新工科背景下“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)思考

何秦川

摘要材料科學(xué)與工程是世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科專業(yè)，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”作為此專業(yè)的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)建起到了極為重要的作用。在新工科背景下，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，提出了對(duì)材料專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求。為了適應(yīng)新工科背景下的發(fā)展要求，文章對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”這門學(xué)科的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容以及考核方式進(jìn)行了一些改革實(shí)踐和思考，為“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革以及培養(yǎng)新工科背景下的材料人才提供一些參考。

關(guān)鍵詞新工科;材料科學(xué)與基礎(chǔ);教學(xué)思考;改革實(shí)踐;教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? ??????DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.06.031

Reflections on the Teaching of "Fundamentals of Materials Science" Course under the Background of New Engineering

HE Qinchuan

（College of Materials and Chemistry & Chemical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059）

Abstract? Materials science and engineering is a key development discipline in countries around the world， and "Fundamentals??? of Materials Science" is the basic course for this major， which plays an extremely important role in the construction of students'??? professional knowledge structure. In the background of new engineering， the new requirements for the training of materials??? professionals are now proposed to actively respond to the new round of scientific and technological revolution and industrial??? changes. Therefore， in order to meet the development requirements in the context ofthe new engineering， in this paper， we have??? made some reform practices and reflections on the teaching mode， teaching contents and assessment methods of the subject??? "Fundamentals of Materials Science"， which provides some references for the teaching reform of the course "Fundamentals of??? Materials Science" and the cultivation ofmaterials talents in the context ofnew engineering.

Keywords? new engineering; Materials Science and Foundation; pedagogical reflection; reform practices; teaching quality

引言

自2017年 2月以來(lái)，教育部積極加強(qiáng)新工科建設(shè)，明確探索形成新工科建設(shè)模式，培養(yǎng)主動(dòng)適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)，新技術(shù)，新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。[1-2]

成都理工大學(xué)作為國(guó)家首批“雙一流”世界一流學(xué)科建設(shè)高校，入選“111計(jì)劃”、卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、中西部高?；A(chǔ)能力建設(shè)工程、國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目、新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目等。其材料科學(xué)與工程專業(yè)是教育部本科高等學(xué)校卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有家國(guó)情懷、人文素養(yǎng)、科學(xué)精神與德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義事業(yè)建設(shè)者和接班人，系統(tǒng)掌握材料組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備、物化性質(zhì)與使用效能及其相互關(guān)系，成為在材料科學(xué)與工程及其相關(guān)領(lǐng)域能夠勝任技術(shù)開(kāi)發(fā)與改造、工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與技術(shù)管理、產(chǎn)品銷售與咨詢、科學(xué)研究等工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)最基礎(chǔ)的理論專業(yè)課，對(duì)培養(yǎng)該專業(yè)人才起著極為重要的作用，但該課程具有“四多一抽象”的特點(diǎn)，即內(nèi)容頭緒多、原理規(guī)律多、概念定義多、相關(guān)學(xué)科多以及微觀結(jié)構(gòu)抽象，教材難度相對(duì)較大，對(duì)于本科生理解也有一定難度。[3]因此教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式就極為重要。本文結(jié)合“材料科學(xué)基礎(chǔ)”這門學(xué)科的教學(xué)現(xiàn)狀對(duì)此學(xué)科的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式進(jìn)行了一些改革實(shí)踐和思考，希望可以為培養(yǎng)新工科背景下的材料人才提供一些參考。

1 課程教學(xué)模式思考

21世紀(jì)的課堂教學(xué)條件是從一支粉筆、一本教科書(shū)、一塊黑板到多媒體的轉(zhuǎn)變過(guò)程，隨著課堂教學(xué)條件的優(yōu)化，課堂教學(xué)越來(lái)越被重視而成為教學(xué)組織的主要形式和活動(dòng)方式，因此課堂教學(xué)的組織是提高教學(xué)質(zhì)量的中心環(huán)節(jié)。[4] 目前的課堂教學(xué)模式普遍以老師講，學(xué)生聽(tīng)為主，這種以老師為主的教學(xué)模式顯得比較單一。而“材料科學(xué)基礎(chǔ)”這門課程作為材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)位課，知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜，內(nèi)容抽象，這種單一的課堂教學(xué)形式不利于學(xué)生掌握這門課程。并且，新工科背景下要求要以技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向去改革課程教學(xué)模式?；诖?，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”這門課程的教學(xué)模式做了一些改革實(shí)踐。

1.1? 學(xué)生自主探索，加深知識(shí)理解

新工科背景下培養(yǎng)未來(lái)多元化的工程人才，培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力是必要的。學(xué)習(xí)新知識(shí)的過(guò)程，是師生之間互動(dòng)的活動(dòng)，是掌握知識(shí)和基本技能的過(guò)程，也是主體的知識(shí)結(jié)構(gòu)和學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相結(jié)合的過(guò)程。[5]在這個(gè)過(guò)程中，不僅要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主探索，還要讓學(xué)生積極探索解決問(wèn)題的思路。例如在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”第六章相圖中涉及對(duì)低碳鋼和鑄鐵的理解，為了加深學(xué)生對(duì)這兩種材料的認(rèn)知，引導(dǎo)學(xué)生用兩種簡(jiǎn)單方法區(qū)分低碳鋼和鑄鐵。第一種是用錘子對(duì)兩種材料進(jìn)行敲擊，能敲碎的是鑄鐵，第二種是用銼子對(duì)兩種材料銼一下，通過(guò)觀察切屑的顏色區(qū)分兩種材料， 切屑黑灰染手為鑄鐵，切屑亮白不染手為低碳鋼，在這個(gè)過(guò)程中讓學(xué)生去分析比較這兩種材料的機(jī)械性能以及它們基體的成分。同時(shí)，材料來(lái)自生活，而生活充滿了材料，在教學(xué)中，緊密聯(lián)系學(xué)生的生活現(xiàn)實(shí)，在現(xiàn)實(shí)世界中尋找科學(xué)，使學(xué)生在生活中能夠“看到”材料科學(xué)，“感受”材料。讓學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)的方法觀察和分析生活中隱藏的各種材料。例如在教材第一章中涉及晶體和非晶體的概念，課堂上教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生去觀察并列舉生活中的晶體和非晶體，然后通過(guò)對(duì)比分析引導(dǎo)學(xué)生理解晶體和非晶體的具體區(qū)別。通過(guò)學(xué)生自己實(shí)踐觀察，結(jié)合教師的引導(dǎo)解釋加深對(duì)知識(shí)的理解。

1.2 創(chuàng)設(shè)課堂氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性

教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)氣氛鼓勵(lì)學(xué)生參與到生動(dòng)活潑的課堂中，運(yùn)用多種學(xué)習(xí)方式，滿足他們的內(nèi)在需求。學(xué)生能否真正成為教學(xué)的主體和學(xué)習(xí)的主人關(guān)鍵在于教師能否有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。? [6] 因此在正式進(jìn)入一節(jié)課的主要內(nèi)容前，通過(guò)用多樣化的教學(xué)方式創(chuàng)設(shè)一個(gè)生動(dòng)有趣的情景去調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性就顯得極為重要。例如，在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”第二章晶體學(xué)基礎(chǔ)中涉及空間點(diǎn)陣與晶胞，為了研究晶體內(nèi)大量原子、離子、分子、原子集團(tuán)等這些結(jié)構(gòu)基元在空間的排列規(guī)律，讓學(xué)生學(xué)會(huì)描述晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，教師可通過(guò)實(shí)體原子排列模型和晶胞結(jié)構(gòu)模型的展示創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)多媒體構(gòu)建一個(gè)具有立體透視感的空間結(jié)構(gòu)模型，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在生動(dòng)活潑的課堂上使學(xué)生能夠容易地理解相關(guān)內(nèi)容，提高“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課堂教學(xué)的質(zhì)量與效率。

1.3 承上啟下，尋找新舊知識(shí)結(jié)合點(diǎn)

在新工科建設(shè)背景下，教師應(yīng)該注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)，是以已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。教師在教學(xué)中必須定位新知識(shí)和學(xué)生已有的知識(shí)，對(duì)于與舊知識(shí)緊密聯(lián)系在一起的新知識(shí)，教師可以在鞏固舊知識(shí)的前提下讓學(xué)生利用知識(shí)的正向遷移，完成認(rèn)知沖突?！安牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)”課程前后章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)具有關(guān)聯(lián)性，因此教師在教學(xué)過(guò)程中要注重尋找新舊知識(shí)結(jié)合點(diǎn)。例如，教材第二章晶體學(xué)基礎(chǔ)主要介紹晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性和對(duì)稱性，讓學(xué)生理解7 大晶系與14種布拉菲點(diǎn)陣，對(duì)晶體有一定的認(rèn)識(shí)。緊接著在教材第三章就對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述，讓學(xué)生從晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料性質(zhì)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。因此，教師在對(duì)第三章內(nèi)容講解前，應(yīng)充分銜接第二章的內(nèi)容，在晶體學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)晶體結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步地講解，讓學(xué)生充分利用已有的知識(shí)體系提前對(duì)第三章內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，課堂上教師通過(guò)對(duì)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)再鞏固的過(guò)程中轉(zhuǎn)入晶體結(jié)構(gòu)的講解，完成知識(shí)的正向遷移。

1.4 學(xué)生自主，教師引導(dǎo)，從被動(dòng)到主動(dòng)

在新工科建設(shè)背景下，應(yīng)建立以學(xué)生為主的新型教學(xué)理念，學(xué)習(xí)是一種活動(dòng)，就像游泳和騎自行車一樣，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)就不可能掌握。[7]因此，在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”中，教師要改變傳統(tǒng)的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，在教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)、安排和組織中要以學(xué)生為中心，老師為導(dǎo)向，變被動(dòng)為主動(dòng)，提高教學(xué)質(zhì)量。以教材第六章相圖為例，此章分為五節(jié)，要求學(xué)生掌握相圖的基本知識(shí)以及二元相圖和三元相圖的分析與使用。教師可根據(jù)班級(jí)人數(shù)將其劃分為學(xué)習(xí)小組，然后把每一節(jié)的課程內(nèi)容分給這些小組，讓學(xué)生自主預(yù)習(xí)課程相關(guān)內(nèi)容并查閱搜集資料，制作課程 PPT，在每節(jié)課前十五分鐘讓學(xué)生進(jìn)行講解，并在小組內(nèi)進(jìn)行討論，教師給予答疑解惑。這種變被動(dòng)為主動(dòng)的學(xué)習(xí)模式可以充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、語(yǔ)言組織和 PPT 制作等能力，充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，提高學(xué)術(shù)的學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)效果。[8]

1.5 媒體與板書(shū)結(jié)合，豐富教學(xué)手段

單一的教學(xué)手段已經(jīng)不能滿足新工科背景下培養(yǎng)未來(lái)創(chuàng)新型人才的要求。隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，多媒體教學(xué)已經(jīng)在大學(xué)課堂中普及，多媒體能夠在課堂上給學(xué)生展示有聲有色的圖文，將教學(xué)內(nèi)容由抽象變?yōu)橹庇^，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但過(guò)度依賴多媒體教學(xué)會(huì)引起學(xué)生課堂注意力不集中，不利于教學(xué)進(jìn)度控制，降低教學(xué)效率。[9]板書(shū)作為傳統(tǒng)的教學(xué)模式，不利于教師對(duì)一些復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和抽象概念進(jìn)行講解，但是對(duì)于一些具有推導(dǎo)性、連貫性的知識(shí)點(diǎn)，以及學(xué)生應(yīng)重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)板書(shū)強(qiáng)調(diào)則有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，因此教師應(yīng)合理有機(jī)結(jié)合板書(shū)和多媒體教學(xué)。例如教材第四章晶體缺陷中涉及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)以及教材第六章相圖涉及三元相圖概念的理解，此部分內(nèi)容抽象復(fù)雜，學(xué)生理解困難，在這里適當(dāng)運(yùn)用多媒體進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示可以幫助學(xué)生理解。但在講述二元相圖時(shí)則可以利用板書(shū)畫(huà)出相關(guān)相圖，對(duì)結(jié)晶過(guò)程羅列板書(shū)，并推導(dǎo)相組成物，組織組成物含量的計(jì)算方法，幫助學(xué)生充分理解。通過(guò)多媒體和板書(shū)的有機(jī)結(jié)合加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象，提高教學(xué)效率。

2 課程教學(xué)內(nèi)容思考

結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院選擇北京大學(xué)付華主編的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為教材，該教材以材料結(jié)構(gòu)和制備的理論基礎(chǔ)為主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)材料類專業(yè)共性的基礎(chǔ)知識(shí)與理論，教材編排新穎，論述清晰。但該教材將原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵、無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)、高分子晶態(tài)結(jié)構(gòu)以及無(wú)機(jī)非金屬材料的液-固態(tài)相變和高分子材料的凝固等內(nèi)容結(jié)合在一起，理論概念多，知識(shí)信息量較大，如果不考慮專業(yè)實(shí)際情況，在專業(yè)課時(shí)本就有限的情況下對(duì)所有內(nèi)容講解不僅會(huì)使教師難以講透知識(shí)點(diǎn)，而且會(huì)增加學(xué)生的理解難度，不利于學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)，降低教學(xué)效率。為了滿足新工科建設(shè)背景下應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)的建設(shè)理念，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容做出了一些思考。

根據(jù)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的內(nèi)容特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容適當(dāng)取舍，適當(dāng)?shù)亟档驼n程難度，提高教學(xué)效率。例如緒論部分主要介紹關(guān)于材料的發(fā)展與分類以及材料工程的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于這部分內(nèi)容教師不必做重點(diǎn)講解，可讓學(xué)生自己去閱讀整理并查閱相關(guān)資料完成課后習(xí)題。同時(shí)，對(duì)于第一章內(nèi)容原子結(jié)構(gòu)及結(jié)合鍵，其中原子結(jié)構(gòu)模型、核外電子排布規(guī)律以及原子的電離能部分教師可做簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)講解結(jié)合鍵部分。在晶體學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)里，重點(diǎn)講解空間點(diǎn)陣以及晶向指數(shù)與晶面指數(shù)，而舍去晶體的投影以及晶體的對(duì)稱性等相對(duì)較為抽象的內(nèi)容，該部分可在晶體結(jié)構(gòu)學(xué)完后做系統(tǒng)講解。在相圖章節(jié)里，對(duì)于二元?jiǎng)蚓鄨D、二元共晶相圖、二元包晶相圖以及鐵碳相圖的凝固過(guò)程做重點(diǎn)講解，而舍去與凝固有關(guān)的動(dòng)力學(xué)理論和相圖熱力學(xué)部分，該部分內(nèi)容可在“材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)”課程中做重點(diǎn)講解。在三元相圖里，對(duì)三元?jiǎng)蚓鄨D和三元共晶相圖的結(jié)晶過(guò)程做重點(diǎn)分析，對(duì)于后面一些更加復(fù)雜的典型三元相圖，如 Fe-C-Si 、Fe-C-N 和 MgO-Al2O3-SiO2 可不必做進(jìn)一步的分析講解。課程教學(xué)中不能只追求大而全，而要根據(jù)課程實(shí)際情況做出一定的區(qū)分和取舍，只有這樣才能在有限的課時(shí)下提高教學(xué)質(zhì)量及效率。

3 課程考核方式思考

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程目前的考核方式與傳統(tǒng)教學(xué)考試方式一樣，即總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（30%）+期末筆試成績(jī)（70%），其中平時(shí)成績(jī)主要為出勤率，這種考核方式卷面成績(jī)占比較大，導(dǎo)致學(xué)生不注重平時(shí)學(xué)習(xí)，對(duì)期末考試存在僥幸心理，不能體現(xiàn)全程化、多元化的課程考試，不利于新工科背景下的人才培養(yǎng)。為了取得更好的教學(xué)效果，對(duì)課程的考核方式做了一些改革實(shí)踐，將平時(shí)成績(jī)模塊化，其中課堂筆記10分、課堂作業(yè)20分、課堂提問(wèn)10分、課外作業(yè)-練習(xí)60分。對(duì)于期末考試試題，減少選擇題的分值，增加分析計(jì)算和作圖題的分值，其中名詞解釋10分、選擇題 10分、分析題30分、作圖計(jì)算50分。以此方式來(lái)提高學(xué)生對(duì)課堂的重視程度，增強(qiáng)學(xué)生自我修養(yǎng)意識(shí)，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)課基礎(chǔ)知識(shí)能力，使學(xué)生做到“知行統(tǒng)一”，從而提高教學(xué)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)背景下，本文對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”這門課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容以及考核方式等做了一些思考和改革實(shí)踐，旨在提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和效率，從而滿足新工科背景下培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的需求。在后續(xù)教學(xué)中，還需根據(jù)課程情況持續(xù)改進(jìn)，積極創(chuàng)造教學(xué)條件，不斷完善“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)體系，全面提高教學(xué)質(zhì)量及效率，為新工科建設(shè)背景下材料專業(yè)人才的培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

基金項(xiàng)目：2020-2022年度成都理工大學(xué)教師發(fā)展科研啟動(dòng)基金（10912-KYQD2020-08264）。

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