材料科學(xué)基礎(chǔ)課程思政元素融入案例設(shè)計(jì)*

張海龍，仝玉萍，劉 麗，陳 希

(華北水利水電大學(xué)材料學(xué)院，河南 鄭州 450045)

“師者，傳道受業(yè)解惑也”，來自唐代文學(xué)家韓愈的《師說》一句，就說明了老師不僅要傳授基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還要傳授學(xué)生為人處事的道理，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的人生觀、價(jià)值觀和世界觀。“課程思政建設(shè)”，是高等學(xué)校老師對(duì)于“傳道、授業(yè)、解惑”的追本溯源，是自古以來每名老師的應(yīng)循之本、應(yīng)盡職責(zé)。2016年12月，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上發(fā)表重要講話，他強(qiáng)調(diào)，“高校思想政治工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個(gè)根本問題。要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人”[1]。

2020年6月，教育部高教司指出：高校教師的80%是專業(yè)教師，課程的80%是專業(yè)課程，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間的80%用于專業(yè)學(xué)習(xí)，專業(yè)課程教學(xué)是課程思政的最主要依托[2]。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程是材料類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)專業(yè)人才有著非常重要的作用，它是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能和應(yīng)用之間的相互關(guān)系，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[3-6]。該研究以此課程中的純晶體凝固過程中的形核為例進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)，將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)三者融為一體，從而落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，將價(jià)值觀引導(dǎo)與知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，從而幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。

1 課程目標(biāo)

純晶體凝固過程中的形核屬于單組元相圖章節(jié)中的內(nèi)容，本節(jié)課內(nèi)容講課程目標(biāo)分為價(jià)值塑造目標(biāo)、知識(shí)傳授目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)。

(1)價(jià)值塑造目標(biāo)：運(yùn)用學(xué)科專業(yè)知識(shí)認(rèn)知客觀世界的本質(zhì)，從人與自然的關(guān)系，樹立通過運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決自然現(xiàn)象，達(dá)到共生和諧的作用。

(2)知識(shí)傳授目標(biāo)：掌握晶體凝固過程中的均勻形核和非均勻形核兩種不同的形核方式。均勻形核的臨界半徑推導(dǎo)、臨界晶核中原子數(shù)的計(jì)算、形核率的影響因素，非均勻形核存在的條件、臨界晶核所需的原子數(shù)等二者時(shí)間的區(qū)別。

(3)能力培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生能夠通過理論分析掌握晶體凝固過程的區(qū)別，運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決自然界中的現(xiàn)象，把理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中從而解決材料中的復(fù)雜問題。

2 教學(xué)思想

為了誘導(dǎo)學(xué)生思考本節(jié)課的內(nèi)容，通過生活中常見的案列進(jìn)行分析，首先提出問題，設(shè)下疑問。結(jié)合上節(jié)課將的內(nèi)容，對(duì)凝固知識(shí)、液態(tài)結(jié)構(gòu)和固態(tài)結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行回顧，引入均勻形核和非均勻形核二者之間的概念。通過分析均勻形核形成時(shí)的能量變化推導(dǎo)出臨界晶核半徑。結(jié)合過冷度與原子擴(kuò)散的因素分析形核率的大小。通過例題計(jì)算得到均勻形核所需要的原子個(gè)數(shù)。通過理論分析獲得非均勻形核的形核功，與均勻形核進(jìn)行對(duì)比。綜合分析獲得均勻形核和非均勻形核二者之間的區(qū)別。理論知識(shí)學(xué)習(xí)完畢后再解決課前提出的問題，通過提問等方式獲得反饋信息，評(píng)價(jià)學(xué)生掌握知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的能力，教師反思教學(xué)過程中的出現(xiàn)的問題。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)內(nèi)容

3.1.1 引入問題

回顧上節(jié)課內(nèi)容：在前面的章節(jié)中學(xué)習(xí)到了液態(tài)結(jié)構(gòu)和固態(tài)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，晶體凝固時(shí)需要的熱力學(xué)條件，要求凝固溫度要低于熔點(diǎn)。人工降雨過程是水轉(zhuǎn)變?yōu)楸俎D(zhuǎn)變?yōu)樗倪^程，這也是常見的水發(fā)生凝固的過程，但是為什么人工降雨需要加入碘化銀從而促使降雨過程。從而創(chuàng)建問題情境引導(dǎo)學(xué)生思考。

3.1.2 新知識(shí)講解

引導(dǎo)學(xué)生知道晶體的凝固需要兩個(gè)過程：形核和長大，而形核方式可分為均勻形核和非均勻形核。均勻形核結(jié)合上節(jié)課講的液態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)容理解，也就是液態(tài)結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)——長程無序、短程有序，正是由于這些短程有序的原子集團(tuán)可作為均勻形核的晶胚。

(1)均勻形核：從晶核形成的能量變化來思考問題。體系如果需要自發(fā)進(jìn)行，內(nèi)部自由能的變化必須小于零，這是物理化學(xué)里面的知識(shí)。對(duì)于均勻形核而言，一方面從液態(tài)結(jié)構(gòu)向固態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變形成晶胚的過程中，原子排列的有序程度提高，從而使體系內(nèi)的自由能降低；另一方面，晶胚的形成產(chǎn)生了新的表面自由能，體系的能量增加。這兩方面的因素決定了晶胚能否形成，這與新事物的產(chǎn)生能否在傳統(tǒng)事物中穩(wěn)定形成比較類似。通過此方面讓同學(xué)們明白事物的平衡點(diǎn)、臨界因素的使用方法。根據(jù)自由能的變化得到總自由能公式，從而根據(jù)臨界點(diǎn)進(jìn)行對(duì)半徑的求導(dǎo)得到臨界半徑公式。從臨界半徑公式中可以得到臨界半徑與過冷度之間存在一定的關(guān)系，如果過冷度為零，也就得到臨界半徑為無窮大，也就無法結(jié)晶。結(jié)合前面學(xué)習(xí)的晶體凝固熱力學(xué)條件，就明白了溫度必須低于熔點(diǎn)才能夠形核。

要用辯證的思維來衡量事物的發(fā)展，這從形核率的影響因素就可以很好的體現(xiàn)。單位時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)受到形核功因子和原子擴(kuò)散的幾率因子所控制。根據(jù)臨界晶核的半徑，過冷度越大，也就是溫度越低于熔點(diǎn)，臨界半徑越小，所需要的原子個(gè)數(shù)也就越少，進(jìn)行有序排列也越容易。但是溫度越低，原子的運(yùn)動(dòng)能力交叉，難以進(jìn)行擴(kuò)散，也就是無序狀態(tài)的原子難以運(yùn)動(dòng)從而有序排列形成晶體。這兩方面的因素決定了有一最佳溫度可使形核率最大，也就是有效形核溫度，這個(gè)溫度通常約為0.2 Tm。

理論聯(lián)系實(shí)際。通過理論分析可以進(jìn)行計(jì)算金屬銅進(jìn)行均勻形核的條件，得到臨界形核時(shí)所需要的原子數(shù)目為約為692個(gè)，也就是需要這么多原子自發(fā)地聚合在一起形成原子有序排列的晶核。這種難度是非常大的。

(2)非均勻形核：依靠母相中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核。通過理論模型分析可以得到非均勻形核時(shí)的臨界晶核半徑、非均勻形核的形核功。均勻形核與非均勻形核進(jìn)行對(duì)比，得到非均勻形核所需的形核功小于均勻形核，所需的過冷度較均勻形核時(shí)小，大約為0.02Tm，通過計(jì)算可得到金屬銅進(jìn)行非均勻形核時(shí)的臨界晶核所需的原子個(gè)數(shù)約為20個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于均勻形核時(shí)的臨界晶核所需的原子個(gè)數(shù)。所以非均勻形核可以在較小的過冷度下形核。

3.1.3 對(duì)比總結(jié)，案例分析

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，晶體凝固時(shí)形核的兩種方式的不同的點(diǎn)有：過冷度和臨界晶核所需的原子個(gè)數(shù)。引導(dǎo)學(xué)生思考人工降雨過程為什么采用碘化銀促使降雨。如果沒有碘化銀，空氣中的水分盡管在很低的溫度下也很難形成冰晶，這是均勻形核的機(jī)制；加入碘化銀后，就變成了非均勻形核機(jī)制，形核變得非常容易進(jìn)行。

3.1.4 視頻實(shí)驗(yàn)

通過飽和溶液結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的視頻，讓同學(xué)們認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)過程，利用本節(jié)課的內(nèi)容回答問題。比如在視頻實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)人在手指上蘸取少量的醋酸鈉晶體放入到飽和溶液中，結(jié)晶就很快完成。通過原因分析，掌握運(yùn)用本節(jié)課的內(nèi)容來解決問題的能力。

3.1.5 理論聯(lián)系實(shí)踐

讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)課本知識(shí)，能夠解決日常生活中的一些自然現(xiàn)象。例如，冬天天氣寒冷時(shí)，為什么湖邊有水草的地方先結(jié)冰？怎么解決水在冰箱中快速結(jié)冰的問題？

3.1.6 評(píng)價(jià)反饋

通過學(xué)習(xí)通軟件，布置本節(jié)課的作業(yè)題，加深學(xué)生對(duì)本節(jié)課內(nèi)容的理解。同時(shí)，可以通過軟件統(tǒng)計(jì)分析，獲得學(xué)生不懂的知識(shí)點(diǎn)，下次課堂針對(duì)分析。

3.2 教學(xué)方法

本節(jié)課的內(nèi)容，采用以下幾種教學(xué)方法：

(1)講授法：通過課堂PPT講解，把學(xué)習(xí)內(nèi)容分享給學(xué)生。

(2)線上課堂：把重點(diǎn)難點(diǎn)做成視頻放到網(wǎng)上，隨時(shí)隨地供學(xué)生學(xué)習(xí)。

(3)演示法：通過實(shí)驗(yàn)的演示，培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的能力，掌握本節(jié)課的內(nèi)容。

(4)案例法：通過案例講解，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

(5)討論法：通過課堂討論，重溫知識(shí)，加深學(xué)生的理解能力。

(6)反饋法：通過布置作業(yè)，掌握學(xué)生對(duì)本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，反思教學(xué)過程中的不足。

3.3 教學(xué)安排

本節(jié)課的教學(xué)安排如圖1所示，在不同的環(huán)節(jié)中引入思政教育。在提出問題階段，可以引入如何運(yùn)用學(xué)科專業(yè)知識(shí)認(rèn)知客觀世界的本質(zhì)；在回顧知識(shí)和引出知識(shí)階段，溫故而知新，學(xué)有所用；在總結(jié)知識(shí)的區(qū)別上，用辯證唯物主義對(duì)比解決問題；在解決問題階段，要樹立通過運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決自然現(xiàn)象，達(dá)到共生和諧的作用；在評(píng)價(jià)反饋階段，教師要實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

圖1 教學(xué)安排Fig.1 Teaching arrangement

3.4 教學(xué)反思

通過日常生活案例引出問題，誘導(dǎo)學(xué)生通過基礎(chǔ)知識(shí)回答問題，大部分同學(xué)能夠很好完成本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、能動(dòng)性得到加強(qiáng)。然而，部分學(xué)生沒有按照要求完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，布置作業(yè)完成情況較差，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性還需提高。在教學(xué)過程中針對(duì)此方面進(jìn)行反思，全面培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)的能力。

4 結(jié) 語

專業(yè)課程思政教育，不僅要把專業(yè)課講好，還要把思政元素融入到專業(yè)課的教學(xué)中，是落實(shí)立德樹人的重要方向。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，決定了它是很好開展思政教育的課程。在教學(xué)過程中，要針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)，運(yùn)用豐富的教學(xué)手段和教學(xué)方法設(shè)計(jì)，將思政元素以潤物細(xì)無聲的方式融入到課程教學(xué)中，做好教師明確“如何培養(yǎng)人，為誰培養(yǎng)人”這個(gè)根本問題，學(xué)生明確“如何去學(xué)習(xí)，為誰而學(xué)習(xí)”的目標(biāo)。