新工科背景下《材料科學基礎》課堂教學模式改革與探索*

李 欽，陳少華，馬 婕，胡 坤，李 潔

(安徽建筑大學材料與化學工程學院，安徽 合肥 230601)

在國家大力實施創新驅動發展戰略的背景下，培養具有創新意識、能快速解決實際問題的卓越人才，以適應創新驅動蓬勃發展，促進先進產業轉型升級成為現代高等教育的迫切要求[1]。基于新工科建設及教育教學改革的背景，自主探究性及創新性的人才培養模式是培養新時代卓越工科人才的重要途徑。課堂是人才培養的主渠道，課堂教學模式一定程度上決定了人才培養的模式。

在材料類專業人才的培養中，作為材料科學與工程業重要的基礎理論課之一，《材料科學基礎》課程系統、全面地介紹材料基礎理論知識，在學科知識體系構建中起著基石的作用，其教學成果決定了材料學知識的基礎深度和知識面的廣泛程度。該課程著眼于材料科學基本問題，著重強調各類材料的成分、組織結構、制備工藝與材料宏觀性質之間的關系及其變化規律，為材料性能研究和材料加工奠定學科基礎。通過知識傳授和能力培養在教學過程的相互滲透，加強基礎、拓寬專業、加強實踐訓練，使學生能把握材料的共性，熟悉材料的個性。探討材料科學基礎課程的教學模式，培養學生運用材料結構與性能關系來分析實際工程問題的能力，對豐富本科專業課程教學及改革的內容、深化材料科學與工程專業教育教學改革具有重要意義。

1 材料科學基礎課程特點及難點

材料科學基礎的基本理論著眼于材料科學的基本及共性問題，主要包括了材料的原子結構、晶體結構、晶體缺陷、非晶態結構與性質、材料的相結構及相圖、擴散、金屬和合金的凝固、材料中的相變、材料的變形與斷裂等知識[2]。各個部分自成體系，同時又由若干概念、原理、機理所構成。課程內容多、信息量大，理論性、抽象性強，機理機制較難理解的特點，加之多數概念抽象、乏味，不像日常生活中所接觸到的普遍事物形象易懂，因此更讓人難以理解。課程的知識點之間既相對獨立、又相互關聯，形成一個結構完整的理論體系。想要把握本課程的知識、理論和機理機制，就要求學生對課程內容有提綱挈領性的整體掌握。

雖然專業課程則緊密圍繞工程實際，但基礎課程與工程應用實際之間存在較大距離。基礎理論與實際應用之間在思維方式上差別較大，因此需要有過渡和銜接，更需要在知識上作深層次的準備，材料科學基礎課程為兩者之間構建了銜接的橋梁。對于這門課程的學習和教授方面，除了掌握基礎的、共性的知識外，更重要的是培養學生分析和解決工程實際問題，建立基本的工程思維方式的能力。如何在課堂教學中培養學生主動學習和主動探究的能力，是一個值得深入探討的問題。本文從教學課堂、教學方法、教學評價等方面嘗試和探索了材料科學基礎課程教學改革與研究，并結合我校材料類專業的實際，結合金屬材料專業的培養目標，在傳授材料科學的基本原理的基礎上，使學生學會運用所學基礎理論、課堂知識來解決實際應用的問題，并為將來從事專業研究、創造新材料和新工藝等打下良好的基礎。

2 課程教學模式改革與探索

在新工科建設背景下，高等教育高質量發展的一個重要表現就是不斷在學生培養、人才工程等教學模式方面創造新成果。以學生主體為核心內容，以能力培養為目標導向的教學模式的創新與設計，體現出我國創新型人才培養的理論內涵，已成為當前創新教育教學方法的有益嘗試。材料科學基礎課程作為材料類的核心專業課程，其知識內容中的基礎概念多，涉及的專業知識面較廣，教學理論性與專業性較強，所以該課程教學難度大、跨度大。另一方面，由于學生剛開始接觸專業知識，尚未形成專業的思維方式，該課程中一些微觀結構及過程既抽象又較為復雜，進一步增加了知識掌握的難度。將理論教學與案例分析相結合，重視學生在課程學習中的自主探索和興趣培養，可以顯著地增大這一課程的趣味性及科學性，有效提高專業課程的教學效果。在傳統多媒體教學的基礎上，增加案例分析與實踐模式，將抽象事物直觀具體化，讓學生對一些微觀結構及過程等抽象知識有著立體的理解，為教學過程的順利進行和教學成果的保障打下堅實基礎[3-4]。因此，將抽象、枯燥的知識點直觀化，將復雜的知識點精煉簡化，是提高教學效果、保障教學質量的有效途徑。實現課程案例教學，需要課程教師培養起新工科建設理念，要做到以下幾點：

(1)積極活化課堂。傳統材料科學基礎課程教學模式多采用以教師講授為主，學生被動接受的“滿堂灌”注入式教學方式，不利于學生對內容的主動接受與掌握。將教學重點放在基本概念、理論和方法的歸納總結上，用視頻播放、三維重構軟件、繪圖軟件等直接的映像展示，如關于晶胞點陣、位錯、滑移、塑性變形等知識點，用映像展示的方法使學生易于理解和掌握。在教學過程中，通過適當觀看與知識點相關的視頻，并采用提問的方式組織學生對視頻資料開展討論和總結，從而培養學生的主動探索和思考能力。同時，通過介紹行業內的新材料知識、傳統材料中的新理論和新機制，以此開闊學生視野，充實本領域的前沿科學內容，拓寬學生的知識視野，培養學生的專業創新動力與興趣。

(2)探究式自主課堂教學。在材料科學基礎課程的理論教學中，選取相對容易理解的章節讓學生自主探索學習，老師根據提問、點評和重點分析等過程對學生的完成情況進行補充和深化。例如回復與再結晶章節，通過前章晶體缺陷的學習，這部分知識讓同學們自學，將材料缺陷、形變等內容結合起來，探討其中的緊密關系。此過程使得學生在教學過程中由被教育者轉變為知識學習的主動探索者，自主地接收新學習任務的挑戰；教師則由教學內容的傳授者轉變成教學內容設計者和教學過程引導組織者。通過這種課堂授課方式的改革，培養學生科學探索精神以及提高發現、分析和解決問題的能力。

(3)緊跟學科前沿的案例講授。學習興趣是學生上課認真聽講的動力，是提高教學成果的關鍵。以案例作為導向，在課堂上穿插一些相關知識點的前沿成果，按照素質、能力與創新意識培養的要求，構建系列課程的課堂教學體系，突出學習技能與創新意識的培養。將案例通過用豐富的圖片和視頻予以展示，使學生對案例內容形成直觀立體的認識，同時通過典型性的案例更好地體現其應用性。建立對案例的直觀認識后，將該案例涉及的問題提出，引導同學們用嚴謹的思維進行思考和討論，完成師生之間的互動。如在二元相圖章節鐵碳相圖的學習方面，結合生活中常見的鐵碳合金，討論碳元素對鋼材料強度、硬度、塑性等性能的影響，更直觀地認識鐵碳合金相圖中的各種相組成。同時，通過案例所用的圖片和視頻，讓學生自主搜集國內外相關數據庫，將最新的科技進展的圖片、音視頻等資料得以展示，提高教學內容的有效化，使同學們接收知識的觀念從被動聽課轉為主動思考，從而改善課堂教學的效果，培養學生的學習及思考的主動性[5-6]。

(4)建立全過程課堂評價體系。全過程評價考慮學生在學習實踐過程中的各個環節，消除對考試成績、作業成績等知識掌握最終評價指標的依賴性，建立學生學習過程的三維評價。除了知識技能評價外，充分考慮學生對學習過程和方法的評價要求，進行過程與方法、實踐與態度的評價，如自學與思考能力、表達與交流能力、成果與努力程度等。全過程評價體系需要從前期、過程及效果等多個層面展開，包括學生前期預習情況評價、課堂互動過程評價、案例小組互助學習效果評價等各個環節。全過程評價體系的建立，可以將教師與學生之間形成一種合力，以此更好地鍛煉學生的整體素質，幫助同學找到實際解決問題的短板，輔助教師及時更換教學方式，以適應不同知識背景的學生。

3 結 語

材料科學基礎是材料類專業必修的主干課程，在“大平臺，寬口徑”的培養模式下建立突出共性教學、有特色的教學體系已勢在必行。以學生為中心，激發學生學習興趣為出發點，結合現代多媒體技術和發達的網絡應用等多種豐富的教學媒介，對傳統的教學內容、教學方法和考核體系等方面進行有效變革和探索，增加課程教學的趣味性，不斷提升教學質量，是新工科建設下培養創新型人才的重要途徑。