何 斌 孔令兵 劉凱歌

（深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院，廣東 深圳 518118）

0 引言

材料是社會文明和國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱之一，是社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料產(chǎn)業(yè)也是國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。近年來材料行業(yè)對應(yīng)用型人才的需求持續(xù)增加，然而由于設(shè)置材料專業(yè)的高校大幅增加，學(xué)生數(shù)量的上升也增加了就業(yè)競爭壓力。為了更好地滿足社會需求并提升競爭力，需要培養(yǎng)學(xué)生具備相應(yīng)的知識、技術(shù)和能力，尤其是應(yīng)用思維和實踐能力，這也是應(yīng)用型大學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。深圳技術(shù)大學(xué)是國內(nèi)新成立的一所獨具特色的應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)，學(xué)校借鑒和引進(jìn)德國、瑞士等國家的技術(shù)大學(xué)辦學(xué)經(jīng)驗，其教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)形式有其特點與特色，需要深入實踐和探索，而培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才是高校核心的教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)。

材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，以材料的成分、結(jié)構(gòu)、工藝和性能為研究分析對象，認(rèn)識材料的分類、特性及應(yīng)用，它以物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，同時又是后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新思維、自主探索的能力有重要作用，良好的材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)有助于培養(yǎng)高質(zhì)量的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。如何在應(yīng)用型大學(xué)做好材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)，體現(xiàn)一流技術(shù)大學(xué)的特色，滿足各專業(yè)的不同需求，是需要思考和實踐探索的課題。筆者近三年先后為三個本科年級的不同專業(yè)講授材料科學(xué)基礎(chǔ)課程，總結(jié)了課程教學(xué)實踐，探討課程設(shè)計、教學(xué)方式的優(yōu)化與探索，為相關(guān)教學(xué)提供參考。

1 課程分析與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院現(xiàn)有半導(dǎo)體光源與照明、新能源材料與器件、材料科學(xué)與工程、微電子科學(xué)與工程專業(yè)，材料科學(xué)基礎(chǔ)是各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是研究生入學(xué)考試的重要課程。課程開設(shè)在大二下學(xué)期，對學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和專業(yè)學(xué)習(xí)有承上啟下的作用，既具有很強的應(yīng)用性，又需要很好的理論基礎(chǔ)。

筆者2019 年開始承擔(dān)2017 級半導(dǎo)體光源與照明專業(yè)的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程，之后兩年繼續(xù)承擔(dān)了2018 級和2019 級半導(dǎo)體光源與照明、 新能源科學(xué)與工程兩個專業(yè)的課程，教學(xué)時間均為1 學(xué)期，72 課時。2017 級學(xué)生是本校的首屆本科生，本課程也是首次開課。隨著教學(xué)的開展，授課過程中的問題逐漸顯現(xiàn)，筆者開始思考并根據(jù)學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)，對課程內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了選擇和改變。

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程已在很多高校開設(shè)多年，有多部教材并多次再版。根據(jù)知識框架的編排，這些教材大致分為兩類，一類強調(diào)基礎(chǔ)理論，如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等組織編著的教材。這些教材對晶體學(xué)、材料熱力學(xué)、擴散、相變等進(jìn)行了詳細(xì)深入闡述，構(gòu)建了完整的理論體系，側(cè)重以共通的基礎(chǔ)理論去理解不同材料的結(jié)構(gòu)及性能。第二類教材主要依據(jù)材料的分類，即金屬材料、無機非金屬、高分子、復(fù)合材料，將各類材料分別討論，著重闡述它們的不同特點、發(fā)展和應(yīng)用，進(jìn)行一定的理論闡述和討論。第二類教材包括材料概論、材料導(dǎo)論、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論等。

經(jīng)過分析，筆者認(rèn)為采用理論性教材有兩方面問題。一是難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)本校的教學(xué)目標(biāo)，期望學(xué)生能更多地認(rèn)識和體會材料的性能與應(yīng)用，而理論性教學(xué)主要講解共通的基礎(chǔ)理論，難以充分闡述材料的用途，不適合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。二是學(xué)生的理論基礎(chǔ)不足。材料科學(xué)基礎(chǔ)是典型的交叉學(xué)科，課程基礎(chǔ)包括基礎(chǔ)物理、化學(xué)、固體物理、量子力學(xué)等，固體物理和量子力學(xué)等課程目前沒有開設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識薄弱，課內(nèi)也無法進(jìn)行補充，因此深入學(xué)習(xí)材料科學(xué)相關(guān)理論有困難。

最終筆者認(rèn)為第二類教材更符合應(yīng)用性教學(xué)需要，著重講述各類材料在成分、結(jié)構(gòu)和性能的特點，以及加工和用途，側(cè)重讓學(xué)生理解不同材料的特征性能和主要的應(yīng)用方向與場景，以及在應(yīng)用中需要考慮的問題，對相關(guān)理論進(jìn)行輔助闡述，力求使學(xué)生對材料的特點與選用、材料科學(xué)的發(fā)展有全貌性認(rèn)識，有意深入學(xué)習(xí)的學(xué)生也可以通過本課程的學(xué)習(xí)找到思路和途徑。

根據(jù)以上分析，最終選定了教材。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論是相對穩(wěn)定的，而新材料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展卻日新月異，因此應(yīng)用型教材必須選用近年出版的新教材，以體現(xiàn)新發(fā)展。筆者在教學(xué)中先后選用了《材料科學(xué)概論》（北京大學(xué)，2013 年）、《材料概論》（科學(xué)出版社，2018 年）作為教材。這些教材的知識體系符合應(yīng)用型教學(xué)需求，重點闡述不同材料的特點和應(yīng)用，對基礎(chǔ)理論做了概述，對新材料發(fā)展也做了介紹，如納米材料、能源材料、生物材料等，這些可根據(jù)不同專業(yè)來選擇講述。為了補充理論基礎(chǔ)，以上海交通大學(xué)編寫的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》（第三版）作為教學(xué)參考書。

2 對教學(xué)方式的思考

本課程教學(xué)初始時基本是傳統(tǒng)方式，關(guān)注教學(xué)內(nèi)容的完整性，希望將教材的內(nèi)容完整地呈現(xiàn)在課堂上。盡管花了大量時間備課，也基本完成了教學(xué)內(nèi)容，但課堂效果并不理想，沒能很好地引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。筆者深刻體會到教學(xué)內(nèi)容在教材中的呈現(xiàn)與課堂上的呈現(xiàn)有巨大差別，要將教材上的知識在課堂上生動地展現(xiàn)出來，教學(xué)方法和教學(xué)設(shè)計非常重要。

在講課過程中，筆者也多次體會到，學(xué)生對不同材料的實際應(yīng)用有明顯興趣，如果能和生活、學(xué)習(xí)中接觸到的應(yīng)用相結(jié)合，則更容易引起共鳴。另外，材料科學(xué)的歷史進(jìn)展和科學(xué)家的事跡也很有吸引力，自己在備課和學(xué)習(xí)時也往往被吸引。因此深刻體會到，學(xué)生們其實有很強的求知欲，只是需要好的方式給予引導(dǎo)和激發(fā)，要更直觀地表現(xiàn)所學(xué)有所用，當(dāng)明白了知識的實際用途和重要性，同學(xué)們就會表現(xiàn)出興趣和主動性。相信在這種狀態(tài)下，也更容易記住相關(guān)的知識點和知識脈絡(luò)。只要激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣，同學(xué)們就會主動地去繼續(xù)思考和學(xué)習(xí)，這也是應(yīng)用型創(chuàng)新人才所需要具備的素質(zhì)，從而培養(yǎng)出高質(zhì)量的創(chuàng)新人才。當(dāng)然這也要求教師有更豐富的知識儲備和更高的教學(xué)水平，需要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗，并思考優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方式。

3 轉(zhuǎn)變教學(xué)方式的探索實踐

根據(jù)以上體會和思考，在教學(xué)過程中對相關(guān)的教學(xué)方式進(jìn)行了學(xué)習(xí)，參加了相關(guān)的教學(xué)培訓(xùn)，并在教學(xué)中嘗試實踐了不同的教學(xué)方式。其實如今已有大量的教學(xué)研究，提出了不少新型的教學(xué)方法，如目標(biāo)教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂、BOPPPS 教學(xué)模式、問題教學(xué)法等。這些方法雖然實施過程不同，但共同點就是要改變僵化的教學(xué)過程，通過靈活設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和啟發(fā)，增強師生之間、學(xué)生之間的互動，就是要讓教學(xué)從“我教你學(xué)”變?yōu)椤拔規(guī)銓W(xué)”。

結(jié)合教學(xué)的體會和思考，借鑒教學(xué)培訓(xùn)和學(xué)習(xí)中的收獲，并閱讀了相關(guān)的教學(xué)論文，筆者在近兩年的教學(xué)中主要從以下幾個方面進(jìn)行了改革嘗試，取得了良好的效果。

3.1 “探索式”教學(xué)實踐

材料科學(xué)是一門交叉學(xué)科，涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識，因此材料科學(xué)的發(fā)展史包含了大量生動有趣的科學(xué)成就和科學(xué)家事跡，探索材料科學(xué)的發(fā)展歷程本身就是引人入勝的。筆者嘗試以材料科學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)將教學(xué)內(nèi)容和知識點串聯(lián)起來，并在其中融入重要的科學(xué)成果和科學(xué)家的故事。比如晶體學(xué)中的點陣和布拉菲，群倫和伽羅瓦，對稱性與埃舍爾，XRD和布拉格父子，有機化學(xué)與貝采里烏斯和維勒，高分子材料與“高分子之父”施陶丁格，尼龍與華萊士，復(fù)合材料與撐桿跳高，混凝土的發(fā)明與莫里哀，石墨烯與諾貝爾獎。

通過講述這些科學(xué)進(jìn)展及科學(xué)家故事，很好地說明了相關(guān)知識點的來龍去脈，學(xué)生們也興趣盎然，教師也體會到分享的快樂。學(xué)生們在加強記憶的同時也引發(fā)了好奇心和求知欲，課堂反映非常好。這樣帶領(lǐng)學(xué)生們一起，將課堂講授的“你講我聽”轉(zhuǎn)變?yōu)閷茖W(xué)發(fā)展的共同探索，應(yīng)該是一種理想的教學(xué)狀態(tài)。

3.2 借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”模式

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式自誕生以來，很快成為全球教育的熱點。然而真正的翻轉(zhuǎn)課堂是整個教學(xué)過程的翻轉(zhuǎn)，工作量大，需要錄制大量視頻，教師備課和學(xué)生課下需要花費大量時間，因此人們對此也是褒貶不一的。在本課程的教學(xué)中，考慮到難以適應(yīng)完全的翻轉(zhuǎn)課堂，如果花費大量的課下時間也會影響其他課程的學(xué)習(xí)，因此采用了翻轉(zhuǎn)課堂模式的一部分，與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合進(jìn)行了嘗試。

在教學(xué)中進(jìn)行了兩次翻轉(zhuǎn)課堂的嘗試，方式是在課堂中提出一個課題，安排學(xué)生分組討論，通過參考教學(xué)課件，主動進(jìn)行查閱和收集資料，提出方案或設(shè)計，進(jìn)行理論分析，在課堂上以報告形式進(jìn)行討論和交流。例如，其中一個題目是自行指定一種先進(jìn)材料，講解其成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，分析其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、應(yīng)用的關(guān)系，說明相關(guān)的應(yīng)用和技術(shù)領(lǐng)域。將全班同學(xué)分為6個小組，每組2～4 人，由一人擔(dān)任組長，負(fù)責(zé)規(guī)劃和分工，大家合作完成課堂報告，由組長在課堂進(jìn)行講述。同學(xué)們選的題目有石墨烯復(fù)合材料、碳納米管、超導(dǎo)磁體、鋰離子電池材料、鎂合金、鈦合金。這樣的形式有助于深入理解材料科學(xué)，并鍛煉了研究、組織、寫作與報告的綜合能力，對培育應(yīng)用型創(chuàng)新人才非常有益。學(xué)生們對這種形式也表現(xiàn)出很好的積極性，自發(fā)組成小組并選定題目，課堂報告也達(dá)到了要求。實踐表明翻轉(zhuǎn)課堂模式對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善教學(xué)效果、鍛煉創(chuàng)新能力有很好的作用。

3.3 教具的制作與使用

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的概念較多，對學(xué)生而言很多都比較抽象，如晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織等。為了調(diào)動學(xué)生的積極性和思維訓(xùn)練，在課堂中適當(dāng)引入工具軟件和部分教具輔助，如對于晶體結(jié)構(gòu)和對稱性的講解時，利用SHAPE 軟件展示晶體外形和對稱性，利用3D打印技術(shù)制作晶體模型，利用礦物樣本講解晶體學(xué)的提出與發(fā)展。在更直觀地講解晶體結(jié)構(gòu)的同時，也讓同學(xué)們學(xué)習(xí)了礦物、地質(zhì)、3D 打印技術(shù)等相關(guān)知識和技術(shù)。

4 結(jié)語

作為新時代的應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)，教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)形式獨具特色，要完成應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，必須根據(jù)自身特點和需求，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行探索與實踐。材料科學(xué)基礎(chǔ)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，對學(xué)生就業(yè)或繼續(xù)深造都可能產(chǎn)生影響。在教學(xué)上對于應(yīng)用型培養(yǎng)而言，更重要的是要讓學(xué)生認(rèn)識到不同材料的特點、應(yīng)用和重要性，培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)的興趣和能力，這樣既對就業(yè)有益，也可引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)或深造。

本文根據(jù)材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)體會和思考，實踐了“探索式”教學(xué)、“翻轉(zhuǎn)課堂”，并利用軟件技術(shù)、3D打印技術(shù)等增強可視化，以提升講解效果。實踐表明改變教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了主動性、創(chuàng)新思維和研究能力，在今后的教學(xué)中將繼續(xù)采用，并予以優(yōu)化和強化。