學科交叉背景下無機非金屬材料工程專業(yè)課程教學改革芻議
——以“無機材料科學基礎”為例

馬 妍，王周福，劉 浩，韓兵強，夏忠鋒

（武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢 430081）

1 學科交叉背景下材料專業(yè)的科教融合

學科交叉不僅是社會發(fā)展的客觀需要，也是科學技術發(fā)展的必然趨勢，交叉學科建設已成為我國各大高校發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要目標之一，在高校教學與科研工作中發(fā)揮著舉足輕重的作用。教學方面，多學科交叉是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，拓寬學生的知識面、優(yōu)化學生的知識和能力結(jié)構(gòu)、強化學生綜合能力、構(gòu)建寬口徑的培養(yǎng)模式有利于適應現(xiàn)代學生就業(yè)需求?？蒲蟹矫?，僅僅依靠單一學科的力量已難以解決某些重大科學問題，采取多學科交叉聯(lián)合探究的方式許多科學難題可望取得突破性進展。

材料科學與工程學科是一門理工結(jié)合、多學科交叉的新興學科，其發(fā)展關系到其他工程學科的進步。材料科學與工程包含豐富的內(nèi)涵，具有多學科交叉滲透的特征，涉及化學、物理，數(shù)學、生物、醫(yī)學、環(huán)境、新能源等諸多學科和領域。如何充分利用材料科學與工程學科自身的學科交叉特點，把材料科學與工程學科的前沿知識，特別是把具有當代科學發(fā)展特征的多學科交叉知識滲透反映到教學內(nèi)容中，培養(yǎng)學科交叉型創(chuàng)新人才，一直以來都是高校材料專業(yè)教師的教學研究熱點課題。

對于材料科學與工程學科的教師而言，搞好教學和科研是兩個首要任務。處理好二者之間的關系，使教學和科研和諧發(fā)展，對于每位教師的個人發(fā)展都至關重要。青年教師是未來高校教學工作的主體，肩負著推進高等教育不斷前進的重任。據(jù)了解，某高校無機非金屬材料工程專業(yè)在職青年教師均為國內(nèi)外知名高校的博士研究生，具有在國內(nèi)外高?；蚩蒲袡C構(gòu)從事博士后研究的經(jīng)歷。這些青年教師在碩士、博士、博士后期間都參與了不同領域的科研課題，在各學科交叉融合大背景下，他們?nèi)缃袼鶑氖碌目蒲姓n題大多仍具有學科交叉特色。以上科研經(jīng)歷使得無機非金屬材料專業(yè)青年教師具有物理、化學、冶金、環(huán)境、能源、光電子信息技術、生物醫(yī)藥等多學科背景知識，這為他們豐富專業(yè)課教學內(nèi)容提供了先天條件。可見，當前的學科交叉形勢為無機非金屬材料工程專業(yè)青年教師的教學和科研融合發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。

如何利用青年教師已有的學科交叉科研經(jīng)歷，合理設計所授專業(yè)課程教學方案、改進教學方法、實現(xiàn)科研教學融合共進，是一個值得探討的問題。本文將以無機非金屬材料工程專業(yè)核心課程——“無機材料科學基礎”課程教學為例，探討交叉學科背景下課程教學方法的改進措施，可為該專業(yè)青年教師教學科研互動提供有益參考。

2 “無機材料科學基礎”課程教學中存在的問題

“無機材料科學基礎”是無機非金屬材料工程專業(yè)本科生的一門必修專業(yè)課程，開課目的是為學習后續(xù)專業(yè)課、從事無機非金屬材料領域的科研和生產(chǎn)工作打下理論基礎。學生通過本課程的學習可掌握無機非金屬材料的工藝設計、制備及生產(chǎn)應用中涉及的基本原理，為后續(xù)專業(yè)課程的學習及畢業(yè)論文/設計等實踐教學環(huán)節(jié)推進打下堅實理論基礎。該課程教學內(nèi)容繁多，包括結(jié)晶學基礎、晶體結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷、熔體和玻璃體、表面與界面、熱力學應用、相平衡、擴散與固相反應、相變和燒結(jié)九大章節(jié)。課程的每一章節(jié)都涉及諸多基本概念和經(jīng)典理論。從歷屆學生反饋情況來看，學生普遍認為學習難度大，對于許多抽象知識點掌握不好，即使死記硬背應付了考試，但并沒有深入理解。此外，學生對各個章節(jié)的理論知識相應的實際應用不清楚，分析問題和解決工程問題的能力不足，導致其在后期科研和工作中無法靈活運用已學的理論知識。

為了積極響應國家提倡的“實踐與教育相結(jié)合”的方針政策，很多高校都在紛紛縮減專業(yè)課的學時，這無疑給以知識點多、概念多、理論抽象為特點的“無機材料科學基礎”課程的教學帶來更大的挑戰(zhàn)。在有限的學時條件下，如要保證教學效果不打折扣，拓展學生的知識面以適應現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，與時俱進地培養(yǎng)出學科交叉型復合型材料科學與工程人才，必然依賴于學生學習積極性的提高，需要督促學生自主學習以提高學習效率。

3 交叉學科背景下“無機材料科學基礎”教學改革策略

3.1 融入思政元素的學科交叉式案例教學

為了提高學生理論聯(lián)系實踐的能力，在“無機材料科學基礎”課程教學中，教師可將晦澀難懂的知識點巧妙地融入交叉學科特色的案例教學中，體現(xiàn)出該知識點在指導實際生產(chǎn)、科研實踐中的重要性。這不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，也可引導學生利用多學科交叉知識解決實際科研和工程問題，有利于培養(yǎng)適應當下新工科背景下創(chuàng)新型和應用型工程技術人才的培養(yǎng)需求。與此同時，在案例教學中，可將思政元素潤物細無聲地融入，培養(yǎng)學生的愛國情懷、激發(fā)學生學以致用、振興中華的壯志雄心。

例如，在講授“晶體結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷”這一章節(jié)時，我們將“綠色建筑節(jié)能顏料的開發(fā)”這一科研案例引入到課堂教學中，講解過程中涉及了環(huán)境工程、固體物理、無機化學、漿體流變學、傳熱學、新能源等多學科知識。學生在案例教學互動過程中可以從技術研發(fā)人員的視角進行思辨，了解顏料晶體結(jié)構(gòu)對其光學、熱學及化學穩(wěn)定性等性質(zhì)的重要影響，理解固溶摻雜是晶體材料改性的有效手段。在整個案例教學過程中，學生可以意識到晶體缺陷工程研究的重要性，深刻地感受到新材料的開發(fā)對人們生活水平提升的重要意義，同時培養(yǎng)了學生的節(jié)能環(huán)保意識。

3.2 學科交叉背景下以文獻調(diào)研帶動課堂討論

檢索并閱讀科技文獻、撰寫文獻調(diào)研報告，可為本科生畢業(yè)論文環(huán)節(jié)撰寫文獻綜述打下堅實基礎。例如在講授“晶體結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷”這一章節(jié)時，我們要求學生查閱有關“固溶體在節(jié)能、環(huán)保及新能源領域中的應用”相關文獻，每人撰寫不少于800 字的文獻調(diào)研報告。報告完成后，將教學班分組，每組組長代表組員做PPT匯報，開展學科交叉背景下的課堂討論。其目的是在學生深入理解固溶改性在無機非金屬材料結(jié)構(gòu)設計中重要地位的同時，培養(yǎng)學生閱讀文獻和總結(jié)歸納的能力。

學生在完成文獻調(diào)研報告的過程中，可了解無機材料領域常用數(shù)據(jù)庫，掌握調(diào)研報告中參考文獻正確的引用方法，學會如何避免對參考文獻的簡單堆砌，學會深入總結(jié)歸納以提出自己的學術觀點。近幾年，學生提交的調(diào)研報告中涉及諸多交叉學科領域，充分體現(xiàn)了無機材料科學基礎知識在學科交叉研究中的重要作用，其中包括：固體燃料電池、納米技術、航空航天用熱障涂層、鋰離子電池、高熵陶瓷、壓電陶瓷、儲能電介質(zhì)、過濾陶瓷、生物惰性陶瓷等。在進行PPT 匯報和課堂討論中，組長制作了內(nèi)容豐富且邏輯性強的PPT，進行了簡明扼要的講解，學生的團隊協(xié)助精神、演講能力、應變能力都得到了全方位訓練，有效地提高了教學效果。學科交叉背景下以文獻調(diào)研帶動的課堂討論，涉及了前沿領域的研究熱點，從近年來的實施情況來看，這種形式的課堂討論氣氛更為活躍，學生參與度明顯提高。

3.3 開展學科交叉特色的科研實踐

正所謂百聞不如一見，科研實踐是學生消化理論知識的載體。在課堂之外,我們鼓勵班里學生參與青年教師的交叉學科特色科研項目。近年來，專業(yè)青年教師帶領有意向的學生積極申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，參加大學生挑戰(zhàn)杯等學術競賽，開展了以本科生為主體的交叉特色科研實踐活動。學生在進行文獻調(diào)研、資料整理、實驗方案設計、科研分工協(xié)作、實驗操作、數(shù)據(jù)采集和分析處理中，不僅強化了對材料科學基礎理論知識的掌握程度，還培養(yǎng)了實踐動手能力，提升了科研技能和素質(zhì)，這為學生后續(xù)研究生深造確定自己感興趣的科研方向或從事材料研究開發(fā)工作夯實了基礎。

4 學科交叉式教學方式對無機非金屬材料工程專業(yè)青年教師科研工作的影響

目前，高校青年教師普遍存在科研創(chuàng)新意識不強的問題。由于材料科學發(fā)展速度迅猛，青年教師畢業(yè)后離開了原有的科研平臺，入職后沒有與時俱進，對本學科和專業(yè)的學術動態(tài)和前沿信息掌握不夠，視野受限。在專業(yè)課教學當中，如果采用學科交叉式教學手段，將對青年教師的交叉學科知識儲備提出新的要求。通過對無機非金屬材料工程專業(yè)青年教師的訪談調(diào)研發(fā)現(xiàn)，他們在準備學科交叉特色的教學資料的過程中，多領域?qū)W科專業(yè)知識得到了完善。通過了解相關領域的最新研究現(xiàn)狀激發(fā)了其科研靈感，許多青年教師提出了創(chuàng)新性的交叉學科特色的科研課題，獲得了國家基金或省基金的資助，真正實現(xiàn)了以教促研、教研互動。

5 結(jié)語

學科交叉背景下“無機材料科學基礎”課程教學改革已在無機非金屬材料工程專業(yè)2016、2017、2018、2019 級共180 多名本科生中實施，今后還將繼續(xù)推行、持續(xù)改進。教學改革激發(fā)了學生的學習興趣和自主學習潛能，拓寬了學生的知識面，學生期末考試中相應知識點的得分率明顯提高，已取得了初步成效。通過對“無機材料科學基礎”課程進行學科交叉式教學設計，可發(fā)揮無機非金屬材料專業(yè)諸多青年教師具有學科交叉特色科研經(jīng)歷的優(yōu)勢，以研促教，推進科教融合。不僅提升了本科生的綜合素養(yǎng)，滿足了新工科背景下材料專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，還提升了青年教師的教學科研水平。