變得趣味，比如在講授同質(zhì)多晶知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以向?qū)W生提問“為什么金剛石與石墨化學(xué)組成都是碳，但在性質(zhì)上卻有著天壤之別”來啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考能力，讓學(xué)生綜合前期所學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考并發(fā)表見解，這也能讓教師對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握情況有著深刻了解，根據(jù)課上不同反應(yīng)及時(shí)應(yīng)對(duì)并調(diào)整教學(xué)方法幫助學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)。此外，在課程教學(xué)過程中加入討論式教學(xué)方法也可以使教學(xué)效率提高。教師在授課過程中，選取書本某些章節(jié)中部分問題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組安排，利用課余時(shí)間查閱資料，以PPT形式對(duì)問題進(jìn)行回答講解，在下節(jié)課堂上以小組代表形式上臺(tái)講授，臺(tái)下學(xué)生就講解的問題答案進(jìn)行提問和討論。在新工科背景下，教師在整個(gè)課程教學(xué)中應(yīng)作為組織者，多培養(yǎng)學(xué)生換位思考的方式進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，這樣的學(xué)習(xí)方式能夠賦予學(xué)生的新鮮感，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及語言表達(dá)能力，在掌握知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)進(jìn)一步提高分析和解決問題的能力。

3.創(chuàng)新課程教學(xué)模式——案例教學(xué)。材料科學(xué)基礎(chǔ)的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)決定性能，然而在課程教學(xué)過程中，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是抽象的，并不能直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，如各種擴(kuò)散、晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)等。針對(duì)抽象的知識(shí)點(diǎn)，多媒體教學(xué)能夠使得抽象的問題直觀化，一些晶體結(jié)構(gòu)、晶格間隙、晶體缺陷運(yùn)動(dòng)、結(jié)晶過程等可以以flash動(dòng)畫形式展示，使學(xué)生有身臨其境之感，有效傳遞信息。在學(xué)習(xí)三元相圖的過程中，缺乏空間想象力的學(xué)生會(huì)覺得這一知識(shí)點(diǎn)晦澀難懂，難以弄清三元相圖的形成過程，這就需要多媒體教學(xué)來以示例形式展示三元相圖形成過程。此外，在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程授課時(shí)，可以多以生活中常接觸到的實(shí)物為例，如“汽車”，讓學(xué)生感受到材料科學(xué)如何影響人們的生產(chǎn)、生活和發(fā)展。在材料科學(xué)基礎(chǔ)的課堂教學(xué)中，課程套路也是案例教學(xué)的一種手段，比如，以“先進(jìn)汽車用鋼的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀”為主題，同時(shí)設(shè)計(jì)一些問題，如汽車用鋼面臨的挑戰(zhàn)、車用齒輪鋼、彈簧鋼等的最新研究熱點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，讓學(xué)生在課外閱讀文獻(xiàn)資料，制作PPT，然后組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行探討、研究。在探究中，學(xué)生對(duì)材料科學(xué)中有關(guān)材料的微觀結(jié)構(gòu)、組織性能及制備工藝等基礎(chǔ)理論有著更深入的認(rèn)識(shí)。這種新的案例教育理念下的探究式教學(xué)適應(yīng)新工科建設(shè)背景下的要求，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出重要貢獻(xiàn)。

三、結(jié)語

對(duì)于一門理論性及實(shí)踐性較強(qiáng)的材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)課程，授課教師往往以板書和公式化的PPT為主導(dǎo)而進(jìn)行課堂教學(xué)，課程教學(xué)質(zhì)量以及效率無法滿足新工科建設(shè)下的需求。立足于新一輪科技革命，對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行思考，通過對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上引入案例教學(xué)，并結(jié)合多媒體技術(shù)、師生教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)等多種豐富的教學(xué)手段，提高課程教學(xué)質(zhì)量，增加課程教學(xué)的趣味性，以適應(yīng)新工科建設(shè)下的發(fā)展需求。

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