朱熠民　楊振國

[摘 要]材料科學導論是復旦大學面向材料科學系及上海第二軍醫(yī)大學臨床醫(yī)學專業(yè)二年級本科生的一門專業(yè)必修課，2015年被評為上海市精品課程。該研究探討了目前材料科學基礎類課程存在的問題，結(jié)合某教學評價與教學成果，總結(jié)了在教學方法、課程設置、課外實踐等方面的探索。

[關鍵詞]材料科學；交互式教學；案例教學；教學相長；與時俱進

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）11-0004-04

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，它是被用來制造一切有用制品的物質(zhì)。新材料則是人類社會發(fā)展和文明進步程度的標志，縱觀人類使用材料的發(fā)展歷史，從上古石器時代到20世紀末的信息時代，每個時代的變革無一不是由于發(fā)現(xiàn)并廣泛利用了某種新材料，提高了人類征服及改造自然的能力，從而促進了社會生產(chǎn)力水平的快速提升。如今的社會正處于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大環(huán)境中，新材料正是高新技術的一個重要組成部分，它是該領域中的基礎和先導，因而在國務院提出的《中國制造2025》中被列為十大領域之一。

復旦大學材料科學系現(xiàn)有三個本科專業(yè)：材料化學、材料物理和電子科學與技術。2010年起首次開設了材料科學導論這門面向三個專業(yè)的平臺基礎課，2011年起上海第二軍醫(yī)大學臨床醫(yī)學專業(yè)也將其列為必修課。該課程旨在以交互式教學的模式，通過系統(tǒng)的教學和實驗演示，使學生掌握材料的基礎理論、基本方法和主要性能；教學中結(jié)合實際材料案例吸引學生興趣，鼓勵他們探索并了解新材料的特點、特征和特性及其在高科技領域中的應用，有利于為材料專業(yè)學生今后設計、研發(fā)、推廣基礎材料和新材料在國民經(jīng)濟各個領域中的應用提供重要基礎，并在創(chuàng)新能力和綜合能力方面得到有效的訓練和培養(yǎng)。對于七年來的建設與改進成果，本文做了總結(jié)，以期為提高材料科學基礎類課程的課堂教學效果提供借鑒。

一、課程內(nèi)容設置

材料科學導論授課內(nèi)容大致分為四個部分。第一部分為現(xiàn)代材料科學的基本概念、學科特點和發(fā)展趨勢，包括金屬、陶瓷、聚合物、復合材料和半導體等五大基礎材料所共有的基礎知識和概念，即材料的組成、結(jié)構(gòu)、組織與其性質(zhì)及性能的相互關系。第二部分為固體材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷類型、熱力學與相圖、凝固與結(jié)晶、擴散與遷移、顯微組織與性能等一些基本原理和概念。第三部分為固體材料的基本性能，同時安排三個與其相配套的綜合實驗的觀察和操作[1]：1.磁控濺射法制備透明導電氧化物ITO薄膜。2.橡膠材料的拉伸試驗。3.偏光顯微鏡法觀測聚苯烯的球晶形態(tài)。第四部分為八類新材料的特點及其在高科技領域中的應用。

我國許多高校都設立了材料科學基礎類課程，普遍認為材料科學入門容易深入難[2][3][4]，其特點表現(xiàn)為概念多、內(nèi)容廣、涉及面寬，同時也存在概念抽象、內(nèi)容缺少連貫性、材料之間缺少必然聯(lián)系的特點，尤其是材料性能繁瑣枯燥，缺乏理論依托，因而學生在學習材料科學過程中普遍存在學得快、忘得快的現(xiàn)象，甚至不知學后究竟有何用。故本課程的重點和難點在于讓學生理解基礎學科與材料科學的有機銜接，明確基礎材料的分類，掌握材料的結(jié)構(gòu)與性能間內(nèi)在的相互關系。針對這些重點與難點，教師強調(diào)在講授過程中始終保持理論與實際相結(jié)合，講解材料科學的各個知識點時均選用實際材料案例來分析和解釋，以此加深學生對材料屬性的理解和知識點的把握。對于僅用語言無法描述準確的新材料，利用三維動畫視頻，從三維視角理解新材料的特性，進一步激發(fā)學生對新材料的興趣。

二、課程教學的創(chuàng)新

本課程教學的創(chuàng)新包括：1.教學相長，將引導性教學和自主性學習相結(jié)合。2.與時俱進，開展豐富生動的實時案例教學。3.走出課堂，近距離觀摩與操作綜合實驗。4.富有激情，開展寓教于樂的交互式講解。5.慕課教學，創(chuàng)建完善的數(shù)據(jù)化資源共享平臺。從教學方法、教學內(nèi)容、教學實踐、講授方式及教學手段等方面進行全方位研究和革新，充分借鑒國內(nèi)外相關課程教學經(jīng)驗，取長補短不斷完善，同時追蹤材料領域的研究動態(tài)，保持課程的前沿性。另外，讓學生接觸實驗設備，激發(fā)學生的科研興趣，探索培養(yǎng)創(chuàng)新復合型專業(yè)人才的有效模式。

（一）教學相長，將引導性教學和自主性學習相結(jié)合

在傳統(tǒng)的課堂教學與學習過程中，教學方法相對單一，通常以教師講授為主，單方面向?qū)W生灌輸知識，大致表現(xiàn)為“多教少學”甚至“多教不學”的特點。[5]對于一門理工類專業(yè)基礎課來說，這種教學方法主要存在兩個問題：1.學生的知識積累僅限于數(shù)學、物理、化學等基礎學科，初次接觸專業(yè)課程往往難以消化大量專業(yè)知識，他們的學習積極性很容易被打擊，從而對整個課程失去興趣。2.學生學習積極性不高，課堂的氛圍必然死氣沉沉，教師會感到索然無味，這就會導致授課的過程越發(fā)枯燥單調(diào)，同時得不到學生的反饋，教師也就無從改進，從而陷入惡性循環(huán)。

本課程的主講教師早在2003年就在材料化學專業(yè)開設了必修課材料科學基礎，無論是其教學內(nèi)容還是其教學效果，均獲得學生的一致好評，正是在此門課程的基礎上，教師對課程內(nèi)容進行了大幅改進，開設了材料科學導論課程?；诖饲捌吣甑慕虒W經(jīng)驗，教師提出了采用“引導性教學和自主性學習相結(jié)合”的教學方式，除了講授材料科學的基本內(nèi)容外，適時提出一些與講授內(nèi)容相關的專業(yè)知識讓學生在課堂上討論，或讓學生課后查閱相關文獻再給出回答。這既促進了學生學習的主動性，培養(yǎng)了學生的綜合分析能力，又保證了教師所“教”的內(nèi)容更易被學生接受，而不是學過就忘，同時也能從學生給出的解答中“學”到自己疏忽的知識內(nèi)容，在今后的授課中可以再度完善。在這樣教學相長的教學方式下，教師從被動的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹皩А保瑢W生從被動的“聽”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹叭　?，大大提高了學生對專業(yè)知識的興趣與接受程度。

（二）與時俱進，開展豐富生動的實時案例教學

材料科學基礎類課程是材料專業(yè)學生接觸的第一門專業(yè)課，是一門研究材料的成分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相互關系的學科。它從化學的角度，研究材料的化學成分與原子結(jié)構(gòu)、原子鍵合及微結(jié)構(gòu)的相互關系；從晶體學和固體物理學的角度，研究材料的組織形態(tài)、微結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷與性質(zhì)、性能的相互關系。同時，材料研究還是面向工程實際應用的，必須從工程應用的角度研究材料的制備方法、加工工藝等問題。通過工藝和技術的開發(fā)，制備具有特殊性能的、可批量生產(chǎn)的、滿足工程應用要求的工程材料。因此，材料科學具有三個基本特點：1.學科交叉。它是物理、化學、金屬學、陶瓷學、高分子化學、計算科學等基礎學科相互交叉、融合和復合的結(jié)果。2.應用性強。它與工程應用密切相關，發(fā)展材料科學的目的在于研制新材料，改進材料的性能，滿足工程實際的需要。3.不斷發(fā)展。它是一門不斷發(fā)展的學科，隨著各個分支學科的發(fā)展而不斷地完善、充實、豐富和提高?；谶@些特點，此類課程往往涉及數(shù)量龐雜的原理、概念和定義，且描述材料的宏觀結(jié)構(gòu)易，講解微觀結(jié)構(gòu)難，在授課過程中普遍存在內(nèi)容抽象、難理解，學生較難掌握等問題。endprint

面對這些普遍存在的問題，材料科學導論課程教學不僅兼顧了基礎理論體系的構(gòu)建，而且做到了知識結(jié)構(gòu)的與時俱進。教師瞄準最新穎、最前沿的材料領域發(fā)展方向，每年都對課件進行適當?shù)难a充、充實和拓展，及時反映五大基礎材料和八類新材料的研究現(xiàn)狀。例如授課時必定會結(jié)合每年10月份公布的諾貝爾物理學獎、化學獎等所涉及的新材料進展成果，即時制作課件講解新材料的特點、制備和應用，比如2010年的二維石墨烯材料、2011年的準晶體鋁合金材料等。同時，主講教師每年都有國內(nèi)外學術會議的大會報告，會直接把邀請報告的內(nèi)容有選擇地講授給學生聽，使學生對新材料、新工藝、新方法、新技術等取得的新進展有比較清楚的了解，既增長學生的見識，又開拓學生的視野，促進他們的自主思考和探索，使他們的創(chuàng)新能力得到有效激發(fā)和培養(yǎng)。

此外，主講教師非常注重理論聯(lián)系實際，將材料應用與經(jīng)濟社會密切聯(lián)系在一起。教師授課時會講述自己實際的研究課題，將一些關鍵的知識點串聯(lián)起來，輔以一批重大項目的案例分析如秦山核電站[6]、嘉興火電廠[7]、上海石化[8]、汕頭印制電路板廠[9]等，讓學生直觀地了解到材料知識的合理運用和恰到好處的分析方法，不僅為國民經(jīng)濟重大工程解決了關鍵技術問題，也為社會公共安全與生產(chǎn)提供了堅實保障。除了這些實時案例的分析，教師還會結(jié)合歷史上著名的案例來引起學生的共鳴。例如在講述固體材料的基本性能時，具體分析了泰坦尼克號沉沒的案例，配合豐富的圖例展示，形象生動地講解金屬的斷裂韌性和脆性斷裂現(xiàn)象，使學生對抽象的材料性能有更為直觀的認識，在課后鞏固復習的時候也更容易記住這個知識點。

（三）走出課堂，近距離觀摩與操作綜合實驗

材料科學是一門實踐性很強的學科，如果僅僅通過理論教學，專業(yè)知識只是以文字的形式展現(xiàn)在學生面前，學生的接受必然存在一定的困難。另外，學生對“摸不著”的內(nèi)容只能死記硬背，即便背熟了所有內(nèi)容，這些知識在學生的腦中必然是以一個個原理、一個個定義或一條條公式的狀態(tài)呈現(xiàn)，與掌握知識相去甚遠，更別提融會貫通、學以致用了。面對這個問題，本課程首先在課件中加入三維動畫視頻[10]，使學生可以從三維立體的視角觀察和認識材料的特性和特點，例如碳60、碳納米管和原子構(gòu)型、量子點內(nèi)電子波函數(shù)等，這在一定程度上解決了講解過程中生硬枯燥的問題。

但是材料科學作為一門實驗學科，實驗才是它的靈魂所在。所謂“百聞不如一見”，材料科學導論課程為學生提供了走出課堂、走進實驗室的機會，近距離觀摩教師操作儀器演示實驗，甚至允許學生親手嘗試做實驗。這種“走出去”的教學模式，極大地提升了學生的探索興趣，讓學生不僅可以提前感受做科研的氛圍，也可以在參觀過程中與教師更近距離地討論學習過程中的困惑。學生通過親眼看、親手做的實踐過程，加深了他們對抽象知識的具象化理解。例如在橡膠拉伸試驗中，學生可以直觀地觀察材料拉伸時的過程和現(xiàn)象，此時課本上只有一根曲線的固體拉伸過程一下子就能被理解了。另外，學生對理論與實際相結(jié)合的概念有了初步認知，有利于激發(fā)他們對新材料研究的向往，同時訓練他們的動手能力、觀察能力、理解能力、分析能力及創(chuàng)新能力。

（四）富有激情，開展寓教于樂的交互式講解

如前所述，作為一門理工類課程，且包含數(shù)量龐雜的概念和公式，學生普遍認為材料科學基礎課程難懂、沉悶。教師如果只是照本宣科，將課件上的概念復述一遍、公式推導一遍，沒有輕重緩急、抑揚頓挫，那么整個課程就會索然無味，無法吸引學生，學生不會敬佩教師，對教師所講的也不會信任。因此，感情的投入對于一名教師來說至關重要，也就是需要在講課過程中釋放激情。激情主要來源于兩個方面：一是教師對教學工作的熱愛，包括對自己職業(yè)的熱愛和對學生的信任。二是教師對教學內(nèi)容的自信。[11]教師只有動真情，才能引導學生成才。材料科學導論課十分注重課堂氛圍，其講授方式正具備了這幾大特點。主講教師時時刻刻都激情洋溢、胸有成竹，從來不照本宣科，而是聯(lián)系實際侃侃而談，非常能吸引學生的注意力，也很有感染力。教學能達到這個效果主要取決于教師做到以下三個方面：一是講課全神貫注，一個人的精神飽滿程度取決于他投入了多少。二是熱愛教學工作，這樣才能每時每刻都微笑著對待學生。三是課前認真?zhèn)湔n，心中有數(shù)，講話才能有底氣。雖然本課程已經(jīng)開設多年，但每堂課前主講教師都會認真?zhèn)湔n，否則如果對自己講的東西不太熟悉，那在講臺上教學情緒是無論如何激昂不起來的，學生也一定會感覺得到。

此外，主講教師也探索了新穎的講授方式。一個特點是交互式授課。主講教師講課特別貼近生活，幫助學生從熟知的事物中聯(lián)想到抽象的概念，加深對材料屬性的理解和知識點把握。例如，講解聚合物材料特性時，特別舉出生活中無處不在的、常用的七種塑料即1號PET、2號HDPE、3號PVC、4號LDPE、5號PP、6號PS、7號PC，以及為何不同的塑料品種必須選用不同的塑料種類的原因，并從塑料的力學性能、熱性能及性價比，講解材料選用的基本依據(jù)和設計方法。為了增加與學生之間的互動，教師還會攜帶并展示各種不同材料做成的實物，如礦泉水瓶是PET，蓋子是PP等，然后讓學生推測實物所對應的塑料種類并結(jié)合之前所講授的知識點說明原因。通過這種授課方式，既可以鼓勵學生獨立思考，加深他們對知識點的理解，也加強了課堂上師生之間的互動，活躍了課堂氛圍。另一個特點是英文講解。凡是涉及英文縮寫，教師必在黑板上展開其全稱；凡是涉及有趣的字詞，也必講其英文。這樣通過兩種語言的對比讓學生對所學知識的含義有了更加準確的認識。對于要出國的學生，這對他們背誦托福和GRE單詞都有好處；對于以后要繼續(xù)做科研的學生，相當于提前教授專業(yè)詞匯，為他們以后閱讀文獻、寫文章打好了基礎。學生在這個過程中感受到自身知識水平的提升，自然對課程內(nèi)容保持濃厚的興趣和高漲的熱情。

（五）慕課教學，完善的數(shù)據(jù)化資源共享平臺

利用復旦大學新一代互聯(lián)網(wǎng)課程平臺，為材料科學導論這門課程建立了精品課程網(wǎng)站[12]，包括教學大綱、教學課件、教學視頻、參考資料、拓展閱讀等，并按知識模塊設計分成了41個教學視頻短片，全部公開共享，充分滿足了學生課前預習和課后復習的需求。近年來，慕課在國內(nèi)高校迅速興起[13][14]，本課程也探索了這種教學方法。慕課視頻的長度一般在10分鐘左右，因而材料專業(yè)大量的理論和概念可以分段講述，學生在學習每個知識點的時候都可以保持高度集中，而且可以將這種“碎片化”的學習分散到日常學習中，相較于在課堂中長時間持續(xù)接受知識點，慕課在學習效率上更占有優(yōu)勢，在未來材料科學基礎類課程的發(fā)展中必然是越來越重要。endprint

三、教學效果與評價

材料科學導論課程自開設以來，得到了校內(nèi)外專家的肯定評價。參照學生每年的盲評與評教結(jié)果，本課程的教學質(zhì)量和主講教師都獲得了學生的一致好評。學生在盲評部分需要回答對本課程的滿意度與改進這兩個問題，絕大多數(shù)學生都做出了非常詳細且正面的評價。例如：“楊老師在課堂上思路清晰，設計了很多互動性的問題，每個人都能積極地參與到課堂中，課堂效果較好?！薄皸罾蠋熃虒W認真，治學嚴謹，講課生動，思路清晰，注重理論與實踐相結(jié)合，注重學生能力的提高。”“楊老師上課激情澎湃，繪聲繪色，還穿插許多有趣小故事，即便每周三節(jié)課也會印象深刻！課程內(nèi)容豐富，涵蓋面廣，時效性強”。

在教師和學生助教的努力下，材料科學導論課程于2015年被評為上海市精品課程。另一門由本課程主講教師開設的課程材料失效分析也于2013年被評為復旦大學校級精品課程，2015年被評為上海市本科重點建設課程，2016年被評為上海市精品課程。這兩門課程都獲得了學生的普遍歡迎。

四、結(jié)語

材料科學導論課程構(gòu)建了比較完備的材料科學教學的知識體系，其在教學上所取得的成果主要歸結(jié)于以下三點：首先，通過引導性教學和學生自主性學習相結(jié)合的教學方法提升課堂教學效率，在有限的學時中充分帶動學生利用課前課后的時間強化教學效果。其次，通過改革教學內(nèi)容，結(jié)合前沿的實際案例縱深拓展，以基礎課帶動未來專業(yè)課程的學習。最后，進一步改革教學實踐和講授方式，加強師生間的互動討論，將教學空間從教室延展到實驗室，激發(fā)學生對材料科學研究的興趣和向往，培養(yǎng)學生具有分析解決實際問題的綜合能力。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：龐丹丹]endprint