“產教+科教”雙融合下材料科學與工程基礎課程教學模式創新與實踐

張贊，王占忠*，郭亞南，楊立芹，荀達，李朋

(1.邢臺學院物理與電子工程學院，河北 邢臺 054001；2. 邢臺學院教育科學教學部， 河北 邢臺 054001)

0 引言

科技進步日新月異，現代產業快速發展，然而產業需求側和人才培養供給側在質量、水平上還不能完全適應。二十大報告指出教育、人才與科技的“三位一體”，強調產教融合、科教融匯的重要性。深化產教融合、科教融匯，促進人才鏈與產業鏈、創新鏈有機銜接，是推進人才培養供給側結構性改革的迫切要求，對新形勢下全面提高教學質量具有重要意義。而課程是實現教育變革和推動人才培養質量持續提升的核心，因此深化產教融合、科教融匯的著力點在于課程。材料科學與工程基礎是材料類專業核心課程，對學好材料類專業其他課程至關重要，但該課程理論環節主要探究晶體內部的微觀世界，內容抽象復雜，用板書和多媒體教學難以與學生產生共鳴，造成學生死記硬背多、被動學習多[1]；實踐環節還存在高危險系數，如高溫、易爆、毒性或環境問題，還有的需要昂貴材料或大型實驗設備，無疑制約了學生實踐創新能力的培養，導致在學生的持續發展中出現能動性較差、適應現代化產業發展能力不足和缺乏職業能力培養等現象。根據教學實施中存在的這些“痛點”，課程堅持以學生為中心的核心理念，以成果導向為目標，踐行科研、科技、產業與教學融合，在課程教學與實踐過程中，重點從教學內容、教學方法、教學環境和教學評價四個方面進行了探索研究，持續改進教學模式，取得了初步成效。

1 課程教學改革的基礎

1.1 課程內容和作用的介紹

“材料科學與基礎”課程是材料類專業的核心課程，是大學階段重要的專業基礎課程，是基礎課與專業課的鏈接紐帶[2]，該課程主要介紹材料的微觀結構與宏觀性能之間的內在聯系，在材料類專業知識體系中起著舉足輕重的作用。通過課程的學習，相關專業本科學生能夠建立材料的組成、結構、制備工藝、性能及應用的共性規律[3]及其制約規律，理解材料制備和使用中的科學問題和工程問題，為設計、研發并使用材料奠定基礎。同時掌握典型結構材料及制品的檢測技術原理，使學生及時了解材料行業中新領域、新思維、新方法、新成果的發展動態。本課程可以為后續其他專業課程學習奠定基礎，并能夠提升專業的認知度和專業認同感，同時對于發展新材料、培養學生創新能力具有深遠的意義。

1.2 課程教學改革的基礎條件

經過多年的建設，“材料科學與工程基礎”課程具有良好的“科教+產教”融合實踐教學改革實施基礎。校內建有材料工程實踐能力創新示范中心，中心建有實驗室10 余個，比如材料加工實驗室、力學性能實驗室、金相顯微實驗室以及掃描電鏡實驗室等，固定資產達1100 多萬元，可以滿足部分材料檢測實踐教學需求；課程專業學院教學團隊經驗豐富，“雙師”比例達80%以上，多次榮獲校級以上教學比賽獎項，申報成功河北省高等教育教學改革項目2 項和校級教學改革項目5 相；獲批市級以上科研項目多項，其中國家自然科學基金項目2 項；與企業簽訂橫向課題多項，同時與武漢大學、天津大學、重慶大學、天津理工大學等開展了深度合作；所在學院與河北博遠科技有限公司、晶澳太陽能科技股份有限公司、亨得利公司、博遠冶金粉末、河北沃嘉智能設備等公司進行深度合作，為課程開展深度產教和科教融合教學改革奠定了良好的基礎。

2 “產教+ 科教”雙融合下教學改革探究與實踐

2.1 重構現代化教學內容

2.1.1 科學合理地設計課堂教學內容，將“思政元素”融入課堂教學

在講授專業知識的同時，發掘課程中的“思政元素”，積極開展課程思政建設。例如通過講授材料發展歷程，使學生了解我國近現代材料技術的發展歷程與成就，樹立學生專業自信感，強化專業認同感。另外將專業典型人物、先進事跡融入教學內容[4}，培育學生的科學素養、工匠精神和愛國情懷，如將“材料院士”涂銘旌一生創業史、顧真安院士一生奮斗史融入課堂，告誡材料的發展并不是一帆風順，需要幾代偉人用青春、用熱血換來的輝煌，激發學生為材料事業獻身的勇氣；原子好比個體，晶格好比團隊，充分利用原子與晶格知識點作為引入點，將材料相關知識與現實生活結合起來，引導學生認識團結協作的重要性；第二相顆粒提高基體材料強度和韌性知識點關聯馬克思主義哲學觀，促使學生提升哲學思辨層次，樹立正確的世界觀。

2.1.2 推動產教融合和科教融匯，豐富教學內容

通過校企合作開發了新型活頁式和工作手冊式教材，將教學資源隨信息技術發展和產業升級情況及時動態更新，同時將邀請技術人員進課堂[5]，比如講到晶體的凝固章節時，與已經開展合作的企業，將汽車輪轂生產的流程引入課堂，增強教學內容的實踐性、職業性和標準性。建立以教材教學內容為基礎的原則，依托科研成果和學科發展趨勢適時更新和拓寬教學內容，利用先進的科研方法豐富教學手段，為學生接觸學科前沿、開展科研實踐創造條件[6]，比如已將科研課題中材料模擬案例、建模案例引入課堂，像通過模擬演示泡沫鋁的壓縮，學生能夠清晰看到泡沫鋁的微觀坍塌動態過程，可以將微觀抽象的知識點以宏觀具體的效果呈現出，更容易使學生加深對課程難點深層次的理解，列舉碳納米管、石墨烯等超塑性新材料與傳統金屬材料理論和應用作對比，拓寬學生的專業視野。

2.1.3 利用現代信息技術，開發教學資源

利用虛擬仿真技術開發微結構材料虛擬仿真模塊和材料檢測虛擬仿真模塊。微結構材料虛擬仿真模塊，將抽象和微觀的晶體幾何形態和點陣在虛擬平臺上可視化，宏觀呈現晶體結構與材料物性的直觀聯系；材料檢測虛擬仿真模塊，將檢測設備、檢測方法、檢測工藝和檢測原理等宏觀呈現，解決了因材料設備昂貴，數量較少，無法滿足學生實驗課程的實際操作要求。同時利用現代技術也制作了精品微課并設計教學課件。總之，利用現代信息技術開發出多樣化教學資源。

2.2 探索多樣化教學方法

2.2.1 貫徹“教師為主導，學生為主體”的原則，采用啟發、案例、討論的上課模式

在講授過程中，適時運用“合作、探究、互動、評價”的教學模式，充分體現以學生為主體，積極引導學生主動融入課堂教學，啟發學生思考與解決問題，培養學生自主學習的能力，例如在講解金屬多晶體一節時，探究晶粒尺寸大小對晶界數量、集中應力的影響，進一步討論晶粒尺寸對金屬硬度強度和塑性韌性的影響；在鐵碳合金一節，為講授鐵碳合金基本相和鐵碳合金狀態圖，引入某品牌的保溫杯為“316 不銹鋼”材質作為開場白，有助于激發學生的好奇心，為課程知識點的引入起到了良好的效果。

2.2.2 開展豐富課堂實踐教學活動，提升學生創新實踐能力

開展了豐富實踐教學活動，由傳統型的“教師教學”模式逐步向探究性的“師生研討”與“學生探究”模式的平滑過渡[7]，體現知識、技能和情感三大目標。在課堂教學中，組織學生進行思維導圖構建、工藝流程設計、模型建立等比賽，通過自評和互評，挑選出優秀的活動作品。以小組為單元設置課程目的，通過課堂討論問題，翻轉課堂形式講解各組的研究成果，全面探索綜合職業能力的培養。

2.2.3 將科研融入教學，開展以問題為導向的合作式、探究式、互動式教學模式

“材料科學與工程基礎”課程對教學的重點在于邏輯思維的建立以及解決問題的方法和能力，能根據課程特點，通過科研和教學融合，解決理論理解不深刻，實踐創新能力偏弱的難題[8]。根據教師的縱橫向課題，整理出與教學目標接近的問題，按小組形式分配給學生，開展以問題為導向的合作式、探究式、互動式教學模式[9]，使學生由被動接收者轉變為主動學習者，促進師生互動和生生互動，比如講到“彌散強化”知識點時，列舉本人的科研項目“含石墨烯泡沫鋁復合材料的制備及壓縮性能的研究”，在泡沫鋁基體中加入石墨烯后，探討第二相對泡沫鋁壓縮性能的影響，以實際科研應用為案例，采用“探究+互動”的形式引導學生學習，加深對微觀的深層次知識點的理解，培養學生的分析能力和創新能力以及批判通用能力。

2.2.4 信息技術與教學結合，提升教學效率

結合學情與課程特點，一些微觀的理論知識點如等徑球體的最緊密堆積、位錯、擴散、復雜相圖以及晶體結構，這部分內容很抽象復雜，已將三維動畫引入課堂來形象和生動地來演示給學生，幫助學生深刻理解和掌握抽象的理論。

2.3 創設豐富的教學環境

依托學習通平臺強大功能和豐富的教學資料創設課程教學環境，開展線上線下混合式教學，提高學生的自主學習能力和學習效果。為解決章節重難點，以提出、分析、解決問題為基本思路，逐級匯總和加工文章內容，依此設計出一級主題，并分出層次細化為二級、三級[10]，同步上傳課程課件、學習目標和重難點，滿足學生課前預習以及課后復習的要求。同時設計問題探討、翻轉課堂活動、在線作業等互動板塊，基于科研問題和行業需求將科研課題中涉及課程中的一些工藝流程、性能強化機理、模擬案例、學術成果引入課堂教學。這樣學生通過課前自主預習能對所學的知識有基本的認識，課堂中學生討論及課堂提問的活躍性顯著提高，對問題也有了更深層次的理解和思考。

2.4 建立多元化教學評價體系

課程傳統考核方式由平時表現(40%) 和期末成績(60%)構成，考核方式比較單一，缺乏創新和實踐能力的培養，很難激發學生的學習欲望，無法客觀有效的評價學生綜合能力、科研素養和創新思維活躍度[11]。把考核方式多樣化、全程化作為轉變目標，將綜合能力考核設置為核心考察內容，建立更加科學的成績評定體系。依托課程教學大綱為基礎，建立一套符合學生個性化學習的教學評價體系，滿足過程和總結性的多元化特點，具體分為：

(1)線上預習：主要利用平臺內學習模塊中的課程視頻和課件資源進行學習，然后進行的預習自測環節，占比20%。學生可根據自評結果了解自身的不足以及與其他同學的差距，更有針對性地進行學習強化，教師則可根據學習資源的完成度和預習自測答題情況對學生進行綜合評分。

(2)課堂表現：基于課程重難點知識并對學生進行課堂提問，根據其課堂反饋表現作為評分依據，占比10%。

(3)專題演講和討論：將思維導圖構建、工藝流程設計、參與問題討論、模型建立、成果展示等任務引入考核的全過程，由觀摩學生和教師評分相結合，占比20%。

(4)閉卷測試：按照課程培養目標及課程要求，以閉卷形式對學生的學習成果進行測驗，將起到更好的督促作用，占比為50%。試卷主要分為識記、理解、簡單應用和綜合應用四大題型，這樣利于教師了解學生對于課程整體的理解和運用的情況，基于測試結果來綜合評價學生的自主學習效果[12]。通過這種評價方式集中測試學生的綜合素質明顯提高以及考慮問題的角度與解決問題的方法明顯多樣化。

3 課程改革效果與反思

隨著教學改革的步伐逐漸深入，發現學生在理論知識和科學素養等方面都有很大的進步，在課堂上更加活躍參與問題討論，在考試試卷在保持命題難度系數不變的情況下，學生卷面成績總體呈現上升趨勢，教師教學能力也獲得鍛煉，逐漸向一流課程的目標發展。通過問卷調查結果發現：學生由之前的81%的滿意度提升到90%。案例訪談中由課程改革前個別同學的一般滿意或者不滿意，提高到改革后的特別滿意或者滿意。以上均有力證明了材料科學與工程基礎課程改革和創新的成功。學生創新實踐的積極性顯著提高，報名參與中國大學生機械工程創新創意大賽-材料熱處理創新創業賽、全國大學生金相技能大賽和全國大學生微結構攝影大賽的學生人數越來越多。近兩年指導學生參與各類創新創業大賽共獲獎20 余項，其中省級以上獎項5 項。同期還組建了2 個學科交叉科研團隊，1 個仿真實踐課題助研團隊，1 個“互聯網+”創新創業團隊。在科教協同的大環境當中，通過教師對學生的鼓勵、帶動和引領作用，學生的學術視野得到開闊，更有興趣進行科學研究，激發了做科研的興趣和潛力，在文獻檢索、科研實驗設計、項目申報等方面均得到了有針對行的訓練，科研方面提升效果也是異常明顯，近兩年已申報成功多項大學生科研項目，讓高達50 余人次走進實驗室，參與科研項目，達到潤物細無聲的效果。

4 結語

地方本科院校應用轉型背景下，課程建設是科研與教學、企業與學校的基礎契合點。本文從教學內容、教學方法、教學環境和和教學評價四個方面對“材料科學與工程基礎”課程進行改革，實現科教和產教的雙融合，不斷提升學生的實踐應用能力，滿足材料行業對應用型和復合型人才的培養需求。此次課程改革對于提升本校材料專業的教學質量起到了基礎作用，也給予同級的其他本科院校相關專業課程改革提供一定的借鑒作用。