以科研促進《材料科學導論》本科教學實踐的探討*

張鈞君，趙 光，呂建國，王 琳

(合肥師范學院物理與材料工程學院，安徽 合肥 230601)

材料、能源和信息技術被譽為現代文明的三大支柱。隨著現代科學技術的進步，材料，尤其是新材料的研究及應用是人類文明、社會進步和科學技術發展的物質基礎和技術先導[1]。在國務院提出的《中國制造2025》中新材料領域也被列為重點發展的十大領域之一，可見材料科學的重要性。在材料科學教育行業，努力讓學生掌握材料科學基本知識，將其培養成將來在材料領域從事科學研究和技術開發的高級人才或專業技術人才是十分重要且必要的。于是，材料科學領域的一門專業基礎課程《材料科學導論》就應運而生了。材料科學是一門多學科相互交叉與應用型極強的新興綜合學科，是研究材料的成分/結構、制備/加工、性能和使用性能的相互關系的一門學科，通常我們將這四點稱為材料科學與工程的“四要素”，這四個要素構筑了整個材料系統，形成了材料學科與材料世界[2]。《材料科學導論》是材料科學的基礎組成部分，也是合肥師范學院物理與材料工程學院材料科學與工程專業二年級本科生一門專業必修課程。課程旨在讓學生對材料科學有一個整體的基礎專業認知，使學生掌握材料基礎理論和主要性能，并了解一些新材料的特點及其在高科技領域中的最新進展，為以后專業課學習奠定基礎，并在創新能力和綜合能力方面得到一定訓練。本文將科研與課程實踐教學相融合，從多個方面具體論述了科研與教學相統一的意義以及促進《材料科學導論》本科教學實踐的實現方法和路徑，進一步豐富教學內容，提高學生的創新能力和科研素養。

1 科研與教學相輔相成

早在19世紀初，德國著名教育家洪堡率先提出了大學“教學與科研相統一”的原則，他認為科研是最好的教學。合肥師范學院作為一所地方性本科院校，雖然主要目標是培養應用型人才而非研究型或學術型人才，但是隨著當下教育教學以及科學研究的發展，越來越多的學者發現教學與科研兩者之間具有潛移默化的相互作用和影響，高等院校對于科研發展以及科研反哺教學的重視程度也越來越高，教學與科研也逐漸成為地方性本科院校的主要職能。科學技術的進步促進新材料的快速發展，也對《材料科學導論》課程的教學提出了新的要求，這需要老師具有厚重的知識積淀和優秀的科研文化素養。《材料科學導論》這門課程的教學，也是傳統知識教育和前沿知識教育的結合，一方面是“基礎”，即對傳統材料基礎知識的教學，強調基礎理論與應用知識的學習，例如材料的結構及它與材料性能之間的關系——構效關系，是課程的重點也是難點所在；另一方面是“前沿”，即老師需要與時俱進，抓住學科前沿，緊跟新型材料科學研究的發展，從科研中努力發掘出更多新穎的教學資源，為學生打開新材料精彩應用世界的大門，讓他們領略到材料領域的多彩有趣性，激發學生愛科學、愛材料的學習熱情，提高學生的科學素養和知識水平。本文以我校應用型本科教學情況為出發點，將科研與課程實踐教學相融合，把教學資源與科研資源統一規劃，豐富《材料科學導論》教學內容，利用科研本身的嚴謹性和創新性激發學生的學習興趣，加強學生創新能力的培養。筆者將從以下多個方面淺談科研反哺教學的方法和途徑。

2 科研促進教學的方法和途徑

2.1 豐富課堂教學內容

《材料科學導論》這門課程主要介紹了材料科學與工程的興起和內涵，工程材料里的金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料和功能材料，新能源材料，材料的基本性能，原子結構與結合鍵，原子的排列與缺陷，相圖以及擴散等材料行為。學生對傳統材料基礎知識的學習主要依賴高校使用的統編教材，然而隨著科技的發展，新知識與新技術也日新月異，這就使得教學產生一定的滯后。打破滯后，就需要教師緊跟本學科的發展前沿，不斷用新知識武裝自己，在教學中融入科技前沿案例。將教學與科研緊密聯系在一起，加快理論教學內容的更新，更能激發學生興趣，提高教學質量[3]。例如，講述課程復合材料知識的時候，可以引用中國科學技術大學俞書宏院士課題組2016年發表在《科學》上的一篇利用仿生新策略人工合成貝殼珍珠層的論文，加深學生對復合材料的優異特性的理解并了解仿生領域技術的新進展[4]。講述到功能材料時，可以增加有趣的人造皮膚的介紹，引入世界杰出華人女性科學家斯坦福大學鮑哲南院士在新材料領域的重要成果，如電子皮膚、太陽能電池等，用最新研究成果拓展學生的眼界。再比如，講述到原子的排列與缺陷時，可以結合筆者本人近期在電催化和光電催化領域的科研工作，擴展缺陷的表征手段和缺陷對材料性能的重要影響，讓學生對缺陷具有更深入地理解[5]。再比如，講授到新能源材料時，筆者聯系自己的研究課題，闡述納米材料在儲能領域中的應用原理、材料表征以及性能測試的方法手段，當然，這里涉及到的知識已經不再是單一方面的，而是多方面基礎知識的結合，如晶體結構、擴散等等。還可以介紹鋰離子電池領域的著名科學家John B. Goodenough教授，鋰離子電池的研究推動著人類社會的巨大進步，他在2019年被授予諾貝爾化學獎，他傳奇而又勵志的一生激勵著我們人生應該不斷奮斗。

總而言之，教師需要精確地了解自己所授課程在整個領域及學科中的地位，與時俱進，不斷挖掘與課程有關的科研團隊或科研人物、文獻、科研動態以及研究進展等。在教學過程中及時將這些發現分享給學生，保證學生獲得的知識跟上技術進步的發展，進一步擴展課堂教學，激發學生的學習熱情，滿足學生旺盛的求知欲。

2.2 創新課程教學手段

科研有效反哺教學也需要教師不斷創新教學手段和教學方法[6]。在教學方式上開展更多的開放性教學，將講授與學生自主學習、集體討論和獨立思考結合，開展啟發式、研討式以及案例式教學方法，增加教學含金量。首先，課堂之中，教師可以先自身進行示范，將一篇和課程知識點相關的文獻進行細致講解并具體分析和歸納，再引導學生進行分組討論。例如以不同材料類型為主題，指導學生通過學校圖書館提供的各種渠道查閱自己感興趣的并與該材料類型相關的中英文文獻，以PPT形式進行歸納并在課堂上闡述自己對文獻的理解，開展學生互評互問，提高學生的分析能力。另外，教師可以將自己多年從事科研的體會與經歷通過課堂討論傳授給學生，言傳身教，培養學生求真求實的嚴謹科研品質。例如，筆者常將自己的科研經歷分享給學生，在實驗中要善于發現善于思考，多多查閱資料或與他人進行積極討論和分析。羅丹說過：“生活中不是缺少美，而是缺少發現美的眼睛”。科研也是一樣。分析一些特殊現象背后的本質原因往往會有令人驚喜的發現或科研成果。

其次，課堂之外，教師可以鼓勵學生參與到自己的科研項目中，以學生為主體，引導學生進行文獻調研、資料整理、承擔部分實驗工作以及數據分析，從而培養學生獲取知識的能力和一定的實驗技能，提升科研能力。另外，學生積極參加科研項目，也可以為申請各類課外科技競賽做出充分的準備，例如大學生創新創業訓練計劃等。將科研有機結合到教學中，不僅可以有效提高學生的科研素質，強化學生知識掌握程度，而且能夠為學生后續深造或相關工作夯實良好的基礎。

最后，結合現在新冠疫情的特殊情況，為響應“停課不停教、停課不停學”的號召，各高校已開啟線上教學模式，筆者也利用網絡教育平臺如“雨課堂”結合QQ群屏幕分享直播的方式展開了線上教學，實現與學生之間良好的互動。筆者認為這種線上教學模式同樣也是一種很好的科研促進教學的手段。教師可以充分利用線上教學平臺建立科學研究案例庫、科學研究討論區、科研人物訪談等諸多資源。教師可以選擇性地發布科研資源到課堂進行教學，也可以在不占用課堂授課時間的情況下提前將其發布到學生端進行預習，或者課后在平臺中進行分析討論，方式靈活多變，增加了學生的自主學習能力。并且，教師可以在網絡教學平臺對學生的線上學習進行監督，及時掌握學生的學習情況，調整教學手段和教學資源。

2.3 啟迪學生創新思維

科研本身是非常嚴謹的，科研獨特的創造性和前沿性使其在創新型人才培養方面具有潛在的優勢。2018年6月，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議中提出：“創新人才培養，要推進科教融合，讓學生盡早參與和融入科研，早進課題、早進實驗室、早進團隊，加大各級科研基地向本科生開放力度，提高學生科研實踐能力和創新創業能力[7]。”可見，培養大學生的科技創新能力已經成為當今社會的需求和時代的主題。將科研引入教學的過程中，教師深厚的學術底蘊和不懼困難、勇于開拓創新的科研品質在潛移默化中影響著學生，對學生實事求是科學態度、嚴謹工作作風的形成以及學生創新能力和實踐能力的培養非常重要。學生通過參與科學研究相關活動如查閱資料、歸納總結、提出方案、解決問題等或者在教師的建議下多多聆聽學術匯報、專家講座或科普報告等，能夠充分激發學生學習和思考的主觀能動性，培養其創新意識、創新思維和創新能力。通過這種創新訓練的教學方式使得學生們能夠理論聯系實際，不僅可以獲得豐富的理論知識還可以形成嚴謹的科研品質，為學生畢業以后的學習深造和科研工作打下一個良好的基礎。

2.4 促進課程思政教育

2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要用好課堂教學這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。“課程思政”是指以構建全員、全程、全課程育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務的一種綜合教育理念[8]。猶記得筆者參加高校新入職教師國培示范培訓時中山大學王金發教授的關于“鑄魂立德，課程育人”的精彩報告，王教授一直堅持讀報，看新聞，做讀報筆記，堅持匯總社會時政要聞并將其融入課堂教學，做好非思政課程的價值觀引導。王教授堅持不懈、孜孜不倦的學習精神也時刻激勵著筆者在自己的教學科研工作中要不斷奮斗，不斷提升自身的思想政治素養，善于發現并總結各種思政元素，做好學生“錘煉品格”、“學習知識”、“創新思維”、“奉獻祖國”的引路人。在《材料科學導論》課程教學中，教師可從材料學科多種多樣的知識中提煉大智慧，將教學內容和思政教育元素巧妙結合，有意識的做好圖片、動畫或視頻等預先設計，對學生做到恰到好處的“引”，做好正確的政治引導，增進課堂互動的思想性。例如，引導學生用辯證的思維或科學嚴謹的思維看待我們的教材或所學知識，在接收知識的過程中一定要加以思考，而非全盤接受。在課程概述內容中，強調材料是人類社會進步的里程碑，是人類文明進程的劃分依據，強調學科發展和科學研究的重要意義；金屬材料內容中，延伸鋼鐵材料是國家工業水平的標志，以國家體育場(鳥巢)、廣州塔(小蠻腰)、港珠澳大橋等為例了解我國鋼鐵行業逐漸變強的趨勢，同時也要看到其中和發達國家的差距，激發學生的愛國熱情和奮斗決心；在新材料內容中，說明新材料是國家大力支持的產業，引入最新的科研動態，介紹新材料在國防、航天、軍事等領域的應用，說明新材料的研究和開發對國家科技進步的重要性。課程內容中還可以結合材料學科著名的科學家、科研團隊、科研院校等，以勵志人生故事或重要科研成果為切入點，培養學生努力學習、不斷奮斗的工匠精神。

2.5 推動學科專業英語學習

在課堂教學中，科學研究的引入還可以推動學生學科專業英語的學習。教師可以針對性地輔以課件更多的專業英語詞匯、英語科研教學視頻，提高學生查閱英語文獻、閱讀英語原版書籍或者理解英語科研動態相關視頻的能力，以幫助學生后期英文文獻的學習和歸納。同時學生在參與文獻調研、資料整理等科研活動的過程中不僅能提高學生的科研能力還能幫助他們進一步增進學科英語知識，提高外語應用和外語思維能力，挖掘學生以英語為工具跟蹤學科發展前沿的潛能。

3 結 語

陶行知先生曾經說過：“學高為師，身正為范”。高校人才培養質量是高等教育的生命線。在人才培養的教育中，教學與科研是相互促進、相輔相成的。高校教師要不斷加強自身的教學水平、學術水平以及個人修養，堅持科學研究的同時還要不斷開拓新的教學方法，將科研成果融入到本科教學中，提升教學效果和學習質量，培養學生的自主學習意識，提升學生的實踐能力、創新能力和科研品質，使學生成為具有前瞻性、創造性的復合型高級人才。