摘? 要：材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)是材料學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。作者針對(duì)當(dāng)前學(xué)生思維活躍，接受能力強(qiáng)，但理論基礎(chǔ)較差，偏好實(shí)踐性、互動(dòng)性、多樣性教學(xué)過程的現(xiàn)狀，對(duì)該課程采取融合實(shí)物演示、趣味課堂活動(dòng)、科研工具軟件演示、趣味實(shí)踐作業(yè)和實(shí)物激勵(lì)法的“五位一體”創(chuàng)新教學(xué)模式，從而在課程教學(xué)中做到以學(xué)生為主體，注重與學(xué)生的互動(dòng)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生思考創(chuàng)新能力，激發(fā)、鞏固、提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)；實(shí)物演示；趣味課堂實(shí)驗(yàn)；科研工具軟件；趣味課外實(shí)踐作業(yè)；實(shí)物激勵(lì)法

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）07-0061-04

Abstract： The Fundamentals of Materials Science and Engineering is an important professional basic course for the major of materials science. In view of the current situation that students are active in thinking and receptive but have poor theoretical basis， and prefer practical， interactive and diversified teaching processes， the author has adopted a "five in one" innovative teaching mode that was combined with physical demonstration， interesting classroom activities， scientific research tool software demonstration， interesting practical work， and physical incentive method. Thus， in the teaching process， the author regardsstudents as main body， focuseson interaction with students， enhancesthe enthusiasm and interest of students in learning， ensures the key and difficult knowledge points easy to understand and full of interest. At the same time， the author effectively exercisesstudents' practical ability， improves students' ability to think and innovate， stimulates， consolidates and enhancesstudents' interest in learning the major and their comprehensive quality.

Keywords： Fundamentals of Materials Science and Engineering; physical demonstration; interesting classroom activities; scientific research tool software; interesting practical homework; physical incentive method

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子材料與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-2]，在學(xué)生學(xué)完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)等基礎(chǔ)理論課程后開設(shè)。本課程主要從微觀角度闡明材料基本組成及結(jié)構(gòu)，包括原子結(jié)構(gòu)與鍵合、固體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)和材料的形變等內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程例如高分子化學(xué)、高分子物理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程提供基礎(chǔ)理論知識(shí)。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生深入認(rèn)識(shí)材料微觀組成和結(jié)構(gòu)的基本原理及規(guī)律，進(jìn)而深刻理解材料的組成和結(jié)構(gòu)與材料性能之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)，從而學(xué)會(huì)表述和解決高分子材料相關(guān)的工程問題，增強(qiáng)其創(chuàng)新能力。

教學(xué)對(duì)象為材料科學(xué)與工程專業(yè)大學(xué)二年級(jí)本科生，學(xué)生共性特征為：思維活躍，接受能力強(qiáng)，具有大學(xué)化學(xué)、大學(xué)物理、專業(yè)導(dǎo)論等基礎(chǔ)課知識(shí)，但對(duì)材料科學(xué)與工程的認(rèn)識(shí)尚處于一知半解的階段，本課為其實(shí)際接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。理論學(xué)習(xí)主動(dòng)性較低，但偏好實(shí)踐性、互動(dòng)性、多樣性較強(qiáng)的教學(xué)過程。授課教師在講授該門課程前曾經(jīng)講授多門類似課程，材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程覆蓋范圍廣、理論性較強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容多，而初步接觸材料學(xué)的本科學(xué)生無論是對(duì)材料學(xué)的認(rèn)識(shí)還是學(xué)科基礎(chǔ)均處于較為淺薄的階段，因此常規(guī)的課堂教學(xué)往往會(huì)陷入教師簡單在臺(tái)上講解，臺(tái)下學(xué)生感覺枯燥無味，難以理解的循環(huán)，不僅效果不佳，也容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

授課教師根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，課程教學(xué)中做到以學(xué)生為主體，注重與學(xué)生的互動(dòng)，采用啟發(fā)式與提問式的教學(xué)方法，同時(shí)對(duì)理論性較強(qiáng)的材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)應(yīng)用融合實(shí)物演示、趣味課堂活動(dòng)、科研工具軟件演示、趣味實(shí)踐作業(yè)和實(shí)物激勵(lì)法“五位一體”創(chuàng)新模式進(jìn)行教學(xué)改革，以提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生思考創(chuàng)新能力，激發(fā)、鞏固、提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)。

一? “五位一體”創(chuàng)新模式及其應(yīng)用

（一）? 實(shí)物演示

在多媒體（包括PPT、視頻等）設(shè)置情景式講解的基礎(chǔ)上，融合商品化教具和以日常生活用品構(gòu)建的教具組合（如磁貼、水果、飄帶等）讓重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)變得通俗易懂，充滿趣味，大幅度提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣。

例如，在講解金屬晶體結(jié)構(gòu)“面心立方堆積（FCC）”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生難以理解為何該類堆積為最密堆積，此時(shí)可以使用磁貼模擬原子，在黑板上進(jìn)行平面演示（圖1），讓學(xué)生直觀感受二維平面最密堆積恰好為FCC或HCP的“一球切六球”的堆積模式，從而能立即深刻理解密堆積結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，大大提升了學(xué)習(xí)效果。

（二）? 趣味課堂活動(dòng)

在利用黑板板書或多媒體課件講解等傳統(tǒng)教師授課模式基礎(chǔ)上，設(shè)定特定課堂小實(shí)驗(yàn)、小游戲等趣味課堂活動(dòng)環(huán)節(jié)，如組織學(xué)生以金桔等水果制作金屬原子堆積模型等，做到以學(xué)生為主體，注重與學(xué)生的互動(dòng)，大幅度提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，還有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

例如，在講解金屬晶體三種典型堆積結(jié)構(gòu)（BCC、FCC、HCP）時(shí)如果使用通常的課堂教學(xué)模式，教師簡單利用黑板板書或多媒體課件講解，難以讓學(xué)生獲得直觀、深刻的認(rèn)識(shí)，不僅效果不佳，也容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。而立體的實(shí)物模型能夠在教學(xué)中給予學(xué)生以直觀精確的認(rèn)識(shí)。然而，通常的塑料或木制的教學(xué)模型不僅市場價(jià)格昂貴，且種類和來源都非常有限，即使可以購買少量相關(guān)模型，在近百人的學(xué)生課堂中，僅僅依靠教師展示手中的模型，難以做到每位同學(xué)都能有效掌握實(shí)物模型所包含的知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)效果也非常有限。

為了能夠有效地改進(jìn)該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，筆者考慮使用價(jià)格低廉的水果制作金屬原子堆積模型[3]（圖2）。經(jīng)過探索和教學(xué)實(shí)踐，筆者總結(jié)出了以金桔等水果果實(shí)為原料，在牙簽的輔助下制作教學(xué)模型的方法，該方法不僅可以快速獲得用于教學(xué)的模型，還可以在課堂教學(xué)中，讓學(xué)生也可以參與動(dòng)手實(shí)踐，從而讓學(xué)生能夠有效掌握該知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還鍛煉了動(dòng)手能力，活躍了課堂氣氛，獲得了良好的教學(xué)效果。在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，采取老師與學(xué)生聯(lián)動(dòng)的方式，如100人左右的課堂教學(xué)時(shí)，將學(xué)生分為4人一組，每組學(xué)生發(fā)約20個(gè)金桔和相應(yīng)的牙簽（總體原料成本不超過50元），然后讓學(xué)生隨著教師的講解，在座位上自行利用金桔和牙簽制作模型，學(xué)生通過此實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠清楚地認(rèn)識(shí)到四種堆積模式的特點(diǎn)和區(qū)別，深入理解該知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還有效鍛煉了動(dòng)手能力，大大活躍了課堂氣氛，根據(jù)課后對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查，幾乎100%的學(xué)生對(duì)此環(huán)節(jié)的教學(xué)效果表示滿意。有趣的是，在教學(xué)過程中還發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生還發(fā)揮創(chuàng)造力，對(duì)教師的結(jié)構(gòu)模型制作方法加以變動(dòng)和改進(jìn)，從而獲得更為符合實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型。這種以水果金桔制作的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用于課堂上，能夠大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力、創(chuàng)造思維，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

（三）? 科研工具軟件演示

結(jié)合研究方向，以Diamond等科研工具軟件現(xiàn)場演示，讓重難知識(shí)點(diǎn)變得通俗易懂，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)。例如，Diamond軟件是德國波恩大學(xué)Crystal Impact GbR公司開發(fā)研制的一個(gè)化學(xué)專業(yè)軟件，利用該軟件不僅能創(chuàng)建晶體模型，還能以各種形式（線、球棍狀、空間堆積和多面體形式等）展示晶體模型，而且模型可以根據(jù)用戶的需要自由旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放，可以用著色方案對(duì)原子進(jìn)行強(qiáng)調(diào)和渲染[4]。在講解金屬和離子晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)中，由于晶體結(jié)構(gòu)為三維擴(kuò)展的，如果教師簡單利用黑板板書或多媒體課件以平面圖片講解，難以讓學(xué)生獲得直觀、深刻的認(rèn)識(shí)，不僅效果不佳，也容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。而使用Diamond科研工具軟件（圖3），現(xiàn)場導(dǎo)入教師事先準(zhǔn)備好的結(jié)構(gòu)建模，可以實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、放大、平移，并且可以根據(jù)需要顯示多面體、配位環(huán)境等操作，讓學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而大大降低了對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)理解和分析的難度，獲得深刻感受，大幅度提高學(xué)習(xí)效果。

（四）? 趣味實(shí)踐作業(yè)

布置如晶體攝影探索、手繪元素周期表、自制戒指等趣味作業(yè)，有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生思考創(chuàng)新能力，激發(fā)、鞏固、提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)，提高學(xué)生分析與解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域問題的能力。筆者將這些趣味作業(yè)和文獻(xiàn)檢索等作業(yè)結(jié)合，自制方便學(xué)生完成的作業(yè)冊(cè)，作為平時(shí)成績的重要組成部分（學(xué)生作業(yè)冊(cè)部分掃描圖如圖4所示），最近一年授課作業(yè)冊(cè)趣味實(shí)踐作業(yè)內(nèi)容見表1。此類作業(yè)不僅充滿趣味和挑戰(zhàn)性，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到材料學(xué)與日常生活息息相關(guān)，更能培養(yǎng)學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)的科學(xué)精神，理論聯(lián)系實(shí)際和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，提升學(xué)生在環(huán)保意識(shí)、人文情懷、工程倫理方面的認(rèn)識(shí)。

（五）? 實(shí)物激勵(lì)法

實(shí)物激勵(lì)法在課堂上的應(yīng)用很少有人研究。當(dāng)前的大學(xué)生思維活躍，眼界較為開闊，且多數(shù)在初高中時(shí)期就經(jīng)歷過精神激勵(lì)式的教學(xué)，因此在大學(xué)的課堂上，單純以言語贊賞、成績加分等方式激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和活躍課堂氣氛的效果越來越差，為了探索實(shí)物激勵(lì)法在高校課堂教學(xué)中的應(yīng)用，筆者以近年負(fù)責(zé)教學(xué)的多門課程作為試點(diǎn)，總結(jié)在課堂設(shè)計(jì)中融合實(shí)物激勵(lì)法的方案[5]，獲得了以糖果和3D打印鑰匙扣[6]作為主要實(shí)物激勵(lì)源的新型激勵(lì)法。在材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)和相關(guān)課程課堂教學(xué)中，課程教學(xué)環(huán)節(jié)以問題探究為導(dǎo)向，融合實(shí)物激勵(lì)法，注重與學(xué)生的互動(dòng)，大幅度提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓課堂充滿情感溫度，可以有效活躍課堂氣氛，強(qiáng)化學(xué)生自主思考和探索的能力，有效加深學(xué)生的理解和認(rèn)識(shí)，有效提升教學(xué)效果。

二? 教學(xué)效果分析

經(jīng)過2020—2022年的教學(xué)創(chuàng)新和持續(xù)改進(jìn)，課程的整體設(shè)計(jì)、授課模式、考核方式等已經(jīng)日趨成熟，學(xué)生對(duì)該課程的教學(xué)表示滿意，2020—2022年學(xué)生評(píng)教得分均在90分以上。如圖5所示，對(duì)學(xué)生綜合成績考核結(jié)果表明，大部分學(xué)生（60%以上）綜合成績均能達(dá)到良好或優(yōu)秀的水準(zhǔn)。課程還有效激發(fā)高分子專業(yè)學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，自教師接手該課程以來，2020—2022年專業(yè)畢業(yè)生一次性就業(yè)率均在95%以上，專業(yè)考研錄取率平均達(dá)到32.7%，專業(yè)學(xué)生積極參與學(xué)科競賽和科技活動(dòng)，專業(yè)學(xué)生主持國家級(jí)、區(qū)級(jí)、校級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目100余項(xiàng)，在“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)青春”等國家級(jí)或省部級(jí)學(xué)科競賽中，榮獲30余項(xiàng)省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)，參與發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，獲得授權(quán)國家發(fā)明專利20余項(xiàng)，成果產(chǎn)出顯著。

三? 結(jié)論

筆者在材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程教學(xué)中，根據(jù)當(dāng)前學(xué)生思維活躍，接受能力強(qiáng)，但理論基礎(chǔ)較差，偏好實(shí)踐性、互動(dòng)性、多樣性教學(xué)過程的現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，采取融合實(shí)物演示、趣味課堂活動(dòng)、科研工具軟件演示、趣味實(shí)踐作業(yè)和實(shí)物激勵(lì)法的“五位一體”創(chuàng)新教學(xué)模式，從而課程教學(xué)中做到以學(xué)生為主體，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生思考創(chuàng)新能力，激發(fā)、鞏固、提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)，取得良好效果。

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基金項(xiàng)目：2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“新工科背景下地方院校高分子材料與工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系創(chuàng)新與實(shí)踐”（2020JGA194）

作者簡介：陳碩平（1985-），男，漢族，廣西南寧人，博士，研究員，高分子教研室副主任。研究方向?yàn)椴惋嫃U棄物回收利用。