新工科背景下材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實踐探索

馬愛瓊，高云琴，任 耘，肖國慶，任金翠

(西安建筑科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，探討了新工科的內(nèi)涵特征與發(fā)展路徑。新工科建設(shè)思路為我國在新的經(jīng)濟環(huán)境下高等工程教育改革指明了方向。

一、課程概況

由于材料在高新科技領(lǐng)域中不可替代的作用，以及材料學(xué)的工程性和實踐性特點，對從事材料專業(yè)的工程技術(shù)人員提出了更高的要求，比如扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識將是培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、解決材料領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的綜合素質(zhì)、研發(fā)能力的基礎(chǔ)。因此，在材料類專業(yè)的本科人才培養(yǎng)中，加強對學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識教育尤為重要。在以上新工科建設(shè)的背景下，材料學(xué)院專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)團隊對本學(xué)院的三門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程基礎(chǔ)、材料研究方法的教學(xué)模式及課程成績評價方式進行了一系列改革，下面結(jié)合材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的建設(shè)模式進行具體論述。

二、教學(xué)改革與實踐

(一)對課程教學(xué)內(nèi)容進一步優(yōu)化整合，明確課程教學(xué)目標(biāo)

在材料科學(xué)基礎(chǔ)課程建設(shè)前期，教學(xué)團隊對建設(shè)方案進行了充分的調(diào)研論證，廣泛征求了專業(yè)任課教師與學(xué)生的意見。結(jié)合部分專業(yè)任課教師反饋的意見，認(rèn)為材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容中的黏土-水系統(tǒng)膠體化學(xué)內(nèi)容與后續(xù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)課程如陶瓷工藝學(xué)、混凝土工藝學(xué)等結(jié)合緊密；同時通過與部分學(xué)生座談了解到熔體與玻璃體內(nèi)容相對更適合自學(xué)。鑒于以上原因，教學(xué)團隊在課程建設(shè)中，果斷對教學(xué)內(nèi)容進行了優(yōu)化整合，在授課環(huán)節(jié)，增加了黏土-水系統(tǒng)膠體化學(xué)授課內(nèi)容，同時將熔體與玻璃體部分內(nèi)容調(diào)整為自學(xué)。

同時，為進一步提高教學(xué)效果，教學(xué)團隊還精心設(shè)計了調(diào)查問卷，發(fā)放給修讀該課程的本科生，了解他們課程教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，并作為團隊任課教師制訂教學(xué)計劃的依據(jù)。

2018 年底，西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)通過了教育部組織的中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，為保證本專業(yè)的人才培養(yǎng)效果，教學(xué)團隊認(rèn)真制定了本課程的6個教學(xué)目標(biāo)。

1.掌握基本的結(jié)晶學(xué)知識，掌握常見晶體的結(jié)構(gòu)類型，晶體結(jié)構(gòu)缺陷的特點、類型與應(yīng)用，了解熔體與玻璃體的基本知識，引導(dǎo)學(xué)生能將無機化學(xué)、物理化學(xué)知識應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)分析，培養(yǎng)學(xué)生具備根據(jù)材料的組成、結(jié)構(gòu)選擇合適的研究測試方法的能力，利用晶體結(jié)構(gòu)知識研發(fā)新材料的能力。

2.掌握表面與界面的基礎(chǔ)理論知識，使學(xué)生認(rèn)識表面與界面現(xiàn)象在材料制備、生產(chǎn)與使用中的運用，使學(xué)生具備根據(jù)材料制備需要選擇合理的表面與界面的能力。

3.掌握相平衡的基本理論，掌握相平衡的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生判讀復(fù)雜相圖的能力，并通過具體案例分析，使學(xué)生認(rèn)識到相平衡與相圖知識在無機材料生產(chǎn)、制備中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)材料研發(fā)需要選擇合理相圖的能力。

4.通過擴散與固相反應(yīng)基本理論的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握質(zhì)點擴散的微觀機制、固相反應(yīng)機理與動力學(xué)關(guān)系，在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、無機化學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，能理解相關(guān)公式的推導(dǎo)過程，引導(dǎo)學(xué)生從微觀層面認(rèn)識影響材料生產(chǎn)、制備的因素，并通過具體案例分析，培養(yǎng)學(xué)生具備根據(jù)材料生產(chǎn)實際需要選擇合理的生產(chǎn)工藝的能力。

5.通過相變理論知識的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握相變的基本類型，成核-生長相變的基本原理、相變的過程和影響相變的因素，能利用高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)知識，推導(dǎo)相變過程中相關(guān)公式，培養(yǎng)學(xué)生具備根據(jù)材料生產(chǎn)需要選擇合適的相變機理的能力。

6.掌握燒結(jié)的基本概念，燒結(jié)機理、燒結(jié)傳質(zhì)動力學(xué)關(guān)系和影響燒結(jié)的因素，在所學(xué)高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)知識基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從微觀層面認(rèn)識燒結(jié)過程中所發(fā)生的物理變化，使學(xué)生具備根據(jù)材料生產(chǎn)的實際需要選擇合適的燒結(jié)工藝的能力。

通過采取以上措施，教學(xué)團隊對教學(xué)內(nèi)容與授課計劃進行了精心優(yōu)化，調(diào)整后的教學(xué)計劃與教學(xué)內(nèi)容見表1。

表1 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)與授課計劃

(二)拓寬課程學(xué)習(xí)空間，建設(shè)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺

在課程建設(shè)前，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)主要以課堂教學(xué)為主，教學(xué)方法手段單一，即便安排有集中答疑輔導(dǎo)，但有時可能和學(xué)生上課時間沖突，效果不佳。因此，在本次課程建設(shè)中，教學(xué)團隊倡導(dǎo)教學(xué)方法手段多元化，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。因此，依托學(xué)校提供的超星網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，建設(shè)了材料科學(xué)基礎(chǔ)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺。將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)日歷、教學(xué)大綱、考核方式、實驗指導(dǎo)書等都發(fā)布到課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，并開辟有交流討論區(qū)，學(xué)生可以隨時平臺預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中有疑問可以留言，任課教師會及時解答。通過建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，將教學(xué)資源集中發(fā)布，拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，提升了課程學(xué)習(xí)效果。

(三)建設(shè)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程習(xí)題庫，習(xí)題類型多元化

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容抽象難懂，如果課下沒有一定數(shù)量的習(xí)題練習(xí)鞏固，將會影響課程學(xué)習(xí)效果。因此，在本次課程建設(shè)中，教學(xué)團隊在原有課后習(xí)題的基礎(chǔ)上，重新收集整理了一部分習(xí)題，習(xí)題類型除常見的名詞解釋、問答題與計算題外，還包括填空題、選擇題與判斷題，并將一部分習(xí)題發(fā)布到課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，建設(shè)了電子習(xí)題庫，在課程教學(xué)過程中，教學(xué)團隊定期布置課后習(xí)題與課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺習(xí)題，要求學(xué)生在規(guī)定時間提交，并作為平時考核成績的一部分。這種多元化的習(xí)題類型，幾乎涵蓋了所講授的課程內(nèi)容，可以方便學(xué)生課后復(fù)習(xí)鞏固，提高了課程學(xué)習(xí)的效果。

(四)針對部分內(nèi)容，制作授課視頻與Flash 課件

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程理論性強，部分內(nèi)容抽象難懂，光靠任課教師課堂講授一遍，由于學(xué)生群體存在個體差異，有些內(nèi)容學(xué)生很難一遍就消化掌握。針對這一問題，在本次課程建設(shè)中，教學(xué)團隊羅列了課程中一些抽象難懂的內(nèi)容，如球體緊密堆積原理、晶體結(jié)構(gòu)知識、缺陷反應(yīng)方程式的書寫以及判讀三元相圖的幾條重要規(guī)則等，精心制作了微課視頻，并發(fā)布到課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上，方便學(xué)生根據(jù)自身的掌握情況，下載復(fù)習(xí)觀看。這些課程建設(shè)措施的應(yīng)用，極大地彌補了以往單一教學(xué)方式的缺陷，使課程教學(xué)方法手段趨于多元化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了更好的教學(xué)效果。

(五)對課程實驗內(nèi)容進一步優(yōu)化，增加綜合性實驗數(shù)量

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中所涉及的理論抽象難懂，如晶體結(jié)構(gòu)知識、相平衡知識等。如果單一依靠課堂理論講授，不便于學(xué)生理解掌握，因此，本課程開設(shè)有部分實驗課，但是，之前所開設(shè)的實驗內(nèi)容僅涉及晶體結(jié)構(gòu)模型認(rèn)識、表面張力測定與材料機理研究實驗。為提高教學(xué)效果，教學(xué)團隊在實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革中，一方面對基礎(chǔ)實驗教學(xué)內(nèi)容進行了重新組合，為提高教學(xué)效果，對一些重點章節(jié)確保有相應(yīng)的實驗課開出。另一方面將拓寬實驗內(nèi)容，如在相平衡這一部分，將增加淬冷法研究相平衡綜合性實驗，通過本實驗，將材料科學(xué)基礎(chǔ)與材料研究方法課程的有關(guān)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合在一起，加深學(xué)生對相關(guān)知識的掌握。增開了“固相反應(yīng)動力學(xué)研究”綜合性實驗，實驗室在學(xué)院的支持下，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的需要，增加了實驗設(shè)備，保證每個學(xué)生可以親自動手操作完成實驗。通過以上實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，加強了學(xué)生對課程中相關(guān)理論的理解，提高了實踐動手能力，取得了更好的教學(xué)效果。除此之外，根據(jù)學(xué)生需要，將部分實驗室資源面向?qū)W生開放，完成大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、SSRT 訓(xùn)練項目，使課程教學(xué)與科學(xué)研究相輔相成，注重培養(yǎng)學(xué)生獲取知識、運用知識、創(chuàng)新知識的能力。

(六)改革課程學(xué)習(xí)評價方式，增加學(xué)習(xí)過程評價比重

以往的課程考試，過于注重期末測試在總評成績中所占比重，導(dǎo)致部分學(xué)生平時上課不認(rèn)真，依靠考前突擊通過課程考試。這加重了學(xué)生“為了考試而學(xué)習(xí)”的意識，不利于學(xué)生注重平時課程學(xué)習(xí)的過程管理。鑒于此，在本次課程建設(shè)中教學(xué)團隊先后進行了兩次考核方式改革，一是實行教考分離，任課教師不參與考試出題，保證考核題目客觀公正；二是在2017 級學(xué)生的課程考核中，加大平時成績的考核內(nèi)容與考核比重，考核內(nèi)容包括考勤、觀看視頻、課后作業(yè)、課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺測驗、課程小論文等環(huán)節(jié)，將考核貫穿于課程學(xué)習(xí)的全過程，降低了期末考試在總評成績中所占的比例，且期末考核的內(nèi)容均以主觀分析題為主，這便于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題的能力。如圖1 所示。這些考核方式的改革，有助于督促學(xué)生注重平時學(xué)習(xí)，嚴(yán)格要求自己；同時，通過課程小論文的提交，可以引導(dǎo)學(xué)生查閱與專業(yè)相關(guān)的文獻資料，明確課程所學(xué)內(nèi)容在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這些措施的實施，都極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了很好的教學(xué)效果。

圖1 課程學(xué)習(xí)過程評價與期末評價的內(nèi)容與比例

三、教學(xué)改革成效

近幾年來，通過以上課程教學(xué)模式改革與實踐，本專業(yè)學(xué)生對于專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)更加重視，專業(yè)素養(yǎng)有了很大提高。在評價要求相同的情況下，教學(xué)團隊對比了近3 屆材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的期末考試卷面成績。與未進行課程改革的2016 級學(xué)生相比，可以看到，學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握、分析解決問題的能力有了顯著提高，卷面成績優(yōu)良率由2016 級的29.2%提高到2018 級的48.65%。不及格率由35.04%下降到18.92%，如圖2 所示。這表明，通過改革教學(xué)模式，加強學(xué)習(xí)過程評價，激發(fā)了學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，教學(xué)質(zhì)量提升明顯。

圖2 近3 屆學(xué)生期末考試卷面成績分析

通過近幾年的努力教學(xué)改革與實踐，教學(xué)團隊老師與學(xué)生的課堂內(nèi)外互動進一步增強，及時引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，為學(xué)生答疑解惑，受到了學(xué)生的廣泛好評。2019-2021 年以來，教學(xué)團隊先后有兩位主講教師榮獲西安建筑科技大學(xué)由學(xué)生評選的最受歡迎主講教師榮譽稱號。除此之外，教學(xué)團隊老師還積極鼓勵學(xué)生參加課外科研訓(xùn)練及學(xué)科競賽等，構(gòu)建了多元協(xié)同的適合新工科發(fā)展需求的教學(xué)、實踐環(huán)節(jié)相互促進，具有創(chuàng)新性、可持續(xù)的材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式，目的在于通過這些訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。在今后的課程教學(xué)中，材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)將進一步響應(yīng)教育部提出的打造金課的號召，適應(yīng)新工科教育對人才培養(yǎng)的要求，進一步加強課程建設(shè)，力爭把課程建設(shè)為省級乃至國家級一流課程。