新培養方案下材料科學基礎的教學改革思考

文桂林，陳永紅，鮑 霞

(淮南師范學院 化學與化工系，安徽 淮南 232001)

《材料科學基礎》是材料科學與工程學科的重要的專業基礎課和核心課程，是公共基礎課與專業課之間的橋梁，該學科主要介紹材料科學中的共性規律，即材料的組成-形成 （工藝）條件-結構-性能-材料用途之間相互關系及制約規律[1-4]。該課程的開設便于學生掌握各種傳統材料的知識、了解新材料發展的前景，同時可為學生畢業后在材料領域從事生產工作、產品研究開發、管理以及繼續深造奠定堅實的理論基礎，并為提高學生的科技素養、培養復合型人才提供必要的條件[5]。材料科學基礎課程既具有傳統特色又緊貼時代的發展，其傳統之處在于該課程涉及化學、物理學、數學、生物學等多個領域，屬于典型的交叉學科，這些學科為該課程提供了堅實的理論基礎；同時，隨著科技的發展，各種新材料、新工藝、新技術和新理論逐漸成為教材內容，體現了鮮明的時代特色[6-8]。這些特點決定了課程的一大特點，即教學內容的理論性、新穎性和教學方法的不定期變革性。近年來，材料科學與工程學科得到了迅速的發展，各高校和研究所相繼開設相關材料類專業，如：材料化學、材料物理、材料學以及材料加工工程等，有些院所基于各種材料的特性其專業的開設甚至更加細化。在各專業的課程設置中，《材料科學基礎》作為材料類核心課程，因為其重要作用得到廣泛開設。當然，出于高校差異化發展以及服務地方經濟的原則，各高校也各有特色和偏重。

淮南師范學院是一所省屬普通本科院校，作為安徽應用型本科高校聯盟成員，為了適應社會需求和形勢的發展，學院提出了建設應用型本科高校的辦學定位和思路，并于2009年上半年明確提出了新的人才培養規格：“寬口徑、實基礎、強技能、能創新”，修訂了新一輪人才培養方案，計劃利用幾年時間進行新方案的試行和完善[9-10]。作為其重點培育專業-材料化學，得到了各級部門的重視，特別是淮南低溫共燒材料省級實驗室的立項建設，更是為材料化學專業的發展提供了堅實的支撐。因此，在2009年確立的新培養方案中，學校對材料化學專業的課程設置和培養目標進行了深入調整，對人才質量提出了更高的要求。在課程設置方面，對作為主干課程的《材料科學基礎》進行了相應的調整，并對教學內容、教學方法和技能提出了更新和改革的要求。本文進行了充分的文獻調研，結合國家對人才培養的要求、該領域的快速發展、學校培養方案的變化以及學生的實際需求，我們對材料科學基礎課程的內容選擇和教學進行了深入的思考和分析，并提出了一些對策，以其為改善材料科學基礎課程的教學質量、提高教學效果和學生的動手能力以及培育創新思維意識提供理論依據。

1 優化理論教學內容，突出專業特點

目前，材料科學基礎課程的教材有多種著作和版本，如，高等教育出版社出版的余永寧主編的《材料科學基礎》、上海交通大學出版社出版的胡庚祥主編的《材料科學基礎教程》等。這些教材基本內容相同，但各有側重，在課時有保障的情況下，合理選取教材是一個必要的前提。在淮南師范學院新培養方案中，對課堂教學的課程和課時進行了削減，考慮到本課程的總學時為54個課時 （之前為72課時），就課堂教學的實際情況而言，以上教材的選取均可以滿足要求。

針對相對有限的課時，保障基礎理論的教學尤為重要；同時，結合學校的專業特色，以及省級實驗室提供的平臺，即省級實驗室整合的四大科研方向：低溫共燒陶瓷（LTCC）、固體氧化物燃料電池、煤灰助熔劑以及紫砂頁巖研究。材料科學基礎課程內容的選擇以無機非金屬材料為主體，輔以相關內容，包括晶體結構、晶體結構缺陷、非晶態結構與性質、表面結構與性質、相平衡與相圖、擴散、材料中的相變等，并通過無機材料的實例闡述材料的制備、化學組成、表征、性能以及構效關系，從而為材料的開發、生產和使用提供理論基礎。在重點討論無機非金屬材料的基礎上，也應該從整個材料領域和理論體系層面上進行整合，體現出金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及復合材料等四大材料的各自特性，擴大材料的研究范疇。

考慮到課程內容設置的重疊性，在較少課時時，對于課程的輔助內容或其它課程中的重點內容，本課程可以進行適度的選擇性講授。如晶體結構部分與無機化學、結構化學中化學鍵合和結晶學基礎部分有較大的重合，可以一筆帶過地進行略講；相平衡與相圖的基礎知識，在物理化學上有詳細的講述，兩者內容的差別僅在于材料科學基礎課程注重固體物質的相平衡，因此這部分內容偏向于相圖類型的介紹和各種術語的理解，具體分析方法參照物理化學；對于固相反應、燒結等內容，因為與陶瓷工藝學和玻璃工藝學重疊，本課程不再講述。

2 整合實驗教學設計，推行綜合實驗

實驗教學是對理論教學的鞏固和提高，特別是對于理工科的專業，專業實驗尤顯重要。材料科學基礎課程理論教學以材料為載體，闡述各種材料的共性基礎知識，從材料的微觀結構出發，研究結構-制備方法-加工工藝-性能的關系，對于這些知識的理解和把握，依賴于相關實驗的開展。大多數高校都平行獨立設置了材料科學基礎實驗，并圍繞材料科學開設十個左右的驗證性實驗，目的是幫助學生理解和鞏固所學的有關材料科學的基本原理和知識，并掌握材料科學的實驗技能[11]。

以淮南師范學院為例，在2009級以前的課程設置中，材料科學基礎實驗共54課時，包括16個單獨的實驗項目：正交試驗設計；計時電流法；線性掃描伏安法與循環伏安法；sol-gel法制備Nano-TiO2粉體；材料表面硬度的測定；低溫自蔓延燃燒法合成Nano-Ce2O3粉體；粒度分布儀測定粉體粒徑；粉體流延成型工藝；塊體材料的體積密度、氣孔率以及吸水率的測定；超細粉體比表面積的測定；Nano-TiO2修飾電極和電化學測試；玻璃材料折射率的測定；粉體真密度的測定；納米氧化鈦修飾電極的制備；熱膨脹系數測定；粉體造粒以及干壓成型工藝；粉體流延成型工藝。這些實驗的開設使學生掌握了材料科學的基本實驗技能，學會了觀察實驗現象和分析實驗數據，但是這些實驗項目過于分散，僅是理論課的驗證，彼此沒有太大的相關性，學生學習興趣欠佳，單從實驗課開設的目的和取得的效果來看，這門實驗課程的改革刻不容緩。

新培養方案中，結合學校實際，考慮將材料科學基礎實驗劃分為四個模塊：陶瓷、固體氧化物燃料電池、水泥和混凝土。這四個模塊的內容是綜合性實驗，以陶瓷材料為例，其全過程包括了正交試驗設計、低溫自蔓延法合成、測定粉體粒度分布；測試塊體材料的體積密度、氣孔率以及吸水率；目標粉體比表面積的測定；粉體造粒以及干壓成型工藝；陶瓷粉體流延成型工藝；材料表面硬度和折射率的測定；材料的熱膨脹系數測定。學生可以在四個模塊中任意選擇一個模塊，教師擬定初步的實驗方案，學生獨立設計實驗內容、全程完成實驗操作、并進行性質測試、整理分析實驗結果，實驗完成后每人提交一份實驗報告。這些實驗整合了材料制備技術中的粉體合成、成型、燒結技術，材料結構和性能的表征技術以及實驗結果的綜合分析技能。綜合實驗的開設，增加了學生的參與意識，使學生了解材料制備工藝過程和表征方法，以及材料制備和常用儀器設備的基本操作和基本技能，并能規范操作這些常用儀器和設備，進而培養學生理論聯系實際和提出、分析、解決問題的能力，在科學研究中堅持嚴謹的科研態度并樹立求實的工作作風。

3 改進教學方法和手段，提高教學質量

3.1 傳統和現代教學手段相結合

進入新世紀以來，特別是隨著計算機技術的普及，在高等教育中開始大量運用多媒體進行教學，多媒體教學具有直觀、形象、生動的特點。但是，過度強調多媒體教學的優點導致了在一些教學工作中錯用、濫用計算機教學的情況。因為網絡的便利性和共享性，各門課程都有豐富的課件資源，相對傳統教學方法，現代教學的備課和課堂展示更簡單、知識量更大，因此教師往往過多關注課件的新穎性、知識的海量性以及備課的便捷性，不加理解而囫圇講解的情況和只圖進度而過量灌輸的事情時有發生，教學手段的更新并沒有從根本上提高學習質量。針對這種不良趨勢，應該將傳統板書教學和現代多媒體教學相結合，對于一些基本理論、公式的講解應使用板書方法，學生全程見證了理論和公式的推導，強化了記憶、增強了技巧；對于復雜的圖形演示，動畫和圖像更形象和直觀，如等徑球體的最緊密堆積、位錯、擴散、復雜相圖以及晶體結構，計算機豐富的色彩、文字和圖像功能，可以方便的展現并區分，非常醒目、簡單，而且節約了大量課堂時間；對于新材料的應用、開發和具體的工藝過程，可以借鑒視頻的形式，立體生動的視頻大大激發了學生的興趣，同時也加強了課本知識與實際生產的聯系，使學生的學習、生活忙碌而不盲目。

3.2 由灌輸式教學向參與式教學轉變

在教學工作中，積極探索與應用型人才培養相吻合的教學方法，改變過去45分鐘灌輸式的方法，采用“提問式”、“啟發式”、“討論式”、“研究式”等參與型方法引導學生學習。在講授新課之前，結合實際列舉相關的工程實例和科研進展以及實際產品，提出需要解決的問題，進而引導出授課內容，這項工作類似撰寫論文中的引言部分，抽象但又不失其重要性。授課過程中，注意復習和總結，理清重點和難點以及各知識點的聯系和區別，教師準備充分的時間組織討論式的講授，使課堂活躍，學生在討論的過程中能夠提出問題、發現難點。對于一些較專業的知識點，可以課前組織學生進行網上檢索，課堂組織發言，增加其感性認識。同時考慮到《材料科學基礎》課程中各部分內容之間是具有很強的關聯性的，教學中必須體現課程教學的整體性，不能局限于一些細節，應該在一定高度上理解和學習，使課程的學習更清楚、更簡單。因此，上課之初一定要理清該門課程各部分內容，讓學生對課程有整體認識，進而說明各部分內容之間的相互關系，從而在學習過程中相輔相成。在教學過程中，進行教學內容轉換時，一定要做好兩部分內容之間的銜接工作，讓學生明白內容編排的必然性，因為這些內容起到貫通教材完整性的重要作用。

3.3 加強課外自學訓練，與課堂教學互補

高等教育與初等教育的最大區別，在于高等教育的主體具有一定的自主學習能力和獨立意識。培養方案調整前，因為培養目標的高大全，課業繁重，加開了大量的專業課程，在增大專業知識量的同時，課余時間嚴重縮短，學生忙于一些科普性知識的訓練，沒有深入的理解，易學但容易忘記。新方案中，課程數量和課時大幅下降，開始關注學生學習的主動性。考慮到大學生活太過于強調自我約束，外部激勵措施較為欠缺，一定數量的有針對性的課外自學訓練很有必要。對于材料科學基礎課程而言，如課后習題、新知識的網上檢索、業余時間的調研、實訓鍛煉甚至進入車間直面生產，彌補了課時的不足和書面知識過于抽象的缺點。如，陶瓷、玻璃、水泥的制備，因為太過枯燥和抽象，一直是學習的難點，配合以工廠參觀和實驗室小量制備，學習起來就事半功倍了。同時，課外訓練增強了自學能力，糾正了學生過于依賴“老師講述-學生學習”的模式，為將來的就業和深造打下了基礎并養成了良好的學習習慣。

3.4 提倡雙語教學

材料學科是近年來蓬勃興起的新興領域，國外同行在該領域具有一定的優勢。在材料科學基礎這一專業基礎課中引入雙語教學，學生既可以學習專業詞匯和英語表達，也可以獲得一種自主學習的能力，用第二語言拓寬視野，了解先進國家在材料領域的進展，激發從事材料工作和科研的興趣。在現有條件下，可選擇常規雙語教學模式展開教學活動：在教材方面，引進外文原版教材作為輔助教材；在教學中，板書表達采取英漢對照的方式，口語表達以中文為主，以外文為輔助；多媒體教學中可以融入英文動畫和視頻，加強英語聽力訓練；習題作業以外文原版教材為主，采取中文作答。業余時間，通過教學提高學生對生活的觀察能力和英語的實用能力。生活中，英語的身影無處不在，如教材中有些術語是對英語詞匯的借鑒，如：特氟隆、納米、滌綸、雷達、派瑞克斯玻璃等；實際產品使用中對英語符號的部分依賴嗎，如：TG、PE、PVC、IR、TEM、PP、ABS、PS 等。

4 結合學科前沿，培養創新意識

在教學過程中，也應該注重科研促進教學。在當前形勢下，師資資源比較豐富，在教師的選擇上堅持專業對口，更有利于教學。因為高校教師學歷普遍較高，基本上具有碩士或博士學位，相應也具備一定的科研能力和科研經驗，結合自身的科研工作和科研平臺教學，更有利于學生接觸學科前沿，培養其獨立意識和科研興趣，培育創新精神。

4.1 提高教師科研能力，配置先進儀器設備

《材料科學基礎》是一門基礎理論和工程實際緊密結合的課程。材料化學專業依托淮南低溫共燒材料省級實驗室具備先進的儀器設備，如：傅立葉紅外光譜儀、粉末X-射線衍射儀、熒光光譜儀、紫外光譜儀、質譜儀、熱重-差熱分析儀、元素分析儀、掃描電子顯微鏡、比表面測定儀、激光粒度儀、熔點儀、熱膨脹儀及電化學工作站等，并有一些先進儀器正在購置中。教師隊伍素質較高，科研課題較多，囊括了國家自然科學基金、省自然科學基金、人事廳優秀人才基金、教育廳基金和淮南市科技項目以及學院的配套基金，所有教師都不同程度的參與或者主持了科學研究和實際工程項目。教師的科研方向也比較廣闊，基本上在材料領域都有涉及。材料科學基礎課程的內容比較廣泛，包含多個領域，課程中涉及大量的各種類型的材料，如：功能陶瓷、特種玻璃、液晶材料、LED材料、水泥、功能配合物、混凝土、醫用材料、納米材料等，對這些內容的理解要求授課教師具有較高的科研能力、廣博的知識面和一定的學術背景，否則不能真正理解這些內容，在教學中很容易采取照本宣科的方式。教師的配備可以不拘泥于一人，而是由數名老師組成教學團隊，特別是在講授各種類材料時，充分利用各位教師的特長，在課堂教學中有針對性的講解、適度展開，在闡述理論意義、領域動態和科研熱點時會更加有效果。

4.2 支持學生參與前沿研究

考慮到授課對象是大三學生，有些學生則要繼續深造，另外一些同學將走進具體的生產崗位，對各個領域的深刻認識和實際研究有利于較早培養他們的興趣和實際操作技能。因此，教師應該積極支持有科研興趣的學生在任課教師的科研工作中從事一些實驗工作，真正擔負一定的實驗任務，完成科研工作中相對容易的分解步驟，有條件的實驗室和教師還可以指導學生積極申報和承擔科研項目。如，淮南師范學院設立了“支持百名優秀學生課外科技實踐創新活動基金”項目，每年在申報者中篩選一批學生承擔項目建設，并進行了積極的資金支持和生活補助，使學生有充足的時間和精力投入到科研中去。幾年下來，科研項目的號召力越來越大，學生參與申報項目的熱情高漲，項目質量也越來越高，絕大多數項目都能按期結題，并獲得了豐厚的研究成果，如高質量的科研論文或者各種專利。這樣既加深了學生對理論課程的理解，對理論知識有了現實認識，從而有助于豐富教學內容、提高教學質量；也培養了學生的科研能力和創新意識，對科研工作有了切身體會和具體經驗，有利于今后的實際工作和繼續深造。

5 結語

近年來，國家把新材料列為重點支持行業，新材料作為高新技術的基礎和先導，已經顯示出良好的發展前景，各種新材料、新工藝不斷出現并投入實際應用。為適應經濟發展，對高等學校人才的培養模式提出了更高的要求，具有較強的理論基礎、動手能力和創新精神的學生，成為高校培養的目標，也是各用人單位優先選擇的對象。依據科技發展和社會需求，不斷完善培養方案，并進行教學改革，加強教學與生產的聯系，才能為安徽應用型本科高校的發展和國家卓越工程技術人才工程的建設做出應有的貢獻。

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