新工科背景下“材料表面與界面”課程創(chuàng)新實踐探索

摘 要：“材料表面與界面”是材料科學(xué)與工程專業(yè)為培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力的復(fù)合型科技人才而開設(shè)的一門專業(yè)選修課程。文章結(jié)合高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，從校企合作、課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)模式創(chuàng)新、考核評價方式4個方面提出教學(xué)改革對策，達成既培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考的能力，又充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和團隊協(xié)作能力的目標(biāo)。同時，將基礎(chǔ)知識與產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展有機融合，重塑課程創(chuàng)新實踐內(nèi)涵和價值導(dǎo)向，為高校工科課程教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：新工科;新材料;教學(xué)改革;創(chuàng)新實踐;“材料表面與界面”課程

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）10-0064-04

一、引言

新工科建設(shè)是新科技、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟時代背景下培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的重要舉措，也是推進高等學(xué)校工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇[1]?！安牧媳砻媾c界面”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要課程，以固體界面、液體界面、固液界面及固固界面等理論知識為基礎(chǔ)，以聚合物界面、金屬界面、無機非金屬界面及復(fù)合材料界面等應(yīng)用知識為引導(dǎo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)知識的認(rèn)知，提高學(xué)生應(yīng)用本課程知識進行理論分析和解決工程實踐問題的能力。該課程在納米材料、智能仿生材料及新能源等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)升級中具有不可或缺的作用。

當(dāng)前，傳統(tǒng)工科課程教學(xué)資源匱乏、考核方式單一、學(xué)科交叉不足，難以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[2]，因此，需要在教學(xué)資源、課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)模式及考核機制等方面進行改革，推動材料類課程教學(xué)向新工科范式變革。為提高工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量，2022年，棗莊學(xué)院聯(lián)合棗莊市政府和山東欣旺達新能源有限公司等地方企業(yè)成立了鋰電產(chǎn)業(yè)學(xué)院，整合多主體創(chuàng)新要素和資源，在人才培養(yǎng)、資源共享、校企聯(lián)合教學(xué)等方面進行了深度產(chǎn)學(xué)研合作，為“材料表面與界面”課程的教學(xué)改革提供了契機。文章結(jié)合棗莊學(xué)院教學(xué)改革實際和教學(xué)團隊的教學(xué)實踐，對近2年“材料表面與界面”課程的教學(xué)改革經(jīng)驗與成效進行了總結(jié)。

二、“材料表面與界面”課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

目前，“材料表面與界面”課程在教學(xué)中存在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足和學(xué)科交叉欠缺等諸多問題，影響對學(xué)生專業(yè)知識和實踐能力的培育及學(xué)生職業(yè)規(guī)劃和實踐創(chuàng)新的指導(dǎo)[3]。棗莊學(xué)院“材料表面與界面”課程定位為材料專業(yè)選修課，是“大學(xué)物理”“大學(xué)化學(xué)”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”及“材料類實驗”課程的銜接和深化。由于課程設(shè)置、教學(xué)資源、教學(xué)模式及考核方式的限制，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中側(cè)重前五章的基礎(chǔ)知識，輕視后五章的應(yīng)用知識。實際教學(xué)中多以課堂講授為主，且講授內(nèi)容多數(shù)聚焦在知識點本身，缺乏案例導(dǎo)學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生容易產(chǎn)生惰性或慣性的思維，難以在課程學(xué)習(xí)的過程中運用發(fā)散思維和開展創(chuàng)新嘗試，這也進一步導(dǎo)致學(xué)生難以將基礎(chǔ)理論知識與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立有效聯(lián)系，學(xué)生所達成的知識目標(biāo)無法支撐應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)。此外，傳統(tǒng)考核方式一般包括過程考核（占比50%）和期末考試（占比50%）。但從考核方式和內(nèi)容上看，現(xiàn)行考核方式聚焦在基礎(chǔ)知識上，對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果仍基于理論知識的掌握情況進行評價，這種考核方式缺乏創(chuàng)新元素和多學(xué)科交叉。學(xué)生更多以機械記憶的方式對基礎(chǔ)理論知識進行學(xué)習(xí)，不能充分理解不同課程間的關(guān)聯(lián)，也無法取得與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配的學(xué)習(xí)成果，不符合以成果為導(dǎo)向的工程教育新理念。

三、“材料表面與界面”課程教學(xué)改革對策

根據(jù)新工科建設(shè)的基本要求和“材料表面與界面”課程教學(xué)實踐中存在的問題，文章從校企合作、課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)模式創(chuàng)新及考核評價方式等方面提出教學(xué)創(chuàng)新實踐探索的改革對策。

（一） 深化基礎(chǔ)理論與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聯(lián)系

鋰電產(chǎn)業(yè)學(xué)院的合作企業(yè)——山東欣旺達新能源有限公司主要發(fā)展鋰電新材料產(chǎn)業(yè)，企業(yè)建有欣旺達大學(xué)，并與棗莊學(xué)院共建科研教學(xué)平臺和大學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)基地。以該企業(yè)的鋰電新材料為例，鋰離子電池通常以正極材料作為鋰源，以能容納鋰原子的石墨材料為負(fù)極，電能的存儲和轉(zhuǎn)化主要通過電子及離子在正負(fù)極之間遷移而實現(xiàn)。鋰電新材料的制備和性能研究涉及從宏觀到微觀的多種表界面效應(yīng)，如電極材料晶粒之間的晶界及其脫嵌鋰過程產(chǎn)生的兩相界面等固固界面、液態(tài)有機電解質(zhì)在正負(fù)極表面反應(yīng)形成的固液界面，而“材料表面與界面”課程中的液體界面、固體界面及固液界面知識為理解這些界面作用提供了重要理論依據(jù)。

改革示例：以“材料表面與界面”課程第三章《固體表面》和第四章《固液表面》教學(xué)為例。首先，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，以“磷酸鐵鋰（LiFePO4， LFP）材料的制備”為導(dǎo)學(xué)案例，在課程教學(xué)前拋出問題“磷酸鐵鋰材料的制備方法有哪些，涉及哪些材料表界面的知識？”，引導(dǎo)學(xué)生課前自主查閱資料，同時，借助欣旺達大學(xué)發(fā)布的《磷酸鐵鋰材料的制備與表征》，讓學(xué)生在課前深刻體會表面與界面知識在鋰電新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)升級中的重要性。其次，在課程教學(xué)中圍繞磷酸鐵鋰材料的2種制備方法——液相法和碳熱還原法，引出液相法中碳酸鋰Li2CO3和磷酸H3PO4等組分在水熱反應(yīng)釜中界面相互作用及碳熱還原法中磷酸二氫鋰LiH2PO4和生物質(zhì)碳源混合燒結(jié)過程中固體表面形貌的調(diào)控過程。如圖1所示，由不同制備方法得到的LFP材料表面形貌具有較大差別，液相法得到的磷酸鐵鋰顆粒細(xì)致均勻且比表面積較大。2種方法得到的LFP材料形成的表界面缺陷、化學(xué)反應(yīng)活性位點及表界面應(yīng)力積累也有較大差異，而這些差異會進一步影響鋰電材料的物理化學(xué)特性。但從技術(shù)難度上看，碳熱還原法更適合企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)?！安牧媳砻媾c界面”課程的理論知識是理解和分析電極表界面性能的基礎(chǔ)，電極表界面結(jié)構(gòu)的微觀尺度分析是揭示電化學(xué)反應(yīng)機理和性能演化規(guī)律的基礎(chǔ)，由此可以建立“材料表面與界面”課程與鋰電新材料研發(fā)之間的關(guān)系[4]。最后，在課下自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，將企業(yè)發(fā)布的《新能源智能制造行業(yè)分析》視頻資源作為課后學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生將基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和職業(yè)素養(yǎng)培育融合，充分理解新材料技術(shù)的內(nèi)涵及外延，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實際并用于案例分析和對專業(yè)技術(shù)探索的能力，引導(dǎo)學(xué)生積極思考專業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)興國的辯證關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生誠實守信和愛崗敬業(yè)的職業(yè)素養(yǎng)，使學(xué)生樹立國家意識、政治認(rèn)同及科技強國等理念。此外，還可以通過產(chǎn)學(xué)研合作項目，引入企業(yè)資源和工程人員的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，對高校教師進行系統(tǒng)化指導(dǎo)和培訓(xùn)，彌補教師在產(chǎn)業(yè)化理論方面的不足，促進教師隊伍基礎(chǔ)理論和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用理論的全面發(fā)展。目前，該改革方案已取得初步成效，山東欣旺達新能源有限公司與棗莊學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)聯(lián)合組建了鋰電卓越工程師班。在“材料表面與界面”課程的教學(xué)中，企業(yè)工程師會基于鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與表界面的關(guān)系開展系列講座。在該教學(xué)改革實踐下，學(xué)生對鋰電新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了更大的興趣，目前，材料科學(xué)與工程專業(yè)2024屆畢業(yè)生中已有7人選擇就職于棗莊市本地的鋰電相關(guān)企業(yè)，是上一屆人數(shù)（2人）的3倍多。

（二）以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽促進課程內(nèi)容的設(shè)計與改革

教師是課程教學(xué)中的引導(dǎo)者和教學(xué)活動的設(shè)計者。基于OBE（Outcome Based Education，成果導(dǎo)向教育）教育理念，形成“助學(xué)、導(dǎo)學(xué)、樂學(xué)”的教學(xué)思路，達成“記住、理解、應(yīng)用、分析、創(chuàng)造”的高階學(xué)習(xí)模式[5]。大學(xué)生創(chuàng)新大賽既是課程學(xué)習(xí)的補充，又是應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識實踐創(chuàng)新的過程?！安牧媳砻媾c界面”課程涉及多種材料科學(xué)理論，在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)學(xué)生參與大賽的情況對學(xué)生進行分組，并根據(jù)大賽選題進行課程內(nèi)容的設(shè)計。

改革示例：以“中國大學(xué)生材料熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”為例。巴氏合金（Babbitt metal）在加入微量元素后得到的表界面顯微組織及這些顯微組織對巴氏合金力學(xué)性能具有重要的影響。如鋅（Zn）的添加導(dǎo)致銻（Sb）在錫（Sn）基體中的固溶度降低，更多的網(wǎng)狀銻化錫（SnSb）顆粒沿晶界析出，對蠕變變形過程中晶界滑動起到了釘扎效應(yīng)。然而，銅（Cu）含量的增加對 Sb在Sn基體中的固溶度沒有明顯影響。這些內(nèi)容與“材料表面與界面”課程第三章《固體表面》和第八章《金屬材料的表面》教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)。因此，在課程內(nèi)容設(shè)計中，首先，可以由參加“中國大學(xué)生材料熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”的學(xué)生小組在課前搜集金屬材料表面處理的應(yīng)用案例，以案例導(dǎo)學(xué)，提煉知識點，養(yǎng)成學(xué)生自主思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣。教師在案例導(dǎo)學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出延伸問題，如“金屬表面改性的方法有哪些，如何正確表征金屬表面改性的效果？”，并開展專題

作者簡介：萬玉勤，男，講師，博士，研究方向為表面界面自組裝、功能材料;劉泳，男，副教授，博士，研究方向為化工安全、功能材料。

通信作者：叢興順，男，教授，博士，研究方向為分子煤化學(xué)及低碳煤化工。

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“面向高端化工產(chǎn)業(yè)的‘材料表面與界面’課程建設(shè)與師資培訓(xùn)”（221000454070513）、“師生共育新模式下創(chuàng)新型化工人才培養(yǎng)探索”（220806655030037）;棗莊學(xué)院教改重點項目“‘師生共育’新育人模式的創(chuàng)建及其在‘卓越本科生’培養(yǎng)中的實踐探索”（202205）