“材料科學基礎”課程教學實踐及改革與創新研究

鞠洪博，汪 然

（江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

材料科學技術與能源技術、信息技術并稱為21世紀人類最為重要的三大支柱，而能源技術、信息技術的發展是以材料科學的發展為基礎實施的，可以說材料學科是21世紀最基礎的學科［1-2］。隨著科學技術的發展，對于各種材料的性能也提出了新的要求，各種新技術、新材料逐漸被人們所發掘，而傳統材料也逐漸得到了更深入的研究。

隨著材料科學技術的迅猛發展，對于從事材料相關行業的人才也提出了更高的要求，高校作為培養高素質人才的主要基地，逐漸向著培養個性化、多樣化、高素質化的綜合創新型人才陣地轉變。而作為材料學科最基本課程之一的“材料科學基礎”也面臨著新的要求，亟須進行教學方式的改革，探索出一條如何同時適用于新環境下材料科學應用、科研領域的培養方案，探索新的教學方式以縮小理論知識與實際應用之間的距離是十分必要的。

本文以江蘇科技大學材料學院“材料科學基礎”課程近幾年的教學實踐和課程改革體會為基礎，對“材料科學基礎”課程改革的認識與實踐進行討論。

1 課程的設置及歷史淵源

從原始社會開始，人類的每一次進步都離不開使用材料的進步［1］。從石器時代、青銅器時代到鐵器時代，從陶罐到瓷器，人類的發展史就是材料的發展史［2］。材料學是人類發展最為基本的學科，隨著材料科學的發展，納米材料、復合材料、薄膜材料、高分子材料等新型材料不斷地被人們發現、發掘，為社會發展貢獻了不可磨滅的力量［2-3］。隨著技術的發展，對于材料理論的研究也越來越深入，正是基于這一點，從20世紀70年代起，材料科學與工程這一學科開始逐漸發展壯大，而“材料科學基礎”作為材料科學的一門最基礎的專業課程也就應運而生。

“材料科學基礎”的教學任務主要是通過材料內部的結構理論知識來對材料的性能進行探討，闡述材料結構與性能之間的關系，為材料的相關研究及應用提供必備的理論知識，使學生能夠通過這門課程初步具有材料學科的基本理論儲備。

2 課程的特點及要求

“材料科學基礎”作為材料類專業必須掌握的一門基本專業課程，是一門具有實用價值的理論型通識課程。

該課程主要可分為三大方向:（1）材料的內部性能，主要對材料內部例如缺陷、固溶體等理論知識進行學習。（2）材料的外在性能，對材料所表現出的一些外部性能變化進行介紹。（3）材料結構的轉變原理、轉變方法等知識，了解在對材料進行處理過程中材料結構的轉變原理和轉變方法等相關知識。

3 教學實踐中發現的不足

總體上來講，作為材料學科最基本的一門專業課程，其內容繁多且具有龐大的知識體系，各知識體系之間有時并無關聯，且理論知識較為枯燥，因此學生們在學習過程中需要花費很大的精力，同時也容易產生厭倦。由于教師的科研方向有所側重，使得某些章節并不能很全面地闡述。上述問題使得“材料科學基礎”這門課程在教學中存在著一定的不足，在一定程度上并不能完全符合開設這門課程的初衷［4］。

4 教學方法研究及教學實踐中的改革與創新

基于以上問題，為了讓老師和同學們更好地達到課程開設所期望的目標，對于“材料科學基礎”課程教學的改革與創新就顯得很有必要。

4.1 課堂教學的優化

4.1.1 選擇合適的教材

教材對教學質量的高低有著很大的影響，目前“材料科學基礎”的教材較多，但由于涉及知識點較多，對于一本教材，某些章節的知識并不全面。因此在實際教學中老師要做到取長補短，利用多本教材將知識補充完整。

4.1.2 教學方式的改進

“材料科學基礎”作為一門含有較多知識點的課程，其重點難點多，理論知識較為枯燥，使得同學們在學習過程中不容易及時地吸收與理解，在平時的課堂中學生會提不起興趣，課堂效率大大降低。在目前的授課方式中，以多媒體形式為主體的教學方式已經得到了廣泛應用。基于動態演示的視頻和動畫等多種表達方式，對涉及的相關理論、結構模型等進行演示。例如，可以通過3D動畫的形式對各種缺陷、固溶體的形成及凝固過程進行演示，利用圖片、輔助文字的形式展示隨著溫度的變化鐵碳相圖中的物相變化情況等。上述方法的使用使得枯燥的知識轉變成圖文并茂的具體物象，提升了同學們的積極性，有效地提高了教學質量。同時，在授課過程中，教師要積極地與學生產生互動，在課堂上要經常提問，引發同學認真思考，循序善導，讓同學們敢于提出問題，并及時解惑，讓學生能夠感同身受地參與授課過程。在課后，根據當天課上所講內容布置對應的作業，使得所學知識能夠及時鞏固。通過對作業的仔細批改，掌握學生的學習情況并及時調整教學計劃，對重點難點及時復習。由于課程各部分具有相對獨立性，在完成某一章節后，可以給學生布置一個綜述類的大作業，在加深同學們對知識掌握能力的同時，還可以鍛煉學生在當前階段所缺乏的文獻檢索及閱讀能力。

此外，由于該課程是一門面向科研及實際工程應用的專業基本課程，因此在授課過程中也要注意與實際的聯系。在實際授課過程中，可以對相關部分知識的一些最新研究結果和工程實際應用案例進行介紹，使得同學們能夠做到學以致用，真正掌握所學知識的具體作用。例如，通過介紹材料形成置換固溶體所導致的材料相關性能變化讓同學們理解結構決定性能的含義；通過對工程實際應用中相關熱處理技術的具體工藝過程進行介紹，可以了解熱處理知識在工程實際中的應用。

隨著互聯網技術的發展，網上課程已逐漸成為年輕人一種新型的學習知識的方法。基于互聯網的廣闊資源，人們可以足不出戶地接收來自不同地區的信息，十分便利。因此，可以通過錄制授課視頻或選用其他人授課視頻的方法使同學們在課后也可以再次學習課程，讓同學們能夠對未完全理解的部分再次進行學習。

最后，目前理論學習內容的考核方式為“期末考試成績（70%）+平時課堂表現（10%）+作業成績（20%）”，其中期末考試作為主要檢測方式對學生綜合掌握情況進行檢測。通過這種方式，可以使同學們在學習完這門課程后對自己的學習情況有一個全面的認識，以便進一步加深同學們對于知識的掌握。同時，根據當前材料科學領域對人才所提出的要求，提升學生們的獨立自主學習能力，具備能夠根據理論知識解決工程實際應用和根據理論知識開展相關科學研究的能力。除期末考核外，實驗課程和課后作業及出勤率等也要作為衡量學生綜合能力的考核標準，以期得到最為公平的成績。在平時授課中，充分激發學生們的主動性，通過對同學們提問、課前進行預習等方法使同學們能夠參與授課。此外，還可以通過讓學生們自己學習某些相對簡單的章節，并由同學們輪流上講臺講解的方式來進行授課。通過角色互換，使得同學和老師們能夠互相體會對方的學習或授課狀態，使得老師能夠了解到學生在學習過程中容易出現的問題。此外，在每次授課后，適當地布置作業，使得學生們能夠對所學知識進行復習。通過上述的授課方式，使得學生們在整個課程過程中都能夠隨時跟隨著授課計劃去進行學習，有效地提高了學生們的學習效果。

4.2 實驗教學

為了讓學生對“材料科學基礎”課程中的理論知識進行形象地理解，此門課程也開設了數次實驗課程，例如金相觀察、熱處理技術的應用等。通過上述實驗課程，可以讓學生們接觸到所學理論知識的真正應用方法，能夠有效地提高學生的學習興趣。

傳統的實驗課程授課方法多為先由實驗課負責教師對所要進行的試驗進行理論知識、操作步驟和預期取得的結果進行介紹，隨后由老師下達實驗任務，每位同學按照老師的要求機械地進行實驗操作，并得出類似的實驗結果。這種形式的實驗課程脫離了其本身開設的目的，學生們只是以一種填鴨式的方式完成了實驗課程［5］。因此基于上述問題，需要對實驗課程方法進行改善。

在實驗課程中，老師要先根據本次實驗學生們所需掌握的知識設置不同的研究課題，再將實驗課題提前下發給學生，學生在進行實驗課程前需要根據實驗課題進行前期的理論知識查詢和操作設備方法的了解。在實驗課程開始前，老師對同學們的前期準備工作進行檢查，確定學生所進行的實驗準備工作是否正確、完善。在實驗課程開始時，實驗教師簡單地對本次實驗的實驗目的及要取得的研究結果進行介紹，并講解具體實驗設備的操作方法及一些同學們可能無法自學掌握的理論知識。隨后同學們需要根據前期準備和所講解的知識獨立地完成自己的課題，并根據實驗過程和結果撰寫一份完整的實驗報告。通過對實驗報告的批閱，了解同學們對于本次實驗課程的準備和掌握程度。

4.3 實踐教學

實踐教學作為將所學理論知識向實際應用過渡的重要階段，已經越來越受到重視，因此基于此環節的教學改革最為重要。通過實踐環節，對調動學生的積極性、動手能力，培養創新思維具有十分重要的意義。該環節主要通過開放性選修實驗、本科生創新計劃和本科畢業設計來進行。

開放性選修試驗是一門面向本科生的實驗實踐類課程，其主要是將各類實驗室向學生們開放，學生們根據自己的興趣選擇相應的實驗，然后在指導教師的指導下進行一些實際的實驗設備操作和實驗數據分析工作。在實驗過程中，學生可以接觸到相關的實驗設備并進行相關操作，有效地加深了對所學知識的理解。

本科生創新計劃（以下簡稱“本創”）是面向本科生開設的一門科研實踐類課程。學生在指導教師的指導下，從前期準備、開展實驗到后期的實驗數據整理分析，全方位地對某一課題進行研究。通過本創可以使學生了解到材料科學這門學科所需要進行的科學研究的全面流程，鍛煉學生的科研能力。

本科畢業設計是為對本科生整個大學階段所學習的課程進行綜合實踐考察而設立的，是檢測本科生培養目標的重要環節，一直被學院所重視。通過查閱文獻、實驗前期準備、開展實驗、實驗數據整理及分析和撰寫論文的過程，培養了學生的動手能力、理論知識實際應用能力和獨立工作能力，使得學生在面向工作崗位或繼續攻讀研究生學位前有了一次全面的鍛煉。在本科畢設過程中，根據老師布置的課題，學生需要獨立地設計實驗思路，開展相關實驗并對實驗結果進行正確地分析，因此對學生所掌握的基本知識就有了更高的要求。在實驗數據分析過程中，其大部分的理論知識來源都為“材料科學基礎”等專業課程中的所學內容，這使得學生在畢業設計過程中也對所學的知識有了更深刻的理解、更全面的掌握。

5 結語

目前，基于上述教學改革方法所進行的教學改革已經取得了一定的成果，且相應的改革方法也開始在其他課程中推廣。但是隨著互聯網技術、大數據和5G技術的發展，基于互聯網平臺的線上授課、模擬實驗室等新型授課模式也亟須被引入“材料科學基礎”等理論型專業課程的授課方法中。在吸收傳統教學方法優點的基礎上，不斷地推陳出新，對教學方法不斷進行探索改革，使得教學質量不斷提高，是今后教學改革主要聚焦的方向。只有以教學改革為基礎，不斷地對教學方法進行改革，才可以培養出符合當前形勢下國家所需要的材料科學領域的人才，才能實現中華民族的偉大復興，實現“中國夢”。