應(yīng)用型高等教育下《材料科學基礎(chǔ)》課程改革和教學方案設(shè)計研究

魏薪 王琳 呂建國

摘 ?要：《材料科學基礎(chǔ)》是材料科學與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，也是該專業(yè)研究生入學考試專業(yè)課之一，有著重要的地位。為適應(yīng)高等教育改革的要求，結(jié)合應(yīng)用型本科教育的特點，通過剖析目前課程教學存在的問題，提出以“夯實基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導方針的教學方案，并從教學內(nèi)容、教學方法和考核模式等幾個方面展開探索，為材料科學與工程專業(yè)的教學過程提供新思路和新方法。

關(guān)鍵詞：材料科學與工程;材料科學基礎(chǔ);應(yīng)用型本科教育;課程改革

在現(xiàn)代科學技術(shù)中，材料科學是國民經(jīng)濟發(fā)展的三大支柱之一。近年來，我國在材料領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進。目前，國內(nèi)眾多知名高校已經(jīng)開設(shè)了材料科學相關(guān)專業(yè)，如清華大學、北京科技大學等開設(shè)了金屬材料學科;北京化工大學、浙江大學等開設(shè)了高分子材料;西北工業(yè)大學、中南大學等開設(shè)了材料加工學科等。2016年，合肥師范學院成功獲批了材料科學與工程專業(yè)，并開始招生。作為應(yīng)用型高校，該學科的建設(shè)處起步階段，雖經(jīng)過3年的教學實踐，但在專業(yè)課程設(shè)置、教學方法以及考核模式等方面存在很多的問題亟待解決。

1課程教學的問題剖析

材料科學與工程是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能以及四者之間相互關(guān)系的學科，因而將成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能成為材料科學的四要素，把四者聯(lián)在一起就構(gòu)成了材料科學四要素的四面體結(jié)構(gòu)，如圖1所示?！恫牧峡茖W基礎(chǔ)》這一門課程便是以材料科學四要素為主要內(nèi)容，從教學要求出發(fā)，著重于基本概念和基礎(chǔ)理論，并引導學生應(yīng)用理論解決材料工程中的實際問題。該課程中材料學知識十分復雜，理論性強，涉及大量的名詞、概念等等，要求學生具有扎實的數(shù)學、物理和化學基礎(chǔ)。而對于我校本科生而言，大多數(shù)同學數(shù)理化基礎(chǔ)比較薄弱且在學習該門課程之前并未系統(tǒng)的學習過無機化學、物理化學等課程，因此在教學過程中會產(chǎn)生一系列的問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，該課程的部分內(nèi)容理論性強且難度大，涉及大量的數(shù)學推導過程和復雜的文字解釋，使同學們難以理解和識記，因而易產(chǎn)生抵觸情緒，教學效果不理想。第二，在國內(nèi)大部分高校，包括我校，目前該課程的教學方式仍以板書與多媒體教學相結(jié)合的方式。這種教學方式以文字、公式推導和曲線圖為主，圖片、視頻等影音資料很少，使得學生上課期間缺乏興趣，難以集中注意力;第三，該課程的考核模式以考試為主，且占比很大。考試內(nèi)容多以課本上的概念、定理以及理論計算為主，應(yīng)用類題目較少涉及，因而難以達到指導學生應(yīng)用已學知識解決實際工程問題的教學目標。第四，目前國內(nèi)外材料科學發(fā)展更新迭代較快，新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮，書本上的內(nèi)容較為有限，在教學上應(yīng)用部分課時講授材料前沿發(fā)展方向及應(yīng)用，為學生就業(yè)及科研提供參考，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。第五，材料科學具有理論知識與應(yīng)用廣泛結(jié)合的性質(zhì)，在教學上，應(yīng)該適當培育學生們的科研及實踐能力。因此，基于以上教學經(jīng)驗中出現(xiàn)的問題，結(jié)合材料科學的特點，本文將以“夯實基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導，探索該課程在教學內(nèi)容、教學方法和考核模式等方面上的優(yōu)化設(shè)計。

2課程教學的改革措施

2.1夯實理論基礎(chǔ)

材料科學基礎(chǔ)涵蓋較多的基礎(chǔ)概念，這些概念與科學研究及實際應(yīng)用都有深刻的聯(lián)系?；A(chǔ)知識的掌握程度對于學習材料科學非常重要。無論是前沿研究還是基礎(chǔ)應(yīng)用，都需要有扎實的基本功。如利用高分辨透射電子顯微鏡研究材料結(jié)構(gòu)時，需要掌握材料中原子排列的相關(guān)知識，包括晶面指數(shù)、倒易空間等;針對材料的拉伸或壓縮過程，需要掌握材料的彈性模量、屈服強度。同時，相關(guān)概念不僅僅只用于某一個領(lǐng)域，如關(guān)于材料結(jié)構(gòu)，即可用于分析材料的相變，又可用于分析二維材料的電磁性能。原子的擴散，即可用于研究金屬的熱處理，又可用于研究鋰離子電池。材料科學基礎(chǔ)的相關(guān)概念復雜難懂，且課時有限，教師在授課時應(yīng)將相關(guān)概念的背景、定義及應(yīng)用講清講透，確保學生理解和掌握，積累扎實的理論基礎(chǔ)知識。

2.2培養(yǎng)實踐能力

材料科學基礎(chǔ)是一門理論知識與實踐相結(jié)合的學科。其中，相關(guān)內(nèi)容是從實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉得到的，如材料的相變，相圖的制作是根據(jù)各個成分及溫度下，進行熱處理得到的結(jié)果。本科生僅僅學習書本上的內(nèi)容，很難建立起直觀的認識。在課程學習初期，教師應(yīng)將材料科學基礎(chǔ)的理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合、抽象概念與具體圖像相結(jié)合，以直觀性的事物或圖像引導學生對抽象性的理論進行掌握。如在學習晶體結(jié)構(gòu)時，可用實物模型展示晶體的FCC、BCC等結(jié)構(gòu)。在講解原子擴散時，提示學生通過想象構(gòu)建原子在材料中運動的圖像。

同時，為使學生更加全面的理解所學內(nèi)容，建議學校開設(shè)一定學時的實驗課程，如材料的熱處理過程、材料的力學性能、材料的微觀結(jié)構(gòu)等等。使得在提升運用理論知識分析解決實際問題能力的同時，進一步鞏固自己的知識體系。此外，本學院的教師均有科研經(jīng)歷，研究方向各有側(cè)重，如計算材料學、太陽能電池，催化、二維材料等等，有豐富的實驗經(jīng)歷及理論知識。因此可以鼓勵學生在課外時間積極參與到教師的相關(guān)課題研究中，針對發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合所學內(nèi)容加以分析，進一步加深對知識的理解與應(yīng)用。

2.3豐富教學方法

首先，科學合理控制每課時授課量。確保知識點高質(zhì)量的被學生吸收，而非對學生進行數(shù)量上的灌輸。其次，調(diào)節(jié)授課內(nèi)容的輸出速率。通過板書、調(diào)節(jié)語速等方式，在難點、重點如材料中的缺陷、擴散等知識點上講懂講透，使學生對所學內(nèi)容充分吸納和梳理。再者，利用多種方法將相關(guān)概念實物化、圖像化。在學習材料的結(jié)構(gòu)時，可以通過硬球模型展示材料中FCC，BCC等簡單晶體結(jié)構(gòu)。在學習材料的力學性能時，可以利用多媒體技術(shù)，展示材料在受到壓縮或拉伸時的變形過程。此外，利用現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行學習。利用微信、QQ等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立課堂內(nèi)容學習交流群，以便及時上傳教學內(nèi)容、作業(yè)，分享參考書目，解決問題等。讓學生充分利用課余時間主動學習，及時解決遇到的問題，進一步提高授課效率。

2.4把握學科前沿

近幾年，材料科學發(fā)展日新月異，前沿熱點難點時常更新，新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮。然而書本上的內(nèi)容較為有限，針對材料科學的前沿進展，在課堂教學時應(yīng)設(shè)置部分學時介紹材料科學相關(guān)進展，講授基礎(chǔ)知識在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，為學生就業(yè)及科研提供參考。結(jié)合現(xiàn)有條件，可以邀請相關(guān)領(lǐng)域教師來校開展專題知識講座，講解本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、前沿進展。授課教師也可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立微信群或者微信公眾號，向?qū)W生推送材料領(lǐng)域最新發(fā)布的成果，文獻或者方法等等，營造良好的學習氛圍，培養(yǎng)學生對材料領(lǐng)域的興趣。

2.5完善考核方式

目前，對于材料科學基礎(chǔ)的評分方法，總成績中期末成績占到70%，平時成績占30%，其中在平時成績中平時作業(yè)占主要比例。由此可以看出最終成績主要取決于期末考試的成績，而平時成績主要取決于平時作業(yè)。結(jié)合教學經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)以下問題：①關(guān)于期末考試。僅僅只在期末考核一次，會造成學生在期末階段突擊學習，而忽視了平時的積累;②關(guān)于平時成績。平時作業(yè)在總分中占據(jù)20%左右的比例。學生往往偏重平時作業(yè)，而忽視其他課堂表現(xiàn)。教師難以對每個學生的課堂表現(xiàn)作出準確評價;③材料科學是一門實踐性和應(yīng)用性較強的課程，在本課程的教學過程中缺乏相應(yīng)的實踐課程。因此難以培養(yǎng)學生的實踐能力。鑒于以上因素，可以在材料科學基礎(chǔ)一課的成績評定制度上進行如下改進。

一是引入階段性考核。首先，建議在第9周前后增加一次期中考試。在檢驗前期所學內(nèi)容的同時，及時發(fā)現(xiàn)問題并整改。將期中考試的成績按照一定比例納入到總成績中。在期末考試中，主要考核后期的學習內(nèi)容，前期的學習內(nèi)容也要有所涉及。其次，提高課堂表現(xiàn)的分值比例，建立周期性的課堂問答方法，如按照學號讓學生參與教學環(huán)節(jié)，確保至學習結(jié)束時每人都有機會能參與到課堂教學。對于主動提問，經(jīng)常與教師討論問題的學生給予較高的平時成績。

二是設(shè)立相關(guān)實驗課程，考核實踐能力。材料科學是一門注重實踐的課程，書本上的知識點最終要運到到材料的實際性能、制備及應(yīng)用上。紙上得來終覺淺，通過實踐考核可以綜合考查學生對于材料科學基礎(chǔ)知識點的掌握程度。如通過實驗方法畫制Fe-C相圖及分析合金的力學性能等。在畫質(zhì)Fe-C相圖時，培養(yǎng)學生學會對FeC合金進行熱處理，得到不同成分下的合金相，并在顯微鏡下進行觀察、分析合金相的形成過程。在分析合金的力學性能時，培養(yǎng)學生學會如何對合金進行拉伸或者壓縮，并繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。進一步掌握根據(jù)得到的曲線分析合金的塑性變形、彈性變形及屈服強度等。

三是增加研究報告的考核形式。結(jié)合材料科學基礎(chǔ)的特點，由教師羅列出熱點領(lǐng)域，在班級分成若干小組，每個小組自行選取興趣領(lǐng)域，形成研究報告，并在課堂上以PPT的形式進行報告。講述該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及問題，形成PPT并向老師和同學做報告，最后形成綜合評分。這一考核方式有助于培養(yǎng)學生的協(xié)調(diào)組織能力及團隊意識。在促進學生自身思考以及激發(fā)學習主動性的同時，也能讓學生及時了解最新的國際研究動態(tài)。

3結(jié)語

材料科學基礎(chǔ)是材料科學領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程，無論對于科學研究還是工程應(yīng)用都起到關(guān)鍵的作用。本文通過在教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合材料科學的特點及相關(guān)院校關(guān)于本課程的較好的做法，以“夯實基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導，提出了幾點改進措施。當然這些方法和措施也需要在教學過程中進行檢驗和改進。隨著我校對該課程的日益重視，以及材料課程的相關(guān)配套逐漸完善，材料科學基礎(chǔ)的教學將會取得更好的成果。

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項目：安徽省高等學校省級質(zhì)量工程項目（2017jyxm1207）材料科學與工程專業(yè)教學質(zhì)量監(jiān)控體系建設(shè)的研究