以創(chuàng)新思維和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

付 萌，黎相明

（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名 525000）

教育部在【教高2019】6號(hào)文件中指出，要深化本科教育教學(xué)改革、全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。對(duì)本科教育教學(xué)進(jìn)行改革，必須充分挖掘各類課程原有的創(chuàng)新資源，并不斷充實(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新內(nèi)容，強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)協(xié)同育人[1]。深化高等學(xué)校的創(chuàng)新教育改革是國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)的迫切需要。同時(shí)，它也是推進(jìn)高等教育綜合改革、促進(jìn)高校畢業(yè)生更高質(zhì)量就業(yè)的重要舉措[2]。為了培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，需要注重將創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力融入具體專業(yè)課程的教學(xué)中。因此，如何在專業(yè)課程教學(xué)過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，以培養(yǎng)適應(yīng)國家和社會(huì)發(fā)展需求的人才，是當(dāng)前高校專業(yè)課程教學(xué)改革的重要方向之一。

1 課程存在的問題

材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料類專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)理論課。該課程以材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝和性能為研究對(duì)象，在物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的分類、特性及應(yīng)用進(jìn)行闡述，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)有助于培養(yǎng)高質(zhì)量的應(yīng)用型創(chuàng)新人才，然而，這門課程具有“四多一抽象”的特點(diǎn)，即內(nèi)容繁多、原理規(guī)律眾多、概念定義復(fù)雜、涉及相關(guān)學(xué)科廣泛，同時(shí)還存在微觀結(jié)構(gòu)的抽象性。教材的難度相對(duì)較高，對(duì)于本科生來說，理解起來可能會(huì)相對(duì)困難[3]。受課時(shí)影響，傳統(tǒng)的材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)基本都是從一支粉筆、一本教科書、一塊黑板和一份講課PPT 開始，以教師灌輸式授課為過程，以單一的閉卷考試考核方式結(jié)束（現(xiàn)狀如圖1所示）。這種教學(xué)形式嚴(yán)重制約了材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)效果和教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，限制了學(xué)生自主探索和創(chuàng)新能力的發(fā)展[4-5]。因此，對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革，建立與時(shí)代相適應(yīng)、以創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的新教學(xué)內(nèi)容、新教學(xué)模式和新考核方式具有重要意義。這種方式有助于培養(yǎng)高水平人才，使他們符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展規(guī)律，具備創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。這樣的人才培養(yǎng)方式能夠滿足當(dāng)前國家社會(huì)對(duì)材料學(xué)科人才的需求。

圖1 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程現(xiàn)狀

2 教學(xué)新舉措

教學(xué)實(shí)施過程中，如何將抽象難懂、復(fù)雜多樣的教學(xué)內(nèi)容傳授給學(xué)生，讓學(xué)生能夠接受并樂于接受，直接影響到改革的成效。而學(xué)生教學(xué)效果的達(dá)成取決于任課教師對(duì)課程重要性的詮釋及獨(dú)特、豐富的授課方式。在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中，教學(xué)過程必將由以前的“教師講解、學(xué)生模仿型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體的教學(xué)復(fù)合型”。如何在教師引導(dǎo)下使學(xué)生積極地探索，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性[6]，使學(xué)生從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)是很重要的。另外，考核在課程學(xué)習(xí)中非常重要，對(duì)課程進(jìn)行考核時(shí)應(yīng)盡可能全面地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。如何實(shí)現(xiàn)考核多元化，以反映學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)和真實(shí)的學(xué)習(xí)效果是課程改革考慮的必要環(huán)節(jié)之一。如圖2所示。

圖2 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革方案

2.1 以創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)虒W(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面改革

為促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，需要確立合理的課程教學(xué)內(nèi)容。這意味著教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該多樣化，并且知識(shí)體系應(yīng)該連貫完整。對(duì)于材料科學(xué)而言，其核心內(nèi)容涉及材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用及制備工藝之間的相互關(guān)系。因此，課程內(nèi)容體系應(yīng)該能夠?qū)⒏鞣N材料有機(jī)結(jié)合起來，建立更為廣泛的基礎(chǔ)知識(shí)體系[7]。根據(jù)我們學(xué)院功能材料專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，可以將課程內(nèi)容調(diào)整為以下幾個(gè)章節(jié)：第一章是原子結(jié)構(gòu)與鍵合，第二章是固體的結(jié)構(gòu)，第三章是晶體缺陷，第四章是擴(kuò)散，第五章是相圖。通過這樣的調(diào)整，課程內(nèi)容將主要涵蓋金屬材料和無機(jī)非金屬材料，并對(duì)它們的通性與特性進(jìn)行統(tǒng)一的對(duì)比分析。此外，為了避免與后續(xù)課程重復(fù)內(nèi)容，可以在課程內(nèi)容上進(jìn)行適度的詳略處理。例如，在材料的性能方面，由于學(xué)生將在后續(xù)學(xué)習(xí)材料結(jié)構(gòu)與性能課程時(shí)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，因此在本門課程中可以簡略介紹基本概念，以確保學(xué)生建立起必要的理解。

為了跟上材料學(xué)科知識(shí)的更新步伐，應(yīng)該大膽跳出教材框架，將材料科學(xué)領(lǐng)域最新的進(jìn)展案例融入課堂教學(xué)。僅僅以教材內(nèi)容為依托的授課會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的案例或某些理論無法跟上時(shí)代的發(fā)展需求，因?yàn)榻滩母滤俣容^慢。如果只講授教材中的內(nèi)容，就有可能使學(xué)生的知識(shí)體系落后于時(shí)代的發(fā)展要求。脫離時(shí)代發(fā)展步伐會(huì)使學(xué)生失去對(duì)知識(shí)的興趣和激情，同時(shí)也難以調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維能力。因此，在教學(xué)過程中，應(yīng)該及時(shí)將最新的研究成果案例引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生從材料的結(jié)構(gòu)出發(fā)，更準(zhǔn)確地把握新材料的性質(zhì)和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要在教學(xué)中創(chuàng)新并引導(dǎo)學(xué)生參與。例如，可以通過查閱文獻(xiàn)、閱讀論文、小組討論等方式深化教學(xué)內(nèi)容，拓寬材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的知識(shí)邊界，使學(xué)生學(xué)會(huì)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中。主講老師和學(xué)生們可以共同追蹤學(xué)科的發(fā)展，將最新的研究成果案例與材料的基本理論相結(jié)合。通過整理、討論、梳理、總結(jié)和更新等過程，可以形成反映學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)的教學(xué)內(nèi)容。這樣的教學(xué)方式可以使學(xué)生在預(yù)測材料性能和應(yīng)用方面具備一定的能力，或者在現(xiàn)階段的功能需求下對(duì)材料的基本組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)。通過充分的討論和互動(dòng)，可以在基礎(chǔ)知識(shí)和最新科研成果之間建立有效的橋梁，將理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用相結(jié)合。在這個(gè)過程中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提升他們獲取信息和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，還能挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的材料類專業(yè)人才。

2.2 以創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)虒W(xué)方法與教學(xué)手段進(jìn)行全方位改革

教師引導(dǎo)學(xué)生自主探索，加深知識(shí)理解。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的理解，就要改變灌輸式的教學(xué)模式，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)分級(jí)。老師重點(diǎn)講解基本概念和基礎(chǔ)理論，在教學(xué)過程中要注重引導(dǎo)，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膯栴}引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，幫助學(xué)生積極參與課堂，將問題與枯燥無味的基本理論概念相結(jié)合，從而進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的消化和吸收。“翻轉(zhuǎn)課堂”的引入，可以幫助教師從課程學(xué)習(xí)過程中的主講者變?yōu)閷W(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)者，在課堂討論中讓學(xué)生受益。例如，在固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)部分具體內(nèi)容講授前可以先提出問題，如“擴(kuò)散一定是從高濃度向低濃度的嗎？”然后進(jìn)入到下坡擴(kuò)散具體理論知識(shí)的講解，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行課下思考及自學(xué)，第二次課的時(shí)候可以提供課堂討論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生提出自己對(duì)問題的解答及看法，之后教師對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行解釋與總結(jié)，并將上坡擴(kuò)散的內(nèi)容講解給學(xué)生。通過這樣的方式，不僅學(xué)生對(duì)擴(kuò)散的知識(shí)點(diǎn)印象更加深刻、理解更加透徹，而且可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，轉(zhuǎn)被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力、分析問題和解決問題的能力。

充分利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)教育資源。材料科學(xué)基礎(chǔ)這門課的基本概念和基礎(chǔ)理論都有抽象、不直觀的特點(diǎn)，它們往往從材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，難以理解。將抽象概念具體化，對(duì)學(xué)生理解學(xué)科內(nèi)容非常有幫助。這就需要教師在教學(xué)過程中充分發(fā)揮多媒體的輔助作用，積極引入三維結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)畫演示模型，將一些抽象的或語言難以準(zhǔn)確描述的基本理論、基本概念、基本結(jié)構(gòu)等進(jìn)行直觀的演示，特別是晶體缺陷中的點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)等。這樣既能提高學(xué)生在課堂上的專注力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與理解，也極大提高了課堂效率。另外，材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)體系豐富龐雜，課程的學(xué)時(shí)有限，將常規(guī)的教學(xué)手段與中國MOOC、雨課堂、學(xué)習(xí)通等現(xiàn)代教育教學(xué)手段相結(jié)合，讓學(xué)生在線上完成課前預(yù)習(xí)+實(shí)時(shí)課堂+課后習(xí)題+期末考試，全程的教學(xué)數(shù)據(jù)可以幫助教師判斷分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)節(jié)奏，提高課堂效率。該方式可以充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。

承上啟下，尋找新舊知識(shí)結(jié)合點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，需要以已經(jīng)學(xué)習(xí)過的舊知識(shí)為經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，所以教師在教學(xué)中必須對(duì)學(xué)生已學(xué)的新知識(shí)有非常清晰的認(rèn)知。為了幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)新知識(shí)，教師要找到新知識(shí)和舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)性，為新、舊知識(shí)搭建起通道和橋梁，幫助學(xué)生利用知識(shí)的正向遷移，完成認(rèn)知沖突。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程前后章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，但依然有關(guān)聯(lián)性。如教材的第二章主要介紹了完美晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)律，讓學(xué)生掌握7個(gè)晶系和14種布拉菲點(diǎn)陣，為他們建立對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí)。接下來的第三章則講解了不完美晶體結(jié)構(gòu)，即晶體缺陷，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的理解。因此，在教師講解第三章內(nèi)容之前，應(yīng)該充分銜接第二章的內(nèi)容，以在完美晶體學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講解晶體結(jié)構(gòu)缺陷，讓學(xué)生能夠利用已有的知識(shí)體系提前預(yù)習(xí)第三章的內(nèi)容。在課堂上，教師可以通過鞏固晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的過程來引入缺陷結(jié)構(gòu)的講解，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正向遷移。

2.3 以創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)己朔绞竭M(jìn)行深層次改革

考核多元化。在課程學(xué)習(xí)中，考核扮演著非常重要的角色。一門課程的考核應(yīng)該盡可能全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)和真實(shí)的學(xué)習(xí)效果。研究命題要盡量與工科專業(yè)的切實(shí)需求相結(jié)合，降低對(duì)公式、概念的教學(xué)力度，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握能力，評(píng)判學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的水平，真正使學(xué)生做到學(xué)以致用?？己藘?nèi)容的設(shè)定可以有效激發(fā)學(xué)生的思考意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)，減少學(xué)生期末考試“臨時(shí)抱佛腳”的現(xiàn)象。與此同時(shí)，還需要改變期末成績完全以試卷成績?yōu)闇?zhǔn)的現(xiàn)象，學(xué)生每學(xué)期的總成績可以由平時(shí)成績、期中成績、期末成績組成。平時(shí)成績由學(xué)生的課堂表現(xiàn)、出勤率、作業(yè)完成情況、復(fù)習(xí)與預(yù)習(xí)等方面決定。期中成績與期末成績則是檢驗(yàn)學(xué)生階段性知識(shí)獲取和掌握的情況。教師在開展教學(xué)的過程中要督促學(xué)生將更多精力放在平時(shí)成績中，降低期末復(fù)習(xí)的壓力，幫助學(xué)生獲得良好的綜合成績。

3 結(jié)語

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革源于國家和社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的迫切需求。創(chuàng)新能力是中華民族進(jìn)步的階梯，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。高等教育的重要使命之一是培養(yǎng)適應(yīng)國家發(fā)展需求的高素質(zhì)人才，他們具備創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。在大學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要進(jìn)行探索和創(chuàng)造。因此，在教學(xué)中應(yīng)精心實(shí)施培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力的策略，并將其融入具體課程中。通過這樣的教學(xué)方式，可以為創(chuàng)新型中國增添更多力量。這意味著高等教育需要切實(shí)履行這一時(shí)代使命，確保學(xué)生能夠充分發(fā)展創(chuàng)新能力，為國家的創(chuàng)新發(fā)展助力。

以創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生自主探索，解決學(xué)業(yè)中遇到的問題；引入案例式、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，添加豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，增加學(xué)生與老師的互動(dòng)，創(chuàng)設(shè)新的課堂氛圍模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升課堂效率；豐富課程考核方式，加重每一章節(jié)學(xué)習(xí)過程的分?jǐn)?shù)權(quán)重，增加綜合小作業(yè)等提高學(xué)生信息收集能力及收集信息后解決新問題的能力。除了提高學(xué)習(xí)效果外，以期培養(yǎng)出符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展規(guī)律，具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，全方位提高學(xué)生的應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，滿足現(xiàn)階段國家社會(huì)發(fā)展對(duì)材料學(xué)科人才培養(yǎng)的需求。