工科類專業基礎課程“材料科學基礎”的前沿研究引入與考核內容設置探討

李文利 邢占文 劉衛衛

摘要：“材料科學基礎”是材料專業的一門重要專業基礎課，在專業知識構建中具有重要作用，且課程具有抽象概念多、內容量大、考核困難等特點。同時，隨著材料學領域新的研究成果不斷涌現，如何做好前沿研究與課程教學的銜接，是促進學生鞏固基本理論，了解前沿動態，強化教學效果，實現基礎能力與創新性的全面提升的重要途徑之一。通過將前沿研究成果引入課程教學的教學實踐，并從研究進展的多渠道獲取、教學引入、考核內容設置三個方面進行了探索總結。

關鍵詞：專業基礎課;前沿研究;教學考核

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0001-02

“材料科學基礎”課程是相關專業最重要的學科基礎課之一，目的是學習材料科學與工程學科的基本概念、基本原理和基礎理論知識。在課程教學中如果能夠做好基本知識框架與前沿研究進展及成果的銜接，不僅有助于增強學生的學習興趣，鞏固理論知識，而且也有助于培養學生的創新思維，提升預期的教學效果。針對這些問題，在教學過程中進行了較為深入的分析，進行了教學內容、教學方法、考核方法等方面的教學改革，取得了良好的教學效果。

一、調整專題設置，引入前沿研究

本課程教學實踐過程中，在調查學生既有專業背景知識的基礎上，結合授課對象具體專業或研究方向的特色，參照國內外相關教材和內容，將講授重點以晶體學基礎、材料的結構、材料的形變、擴散與凝固等基礎理論專題的形式展開學習。

以晶體結構主題一講為例，從晶體中的原子、離子、分子如何堆垛出發，學習各種堆垛原子、離子、分子的配位情況，堆垛后的各項結構參數與堆垛的關系，接下來討論各類晶體中的常見晶體結構。但是，必須明確的是，盡管晶體學的大廈已經構建，隨著實驗及分析手段進步，突破傳統晶體學的研究成果也獲得學術界的認同。因此，最后引入準晶的概念及其研究過程，以及這一發現對于現代晶體學和固體物理框架的影響。在新概念的引入過程中，也涉及前期基本理論所需要掌握的周期排列規律的計算，并在此基礎上引出科學家們提出的全新的解釋，即準周期性，這些發現顯著擴大了晶體學的平移堆垛和旋轉對稱范圍。回過頭來梳理晶體學理論發展的歷程，可以發現基本概念也是一代一代晶體學家和數學家持續性研究的結果，這其中需要實驗和理論的相互佐證，并結合實驗和理論建立起完整的理論體系的大廈。只有這樣的理論成果，才能成為后來科學發展的指路者。同時，新的研究成果的出現，有可能調整課程教材的經典理論，至于如何隨著研究的推進來證實現有解釋，并實現真正意義上的應用推廣，則是能夠激起學生探索和創新的話題。

二、改革教學方法，提高學生的學習興趣

在基于主題講授的課堂學習外，適當增加專題討論，在課堂和課下設置問題，讓學生參與一起討論，并分組查找文獻資料，結合講解與點評，使學生都能積極地參與到教學活動中，是目前廣泛認同的教學方法之一。尤其對于材料科學基礎，新的研究方法的應用使問題與結果的展示及提出形式均具有多樣化，并易于讓學生盡快接受并展開討論[1]。例如，借用最新研究結果的各項原位測試動畫、分子動力學模擬結果等，將理論知識生動形象地展示出來，一方面通過學生的歸納與講解，可以將該領域最新的研究成果傳遞給其他人，增加了教學內容的科學性、先進性和趣味性，另一方面可以使師生雙方得到該學科最新的優質教學資源，并有助于學習興趣的提升。如對于材料的凝固這一主題，選取近期研究熱點材料對象，采用數值模擬演示出的溫度場、溫度梯度、凝固組織生長過程等，使學生不但掌握凝固熱力學和動力學條件等基本概念，并且了解了求解動力學方程對實際工程問題的重要價值與意義，對抽象枯燥的凝固形核與生長條件有了新的認識，激發了學習興趣。理解了理論的具體體現，對于后續涉及這一類理論的各項技術/工藝細節所帶來的結構與性能上的差異，也就更容易理解和展開分析。進而，當學生從事相關工作或研究時，將理論聯系實際的方法貫穿其中。當面臨新的技術問題時，借助這些基本理論的深刻理解，將能夠快速找到切入點，抓住技術問題的關鍵，從而展現出優異的實踐能力。

三、更新考核內容，引導研究型考核

課程考核環節也能夠通過研究型問題設置，將基本知識點與最新發表的研究成果結合起來[2]。同樣是對于晶體結構這一主題，本課程選擇了近期一種新型金屬間化合物的合成、表征以及性能評價研究成果，引導學生從如下三個步驟加深課程講授知識，并實際運用這些重要知識點尋找研究答案的理論解釋和運用分析：（1）涉及的金屬間化合物的晶體結構屬于哪種類型及有何特點;（2）研究者采用何種創新性的實驗設計揭示該晶體結構的形成過程、具體形成步驟;（3）展開討論該晶體結構的演變過程研究對于新的材料體系設計和合成有哪些參考意義。類似上述考核內容設置的模式，是從基本知識點出發啟發、引導學生，使其掌握基本理論和學科方法，運用所學理論解決實際問題的一種考核方法，也是能有效促進課堂互動，進而提高教學效果的模式之一，不僅可以推動學生通過閱讀近期的研究成果討論自主解決問題，而且考核過程中加深了對專業知識的理解，最終達到教學目的。當然，通過考核內容更新引導方法的學習，同時也是一種研究方法和質疑精神的傳播。在討論和研究相關授課主題的重要文獻的同時，無形可以中研究和領會前人的思想和方法。對于后續從事工程技術工作的學生而言，根據基礎知識解讀新的科學問題或分析新的關鍵技術，也是培養卓越工程師的基本途徑之一。尤其對于工科類專業畢業生，借鑒前人研究成果綜合分析工程問題或展開產品設計/變更，獲取和分析能力是必須具備的基本能力。通過考核內容引導強化該能力的訓練，不僅有助于達到本課程的教學目的，也促進了學生在校和終身學習的全過程能力培養。

當然，從最新研究成果出發展開前述教學內容和考核設置的改革，其中離不開最新的外語專著或期刊論文資料，這就涉及雙語模式下討論專業課的教學這一問題。在當今國際一體化背景的影響下，大量工科類專業課程教學過程中或多或少也會引入外語原版教材和專著、外語文獻等形式。在準備和實施教學內容和考核內容的同時，也是借助材料學科國內外的最新研究進展、科技發展水平，并吸收本學科前沿的專業知識和理論，達到培養學生的全球化學術視野的目的，這對目前倡導的拔尖創新型人才的培養至關重要[3]。

四、總結

材料科學基礎課程的教學改革需要緊貼教學目的和材料學科的發展趨勢，緊跟科學前沿，提升學生對本課程的學習興趣，發揮對基本理論運用的專業能力。通過前沿研究進展及成果與基本知識體系的結合，既可以讓學生對專業知識學習充滿興趣，又能夠在理解研究成果的同時加深基礎概念和理論的理解，同時通過考核內容的適當調整，適應材料學科的迅速發展，提升研究素質，從教學內容和考核內容角度引導學生關注基本專業能力與創新能力的同步提升。最后，借助科研對教學的促進作用，增強對教學內容相關的前沿研究進展的敏感性，對于教師而言也是一個不斷提升的過程，展開了多模式的教學與研究相互結合的實踐，實現了教學相長。[4]

參考文獻：

[1]宋貴宏，陳立佳.提高普通工科高校專業基礎課教學質量的新嘗試[J].教育教學論壇，2017，（3）：236-238.

[2]張海龍，程齡賀.“材料科學基礎”課程教學改革和考核改革探討[J].科教文匯，2014，（1）：58-59.

[3]陳洪美，張靜，金云學，魏范松，王澤鑫.不同專業方向背景下的材料科學基礎課程改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2015，（12）：90-92.

[4]曾曉祥.本科低年級專業基礎課研究型教學的探討[J].教育教學論壇，2016，（1）：273-274.