何秦川

摘要材料科學與工程是世界各國重點發(fā)展的學科專業(yè)，“材料科學基礎”作為此專業(yè)的基礎課程，對學生的專業(yè)知識結構構建起到了極為重要的作用。在新工科背景下，為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，提出了對材料專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求。為了適應新工科背景下的發(fā)展要求，文章對“材料科學基礎”這門學科的教學模式、教學內(nèi)容以及考核方式進行了一些改革實踐和思考，為“材料科學基礎”課程教學改革以及培養(yǎng)新工科背景下的材料人才提供一些參考。

關鍵詞新工科;材料科學與基礎;教學思考;改革實踐;教學質量

中圖分類號：G424文獻標識碼：A??? ??????DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.06.031

Reflections on the Teaching of "Fundamentals of Materials Science" Course under the Background of New Engineering

HE Qinchuan

（College of Materials and Chemistry & Chemical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059）

Abstract? Materials science and engineering is a key development discipline in countries around the world， and "Fundamentals??? of Materials Science" is the basic course for this major， which plays an extremely important role in the construction of students'??? professional knowledge structure. In the background of new engineering， the new requirements for the training of materials??? professionals are now proposed to actively respond to the new round of scientific and technological revolution and industrial??? changes. Therefore， in order to meet the development requirements in the context ofthe new engineering， in this paper， we have??? made some reform practices and reflections on the teaching mode， teaching contents and assessment methods of the subject??? "Fundamentals of Materials Science"， which provides some references for the teaching reform of the course "Fundamentals of??? Materials Science" and the cultivation ofmaterials talents in the context ofnew engineering.

Keywords? new engineering; Materials Science and Foundation; pedagogical reflection; reform practices; teaching quality

引言

自2017年 2月以來，教育部積極加強新工科建設，明確探索形成新工科建設模式，培養(yǎng)主動適應新經(jīng)濟，新技術，新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。[1-2]

成都理工大學作為國家首批“雙一流”世界一流學科建設高校，入選“111計劃”、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃、國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃、中西部高?；A能力建設工程、國家建設高水平大學公派研究生項目、新工科研究與實踐項目等。其材料科學與工程專業(yè)是教育部本科高等學校卓越工程師教育培養(yǎng)計劃專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有家國情懷、人文素養(yǎng)、科學精神與德智體美勞全面發(fā)展的社會主義事業(yè)建設者和接班人，系統(tǒng)掌握材料組成與結構、合成與制備、物化性質與使用效能及其相互關系，成為在材料科學與工程及其相關領域能夠勝任技術開發(fā)與改造、工藝與設備設計、生產(chǎn)與技術管理、產(chǎn)品銷售與咨詢、科學研究等工作的高級工程技術人才?！安牧峡茖W基礎”課程是材料科學與工程專業(yè)最基礎的理論專業(yè)課，對培養(yǎng)該專業(yè)人才起著極為重要的作用，但該課程具有“四多一抽象”的特點，即內(nèi)容頭緒多、原理規(guī)律多、概念定義多、相關學科多以及微觀結構抽象，教材難度相對較大，對于本科生理解也有一定難度。[3]因此教學內(nèi)容、教學模式和考核方式就極為重要。本文結合“材料科學基礎”這門學科的教學現(xiàn)狀對此學科的教學模式、教學內(nèi)容和考核方式進行了一些改革實踐和思考，希望可以為培養(yǎng)新工科背景下的材料人才提供一些參考。

1 課程教學模式思考

21世紀的課堂教學條件是從一支粉筆、一本教科書、一塊黑板到多媒體的轉變過程，隨著課堂教學條件的優(yōu)化，課堂教學越來越被重視而成為教學組織的主要形式和活動方式，因此課堂教學的組織是提高教學質量的中心環(huán)節(jié)。[4] 目前的課堂教學模式普遍以老師講，學生聽為主，這種以老師為主的教學模式顯得比較單一。而“材料科學基礎”這門課程作為材料科學與工程一級學科的專業(yè)基礎學位課，知識點復雜，內(nèi)容抽象，這種單一的課堂教學形式不利于學生掌握這門課程。并且，新工科背景下要求要以技術發(fā)展為導向去改革課程教學模式?；诖?，“材料科學基礎”這門課程的教學模式做了一些改革實踐。

1.1? 學生自主探索，加深知識理解

新工科背景下培養(yǎng)未來多元化的工程人才，培養(yǎng)學生的自主探索能力是必要的。學習新知識的過程，是師生之間互動的活動，是掌握知識和基本技能的過程，也是主體的知識結構和學生的認知結構相結合的過程。[5]在這個過程中，不僅要強調(diào)學生的自主探索，還要讓學生積極探索解決問題的思路。例如在“材料科學基礎”第六章相圖中涉及對低碳鋼和鑄鐵的理解，為了加深學生對這兩種材料的認知，引導學生用兩種簡單方法區(qū)分低碳鋼和鑄鐵。第一種是用錘子對兩種材料進行敲擊，能敲碎的是鑄鐵，第二種是用銼子對兩種材料銼一下，通過觀察切屑的顏色區(qū)分兩種材料， 切屑黑灰染手為鑄鐵，切屑亮白不染手為低碳鋼，在這個過程中讓學生去分析比較這兩種材料的機械性能以及它們基體的成分。同時，材料來自生活，而生活充滿了材料，在教學中，緊密聯(lián)系學生的生活現(xiàn)實，在現(xiàn)實世界中尋找科學，使學生在生活中能夠“看到”材料科學，“感受”材料。讓學生能夠運用科學的方法觀察和分析生活中隱藏的各種材料。例如在教材第一章中涉及晶體和非晶體的概念，課堂上教師通過引導學生去觀察并列舉生活中的晶體和非晶體，然后通過對比分析引導學生理解晶體和非晶體的具體區(qū)別。通過學生自己實踐觀察，結合教師的引導解釋加深對知識的理解。

1.2 創(chuàng)設課堂氛圍，調(diào)動學生主觀能動性

教師通過創(chuàng)設學習氣氛鼓勵學生參與到生動活潑的課堂中，運用多種學習方式，滿足他們的內(nèi)在需求。學生能否真正成為教學的主體和學習的主人關鍵在于教師能否有效調(diào)動學生學習的主觀能動性。? [6] 因此在正式進入一節(jié)課的主要內(nèi)容前，通過用多樣化的教學方式創(chuàng)設一個生動有趣的情景去調(diào)動學生學習的主觀能動性就顯得極為重要。例如，在“材料科學基礎”第二章晶體學基礎中涉及空間點陣與晶胞，為了研究晶體內(nèi)大量原子、離子、分子、原子集團等這些結構基元在空間的排列規(guī)律，讓學生學會描述晶體結構的規(guī)律性，教師可通過實體原子排列模型和晶胞結構模型的展示創(chuàng)設情境，提出問題。同時通過多媒體構建一個具有立體透視感的空間結構模型，充分調(diào)動學生的主觀能動性，在生動活潑的課堂上使學生能夠容易地理解相關內(nèi)容，提高“材料科學基礎”課堂教學的質量與效率。

1.3 承上啟下，尋找新舊知識結合點

在新工科建設背景下，教師應該注重學生對知識的掌握程度。學生學習新知識，是以已有的知識和經(jīng)驗為基礎。教師在教學中必須定位新知識和學生已有的知識，對于與舊知識緊密聯(lián)系在一起的新知識，教師可以在鞏固舊知識的前提下讓學生利用知識的正向遷移，完成認知沖突?！安牧峡茖W基礎”課程前后章節(jié)的知識點具有關聯(lián)性，因此教師在教學過程中要注重尋找新舊知識結合點。例如，教材第二章晶體學基礎主要介紹晶體結構的規(guī)律性和對稱性，讓學生理解7 大晶系與14種布拉菲點陣，對晶體有一定的認識。緊接著在教材第三章就對晶體結構進行了進一步的闡述，讓學生從晶體結構對材料性質有進一步的認識。因此，教師在對第三章內(nèi)容講解前，應充分銜接第二章的內(nèi)容，在晶體學的基礎上對晶體結構做進一步地講解，讓學生充分利用已有的知識體系提前對第三章內(nèi)容進行預習，課堂上教師通過對晶體學基礎知識再鞏固的過程中轉入晶體結構的講解，完成知識的正向遷移。

1.4 學生自主，教師引導，從被動到主動

在新工科建設背景下，應建立以學生為主的新型教學理念，學習是一種活動，就像游泳和騎自行車一樣，沒有經(jīng)驗就不可能掌握。[7]因此，在“材料科學基礎”中，教師要改變傳統(tǒng)的教學和學生的學習模式，在教學過程的設計、安排和組織中要以學生為中心，老師為導向，變被動為主動，提高教學質量。以教材第六章相圖為例，此章分為五節(jié)，要求學生掌握相圖的基本知識以及二元相圖和三元相圖的分析與使用。教師可根據(jù)班級人數(shù)將其劃分為學習小組，然后把每一節(jié)的課程內(nèi)容分給這些小組，讓學生自主預習課程相關內(nèi)容并查閱搜集資料，制作課程 PPT，在每節(jié)課前十五分鐘讓學生進行講解，并在小組內(nèi)進行討論，教師給予答疑解惑。這種變被動為主動的學習模式可以充分鍛煉學生的自主學習、語言組織和 PPT 制作等能力，充分鍛煉學生的自主學習和實踐能力，提高學術的學習積極性，提升教學效果。[8]

1.5 媒體與板書結合，豐富教學手段

單一的教學手段已經(jīng)不能滿足新工科背景下培養(yǎng)未來創(chuàng)新型人才的要求。隨著社會不斷進步，多媒體教學已經(jīng)在大學課堂中普及，多媒體能夠在課堂上給學生展示有聲有色的圖文，將教學內(nèi)容由抽象變?yōu)橹庇^，激發(fā)學生學習興趣，但過度依賴多媒體教學會引起學生課堂注意力不集中，不利于教學進度控制，降低教學效率。[9]板書作為傳統(tǒng)的教學模式，不利于教師對一些復雜的三維結構和抽象概念進行講解，但是對于一些具有推導性、連貫性的知識點，以及學生應重點掌握的知識點通過板書強調(diào)則有利于學生對知識點的理解，因此教師應合理有機結合板書和多媒體教學。例如教材第四章晶體缺陷中涉及位錯的運動以及教材第六章相圖涉及三元相圖概念的理解，此部分內(nèi)容抽象復雜，學生理解困難，在這里適當運用多媒體進行動畫演示可以幫助學生理解。但在講述二元相圖時則可以利用板書畫出相關相圖，對結晶過程羅列板書，并推導相組成物，組織組成物含量的計算方法，幫助學生充分理解。通過多媒體和板書的有機結合加深學生對知識的印象，提高教學效率。

2 課程教學內(nèi)容思考

結合專業(yè)培養(yǎng)目標，成都理工大學材料與化學化工學院選擇北京大學付華主編的《材料科學基礎》作為教材，該教材以材料結構和制備的理論基礎為主要內(nèi)容，強調(diào)材料類專業(yè)共性的基礎知識與理論，教材編排新穎，論述清晰。但該教材將原子結構與結合鍵、無機非金屬材料結構、高分子晶態(tài)結構以及無機非金屬材料的液-固態(tài)相變和高分子材料的凝固等內(nèi)容結合在一起，理論概念多，知識信息量較大，如果不考慮專業(yè)實際情況，在專業(yè)課時本就有限的情況下對所有內(nèi)容講解不僅會使教師難以講透知識點，而且會增加學生的理解難度，不利于學生掌握知識點，降低教學效率。為了滿足新工科建設背景下應對變化、塑造未來的建設理念，對課程的教學內(nèi)容做出了一些思考。

根據(jù)《材料科學基礎》的內(nèi)容特點，對教學重點內(nèi)容適當取舍，適當?shù)亟档驼n程難度，提高教學效率。例如緒論部分主要介紹關于材料的發(fā)展與分類以及材料工程的研究內(nèi)容，對于這部分內(nèi)容教師不必做重點講解，可讓學生自己去閱讀整理并查閱相關資料完成課后習題。同時，對于第一章內(nèi)容原子結構及結合鍵，其中原子結構模型、核外電子排布規(guī)律以及原子的電離能部分教師可做簡要介紹，重點講解結合鍵部分。在晶體學基礎章節(jié)里，重點講解空間點陣以及晶向指數(shù)與晶面指數(shù)，而舍去晶體的投影以及晶體的對稱性等相對較為抽象的內(nèi)容，該部分可在晶體結構學完后做系統(tǒng)講解。在相圖章節(jié)里，對于二元勻晶相圖、二元共晶相圖、二元包晶相圖以及鐵碳相圖的凝固過程做重點講解，而舍去與凝固有關的動力學理論和相圖熱力學部分，該部分內(nèi)容可在“材料熱力學與動力學”課程中做重點講解。在三元相圖里，對三元勻晶相圖和三元共晶相圖的結晶過程做重點分析，對于后面一些更加復雜的典型三元相圖，如 Fe-C-Si 、Fe-C-N 和 MgO-Al2O3-SiO2 可不必做進一步的分析講解。課程教學中不能只追求大而全，而要根據(jù)課程實際情況做出一定的區(qū)分和取舍，只有這樣才能在有限的課時下提高教學質量及效率。

3 課程考核方式思考

“材料科學基礎”課程目前的考核方式與傳統(tǒng)教學考試方式一樣，即總成績=平時成績（30%）+期末筆試成績（70%），其中平時成績主要為出勤率，這種考核方式卷面成績占比較大，導致學生不注重平時學習，對期末考試存在僥幸心理，不能體現(xiàn)全程化、多元化的課程考試，不利于新工科背景下的人才培養(yǎng)。為了取得更好的教學效果，對課程的考核方式做了一些改革實踐，將平時成績模塊化，其中課堂筆記10分、課堂作業(yè)20分、課堂提問10分、課外作業(yè)-練習60分。對于期末考試試題，減少選擇題的分值，增加分析計算和作圖題的分值，其中名詞解釋10分、選擇題 10分、分析題30分、作圖計算50分。以此方式來提高學生對課堂的重視程度，增強學生自我修養(yǎng)意識，同時加強學生的專業(yè)課基礎知識能力，使學生做到“知行統(tǒng)一”，從而提高教學效率。

4 結語

在新工科建設背景下，本文對“材料科學基礎”這門課程的教學模式、教學內(nèi)容以及考核方式等做了一些思考和改革實踐，旨在提高該課程的教學質量和效率，從而滿足新工科背景下培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的需求。在后續(xù)教學中，還需根據(jù)課程情況持續(xù)改進，積極創(chuàng)造教學條件，不斷完善“材料科學基礎”教學體系，全面提高教學質量及效率，為新工科建設背景下材料專業(yè)人才的培養(yǎng)貢獻力量。

基金項目：2020-2022年度成都理工大學教師發(fā)展科研啟動基金（10912-KYQD2020-08264）。

參考文獻

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