面對高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生的“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”教改初探

龔 韜 張沙琳 胡清華 聶曉波 曾 科 吳紅枚

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

南華大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)從2002年開始招收本科生，“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”是本專業(yè)必修的專業(yè)核心課程，開設(shè)這門課程的主要目的是讓學(xué)生了解材料的結(jié)構(gòu)與性能的基本關(guān)系，具備從材料的宏觀及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行思考，進(jìn)而分析材料各類性能優(yōu)劣的理念，是學(xué)好本專業(yè)的專業(yè)課程(高分子物理、高分子加工及成型、高分子復(fù)合材料等)所必需的基礎(chǔ)課程。因此材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)這門課程在材料類專業(yè)本科教學(xué)中具有不可忽視的重要作用。本課程主要包括四部分的內(nèi)容，主要介紹了材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，材料的組成與結(jié)構(gòu)，材料的性能以及材料的制備與成型加工，通過對高分子材料，金屬材料以及無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)及性能的區(qū)別和差異進(jìn)行闡述，要求學(xué)生能夠了解這些材料的共性以及結(jié)構(gòu)上的差異[1,2]。

綜合來說，這門課程涉及到的數(shù)學(xué)物理以及化學(xué)類基礎(chǔ)知識較為深?yuàn)W，難以理解。但目前大多數(shù)學(xué)校在該門課程的教學(xué)過程中，依舊是照本宣科，對常規(guī)的四種材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，并沒有選擇性地對高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。這種普遍性教學(xué)，對學(xué)生的專業(yè)知識培養(yǎng)而言，極為不利。為了提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生能夠?qū)Ρ菊n程所涉及的理論知識與實(shí)際性能檢測具有更為具體系統(tǒng)的了解，本論文對本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和線下線上教學(xué)模式進(jìn)行初步的研究探索。

1 課程現(xiàn)狀及亟需解決的關(guān)鍵問題

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)作為材料類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其理念是材料的結(jié)構(gòu)是決定性能的基本要素。不管是在國內(nèi)還是國外，材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革是材料教育研究的熱點(diǎn)，研究方向包括課程內(nèi)容，知識結(jié)構(gòu)梳理，教學(xué)方式的不斷創(chuàng)新，以及新學(xué)術(shù)知識點(diǎn)的更新。在國外，這方面做的很到位，能夠針對不同的專業(yè)，不同的研究方向，有選擇性地教學(xué)。學(xué)生在此方面的素質(zhì)教育成果也較為突出。

但我國的該課程內(nèi)容針對性較差，不管是金屬材料專業(yè)，無機(jī)非金屬金屬材料專業(yè)還是高分子材料等專業(yè)，學(xué)習(xí)的內(nèi)容基本一致。以至于學(xué)生在學(xué)完這門課程后，并不能有效地把所學(xué)的知識應(yīng)用到后續(xù)的其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中。此外，目前國內(nèi)的教材基本都是針對所有的材料類工科學(xué)生，沒有針對性，學(xué)生在預(yù)習(xí)以及復(fù)習(xí)的時(shí)候，重難點(diǎn)不突出，需要掌握的內(nèi)容與需要了解的內(nèi)容無法辨別。為滿足本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)需要，對材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)教材以及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有針對性、有目的性的探索是很有意義的，有利于體現(xiàn)專業(yè)特色，更好的滿足學(xué)生專業(yè)知識學(xué)習(xí)的需要。

此外，傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)的課程體系主要包括傳統(tǒng)的材料(金屬材料，高分子材料以及無機(jī)非金屬材料)，隨著材料學(xué)科的發(fā)展，新型的功能多尺度材料，比如納米材料，能源材料以及生物醫(yī)用材料等逐漸被應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程中對這方面的內(nèi)容涉及的很少，學(xué)科知識更新程度也嚴(yán)重滯后，這不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。所以，有關(guān)于這方面的內(nèi)容應(yīng)該加入到新的教改中去，這部分內(nèi)容以介紹性為主，教學(xué)方法應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整，以保證學(xué)生能夠更好更全面的了解相關(guān)知識，并能在以后的工作中，具備新材料設(shè)計(jì)的理念。因此，針對高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)需要，目前的課程體系與內(nèi)容不全面、創(chuàng)新性與知識趣味性不足，為進(jìn)一步適應(yīng)高分子材料與工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)好這門課，必須對材料科學(xué)與工程的課程內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行研究與改革[3,4]。

2 課程教改具體方法

從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)互通式教學(xué)方式等方面進(jìn)行積極有效建設(shè)與改革，從而保證課程教學(xué)質(zhì)量和水平的提高。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

在更新工程人才知識體系的基礎(chǔ)上，在教學(xué)過程中引入人才培養(yǎng)的最新要求。進(jìn)一步確定材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程體系與內(nèi)容與高分子材料與工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容的相互關(guān)系，同時(shí)探索對學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，積極開展實(shí)踐性教學(xué)。從專業(yè)知識、創(chuàng)新能力角度出發(fā)，進(jìn)行層次性“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”的課程內(nèi)容體系建設(shè)。注重科研前沿研究成果的引入，如納米材料，功能高分子材料，仿生結(jié)構(gòu)材料等最新科研成果的應(yīng)用介紹，提高學(xué)生對于高分子材料的學(xué)習(xí)興趣。

將“材料的結(jié)構(gòu)決定性能”這一觀念貫徹本課程的教學(xué)過程，對材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，通過實(shí)例進(jìn)行對比講解。簡單介紹金屬材料，無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，注重材料分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-成型加工-性能與應(yīng)用的整體化理念，詳細(xì)講述不同的聚合材料結(jié)構(gòu)對性能的綜合性影響，并對目前有關(guān)材料結(jié)構(gòu)及性能的檢測技術(shù)，比如萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，X射線衍射儀，透射電鏡等設(shè)備進(jìn)行基本講解，培養(yǎng)學(xué)生有意識通過檢測材料結(jié)構(gòu)對性能進(jìn)行分析的能力，彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)資源、教材的專業(yè)局限性[5,6]。

在本課程的教學(xué)過程中，積極引入思政教學(xué)元素，在導(dǎo)論階段，對材料與社會發(fā)展關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)講解。著重介紹在軍事、國民經(jīng)濟(jì)與工業(yè)化全球化過程中高分子材料應(yīng)用情況，并對大量新材料、新技術(shù)在軍事、經(jīng)濟(jì)、與工業(yè)化生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用進(jìn)行講解，安排學(xué)生進(jìn)行調(diào)研分析。激發(fā)學(xué)生對高分子材料生產(chǎn)研究的學(xué)習(xí)興趣，誘導(dǎo)學(xué)生確立在畢業(yè)后從事新材料研發(fā)的目標(biāo)，有志為高分子材料在國家發(fā)展中的重要地位做出自己的貢獻(xiàn)。

2.2 教學(xué)方法的改革

根據(jù)課程體系的基本要求，積極進(jìn)行教學(xué)方法與教學(xué)手段的創(chuàng)新性探索：

(1)充分利用線上教學(xué)資源，提高學(xué)生自主預(yù)習(xí)的效率；激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)原動(dòng)力，能夠主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)的行為。在教學(xué)過程中，廣泛收集并利用各類視頻及動(dòng)畫等多媒體課件，有效地對基本概念以及材料的基本特性進(jìn)行展示，提高學(xué)生對知識地深度理解。

(2)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)觀念，發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中自主發(fā)現(xiàn)問題解決問題的素質(zhì)；利用3D MAX以及一些實(shí)體的教學(xué)模型，加深學(xué)生對于材料結(jié)構(gòu)多樣性的印像。學(xué)生對如金屬材料，無機(jī)非金屬材料與高分子材料的基本結(jié)構(gòu)有較深的理解，具備如何通過成型加工，得到不同類型材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念。

(3)改革教學(xué)考核機(jī)制，強(qiáng)調(diào)過程性教學(xué)，突出學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)過程中的主體作用。利用雨課堂，學(xué)習(xí)通等線上教學(xué)軟件，對學(xué)生在課堂上以及課后對本課程的學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，提高平時(shí)成績及期末考試試卷中主觀綜合題比例，注重知識綜合能力的考察。不斷建全考核的標(biāo)準(zhǔn)，使考核更具有客觀性和科學(xué)性。在考核過程中，提高主觀綜合題的比例，并組織學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，鍛煉學(xué)生的分析問題，解決問題的綜合能力。此外，教師在課堂中，進(jìn)行簡短的文獻(xiàn)檢索介紹，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)諸如“中國知網(wǎng)”，維普等數(shù)據(jù)庫的使用，并布置課后作業(yè)，讓學(xué)生查閱最新有關(guān)新材料的科技發(fā)現(xiàn)，撰寫小論文或自己設(shè)計(jì)PPT，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)式科研教學(xué)，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行講解。進(jìn)行誘導(dǎo)式教學(xué)，擴(kuò)大學(xué)生專業(yè)知識面。

(4)探索傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的多元化教學(xué)模式。充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，比如慕課，網(wǎng)易公開課等視頻教學(xué)平臺，提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)課堂知識，由于課堂時(shí)間與課間時(shí)間有限，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，例如QQ，微信等軟件，與學(xué)生形成一對一交流，在課后老師能夠及時(shí)回答學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)的問題。學(xué)生如果對教師上課情況有不滿意的地方也可以發(fā)送留言，老師根據(jù)學(xué)生的反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式并對學(xué)生理解不通透的知識點(diǎn)進(jìn)行講解。

(5)進(jìn)行雙語教學(xué)，綜合提高學(xué)生的專業(yè)英語應(yīng)用能力。要求學(xué)生對本課程中所涉及到的重要專有英文名詞能夠熟記熟用，并落實(shí)到作業(yè)與考試中。組織學(xué)生在課堂上一起學(xué)習(xí)相關(guān)高分子新材料的科研文獻(xiàn)，并選取英文文獻(xiàn)重要段落，組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行翻譯。此外，選取相關(guān)重要英文文獻(xiàn)，布置作業(yè)安排學(xué)生翻譯全篇英文論文，并對相關(guān)知識在課堂上進(jìn)行提問與講述。

2.3 教學(xué)資源庫建設(shè)

結(jié)合目前現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括晶胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，線缺陷以及晶格畸變情況分析，鐵碳相圖結(jié)構(gòu)分析，材料的力學(xué)性能分析，材料電學(xué)性能分析等[7]。此外，搭建針對高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生的材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)考試教育云庫。整合各類國內(nèi)外先進(jìn)教材，整理相關(guān)知識點(diǎn)與題目，構(gòu)建題庫與視頻庫。廣泛收集現(xiàn)有與教學(xué)相關(guān)的視頻，動(dòng)圖以及小軟件，提高學(xué)生對知識的宏觀掌握。指導(dǎo)學(xué)生整理每章重要知識點(diǎn)的思維導(dǎo)圖，構(gòu)建對知識點(diǎn)的整體性認(rèn)識[8，9]。定期更新有關(guān)于高分子新材料研究與應(yīng)用的教學(xué)視頻，擴(kuò)大學(xué)生有關(guān)于高分子材料的知識面。

2.4 引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

開展綜合性實(shí)驗(yàn)，從工程學(xué)角度，引入聚合物合成與加工過程中對聚合物微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的系統(tǒng)化教學(xué)。綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括聚合物單體的合成，聚合物的聚合反應(yīng)，成型加工以及復(fù)合材料的制備四個(gè)內(nèi)容，并分別在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)整基本參數(shù)，得到不同性能的微區(qū)結(jié)構(gòu)聚合物材料，利用偏光顯微鏡，X射線衍射儀等對聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，并對產(chǎn)品的性能進(jìn)行表征分析對比。充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，對不同微區(qū)結(jié)構(gòu)的材料的性能進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的一一對應(yīng)，綜合提升學(xué)生針對不同性能材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。加深學(xué)生對高分子材料在合成、加工以及不同穩(wěn)態(tài)情況下，結(jié)構(gòu)與性能的平衡態(tài)關(guān)系。

2.5 考核方式的改革

將平時(shí)上課表現(xiàn)分值提高到50%，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，在課堂上以及課后布置小作業(yè)，根據(jù)完成程度，綜合性給分。進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)活動(dòng)，將學(xué)生進(jìn)行分組，引導(dǎo)學(xué)生做好PPT，在課堂上對其他學(xué)生進(jìn)行講解，并對相關(guān)較難理解的知識點(diǎn)進(jìn)行討論與點(diǎn)評，提升學(xué)生的演講能力，使其牢牢的掌握課程中的知識點(diǎn)。在期末考試中，試卷注重綜合能力的培養(yǎng)，提高主觀題的分值。此外，主觀題答案非唯一多樣化，以“結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)分析”與“性能-性能檢測”所謂主干線，設(shè)計(jì)多類考試試題。

3 結(jié)語

本課程改革依托南華大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)的特色和優(yōu)勢，根據(jù)高分子材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，在現(xiàn)有課程教學(xué)基礎(chǔ)上，更新、重組、綜合課程體系與教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)目前材料學(xué)相關(guān)工程領(lǐng)域的新材料、新理念，優(yōu)選大量涌現(xiàn)在高分子材料中的智能材料、仿生材料、納米材料、生物醫(yī)用材料等高分子材料的內(nèi)容以及材料設(shè)計(jì)理念，從材料生產(chǎn)設(shè)計(jì)的底層開始講解，注重高分子材料結(jié)構(gòu)-生產(chǎn)加工-性能-應(yīng)用一體化的教學(xué)改革與建設(shè)，完善課程體系與教學(xué)內(nèi)容，并積極引入目前較為先進(jìn)的“翻轉(zhuǎn)課堂”，“雙語教學(xué)”等教學(xué)手段，從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)互通式教學(xué)方式等方面進(jìn)行積極有效建設(shè)與改革，從而保證課程教學(xué)質(zhì)量和水平的提高。使“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”教學(xué)體系與內(nèi)容具有綜合性、實(shí)用性和先進(jìn)性。