以創新思維和能力培養為導向的材料科學基礎課程教學改革研究

付 萌，黎相明

（廣東石油化工學院，廣東茂名 525000）

教育部在【教高2019】6號文件中指出，要深化本科教育教學改革、全面提高人才培養質量。對本科教育教學進行改革，必須充分挖掘各類課程原有的創新資源，并不斷充實各個環節的創新內容，強化創新創業協同育人[1]。深化高等學校的創新教育改革是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效升級的迫切需要。同時，它也是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量就業的重要舉措[2]。為了培養大學生的創新能力，需要注重將創新思想和創新能力融入具體專業課程的教學中。因此，如何在專業課程教學過程中培養創新思維和創新能力，以培養適應國家和社會發展需求的人才，是當前高校專業課程教學改革的重要方向之一。

1 課程存在的問題

材料科學基礎是材料類專業最基礎的專業理論課。該課程以材料的組成、結構、工藝和性能為研究對象，在物理、化學、數學等學科內容的基礎上，對材料的分類、特性及應用進行闡述，為后續專業課的學習打下堅實的基礎。材料科學基礎課程教學有助于培養高質量的應用型創新人才，然而，這門課程具有“四多一抽象”的特點，即內容繁多、原理規律眾多、概念定義復雜、涉及相關學科廣泛，同時還存在微觀結構的抽象性。教材的難度相對較高，對于本科生來說，理解起來可能會相對困難[3]。受課時影響，傳統的材料科學基礎教學基本都是從一支粉筆、一本教科書、一塊黑板和一份講課PPT 開始，以教師灌輸式授課為過程，以單一的閉卷考試考核方式結束（現狀如圖1所示）。這種教學形式嚴重制約了材料科學基礎課程教學效果和教學目標的達成，限制了學生自主探索和創新能力的發展[4-5]。因此，對材料科學基礎課程進行改革，建立與時代相適應、以創新思維和創新能力培養為導向的新教學內容、新教學模式和新考核方式具有重要意義。這種方式有助于培養高水平人才，使他們符合現代社會發展規律，具備創新思維和創新能力。這樣的人才培養方式能夠滿足當前國家社會對材料學科人才的需求。

圖1 材料科學基礎課程現狀

2 教學新舉措

教學實施過程中，如何將抽象難懂、復雜多樣的教學內容傳授給學生，讓學生能夠接受并樂于接受，直接影響到改革的成效。而學生教學效果的達成取決于任課教師對課程重要性的詮釋及獨特、豐富的授課方式。在創新思維和創新能力培養過程中，教學過程必將由以前的“教師講解、學生模仿型”轉變為“以學生為主體的教學復合型”。如何在教師引導下使學生積極地探索，調動學生的主觀能動性[6]，使學生從被動轉向主動是很重要的。另外，考核在課程學習中非常重要，對課程進行考核時應盡可能全面地反映出學生的學習情況。如何實現考核多元化，以反映學生的創新能力、綜合素質和真實的學習效果是課程改革考慮的必要環節之一。如圖2所示。

圖2 材料科學基礎課程改革方案

2.1 以創新思維與能力培養為導向對教學內容進行全面改革

為促進創新型人才的培養，需要確立合理的課程教學內容。這意味著教學內容應該多樣化，并且知識體系應該連貫完整。對于材料科學而言，其核心內容涉及材料的組成、結構、性能與應用及制備工藝之間的相互關系。因此，課程內容體系應該能夠將各種材料有機結合起來，建立更為廣泛的基礎知識體系[7]。根據我們學院功能材料專業的人才培養目標，可以將課程內容調整為以下幾個章節：第一章是原子結構與鍵合，第二章是固體的結構，第三章是晶體缺陷，第四章是擴散，第五章是相圖。通過這樣的調整，課程內容將主要涵蓋金屬材料和無機非金屬材料，并對它們的通性與特性進行統一的對比分析。此外，為了避免與后續課程重復內容，可以在課程內容上進行適度的詳略處理。例如，在材料的性能方面，由于學生將在后續學習材料結構與性能課程時進行更深入的學習，因此在本門課程中可以簡略介紹基本概念，以確保學生建立起必要的理解。

為了跟上材料學科知識的更新步伐，應該大膽跳出教材框架，將材料科學領域最新的進展案例融入課堂教學。僅僅以教材內容為依托的授課會導致學生學習的案例或某些理論無法跟上時代的發展需求，因為教材更新速度較慢。如果只講授教材中的內容，就有可能使學生的知識體系落后于時代的發展要求。脫離時代發展步伐會使學生失去對知識的興趣和激情，同時也難以調動他們的學習積極性和創新思維能力。因此，在教學過程中，應該及時將最新的研究成果案例引入課堂，引導學生從材料的結構出發，更準確地把握新材料的性質和應用領域的發展趨勢。為了實現這一目標，要在教學中創新并引導學生參與。例如，可以通過查閱文獻、閱讀論文、小組討論等方式深化教學內容，拓寬材料科學基礎課程的知識邊界，使學生學會將所學知識應用到實際中。主講老師和學生們可以共同追蹤學科的發展，將最新的研究成果案例與材料的基本理論相結合。通過整理、討論、梳理、總結和更新等過程，可以形成反映學科最新發展動態的教學內容。這樣的教學方式可以使學生在預測材料性能和應用方面具備一定的能力，或者在現階段的功能需求下對材料的基本組成和結構進行簡單設計。通過充分的討論和互動，可以在基礎知識和最新科研成果之間建立有效的橋梁，將理論基礎與工程應用相結合。在這個過程中，不僅能培養學生主動學習的習慣，提升他們獲取信息和綜合運用知識的能力，還能挖掘學生的學習潛力，培養具有一定創新思維和創新能力的材料類專業人才。

2.2 以創新思維與能力培養為導向對教學方法與教學手段進行全方位改革

教師引導學生自主探索，加深知識理解。為了提高學生的學習興趣，發揮學生的主觀能動性，加強學生對基本概念和基本原理的理解，就要改變灌輸式的教學模式，將教學內容進行適當分級。老師重點講解基本概念和基礎理論，在教學過程中要注重引導，設計恰當的問題引發學生主動思考，幫助學生積極參與課堂，將問題與枯燥無味的基本理論概念相結合，從而進一步加強學生對知識點的消化和吸收。“翻轉課堂”的引入，可以幫助教師從課程學習過程中的主講者變為學習過程中的引導者，在課堂討論中讓學生受益。例如，在固體中原子及分子的運動部分具體內容講授前可以先提出問題，如“擴散一定是從高濃度向低濃度的嗎？”然后進入到下坡擴散具體理論知識的講解，讓學生帶著問題進行課下思考及自學，第二次課的時候可以提供課堂討論環節，讓學生提出自己對問題的解答及看法，之后教師對學生的回答進行解釋與總結，并將上坡擴散的內容講解給學生。通過這樣的方式，不僅學生對擴散的知識點印象更加深刻、理解更加透徹，而且可以幫助學生明確學習目標，轉被動學習為主動學習，提高理論聯系實際的能力、分析問題和解決問題的能力。

充分利用多媒體和網絡教育資源。材料科學基礎這門課的基本概念和基礎理論都有抽象、不直觀的特點，它們往往從材料的微觀結構出發，難以理解。將抽象概念具體化，對學生理解學科內容非常有幫助。這就需要教師在教學過程中充分發揮多媒體的輔助作用，積極引入三維結構模型和動畫演示模型，將一些抽象的或語言難以準確描述的基本理論、基本概念、基本結構等進行直觀的演示，特別是晶體缺陷中的點缺陷、位錯、位錯的運動等。這樣既能提高學生在課堂上的專注力，加深學生對知識點的認識與理解，也極大提高了課堂效率。另外，材料科學基礎理論知識體系豐富龐雜，課程的學時有限，將常規的教學手段與中國MOOC、雨課堂、學習通等現代教育教學手段相結合，讓學生在線上完成課前預習+實時課堂+課后習題+期末考試，全程的教學數據可以幫助教師判斷分析學生的學習情況，以便調整教學進度和教學節奏，提高課堂效率。該方式可以充分發揮學生的學習自主性，提升學生的創新思維與創新能力。

承上啟下，尋找新舊知識結合點。學生在學習新知識時，需要以已經學習過的舊知識為經驗基礎，所以教師在教學中必須對學生已學的新知識有非常清晰的認知。為了幫助學生更好地學習新知識，教師要找到新知識和舊知識的關聯性，為新、舊知識搭建起通道和橋梁，幫助學生利用知識的正向遷移，完成認知沖突。材料科學基礎課程前后章節的知識點多且復雜，但依然有關聯性。如教材的第二章主要介紹了完美晶體的結構規律，讓學生掌握7個晶系和14種布拉菲點陣，為他們建立對晶體結構的基本認識。接下來的第三章則講解了不完美晶體結構，即晶體缺陷，進一步加深了學生對晶體結構的理解。因此，在教師講解第三章內容之前，應該充分銜接第二章的內容，以在完美晶體學的基礎上進一步講解晶體結構缺陷，讓學生能夠利用已有的知識體系提前預習第三章的內容。在課堂上，教師可以通過鞏固晶體學基礎知識的過程來引入缺陷結構的講解，從而實現知識的正向遷移。

2.3 以創新思維與能力培養為導向對考核方式進行深層次改革

考核多元化。在課程學習中，考核扮演著非常重要的角色。一門課程的考核應該盡可能全面地評估學生的學習情況，并體現學生的創新能力、綜合素質和真實的學習效果。研究命題要盡量與工科專業的切實需求相結合，降低對公式、概念的教學力度，轉而強調學生對理論知識的理解與掌握能力，評判學生理論聯系實際的水平，真正使學生做到學以致用。考核內容的設定可以有效激發學生的思考意識、創新意識，減少學生期末考試“臨時抱佛腳”的現象。與此同時，還需要改變期末成績完全以試卷成績為準的現象，學生每學期的總成績可以由平時成績、期中成績、期末成績組成。平時成績由學生的課堂表現、出勤率、作業完成情況、復習與預習等方面決定。期中成績與期末成績則是檢驗學生階段性知識獲取和掌握的情況。教師在開展教學的過程中要督促學生將更多精力放在平時成績中，降低期末復習的壓力，幫助學生獲得良好的綜合成績。

3 結語

材料科學基礎課程改革源于國家和社會對人才培養的迫切需求。創新能力是中華民族進步的階梯，是國家興旺發達的不竭動力。高等教育的重要使命之一是培養適應國家發展需求的高素質人才，他們具備創新思維和創造能力。在大學學習過程中，學生需要進行探索和創造。因此，在教學中應精心實施培養創新思維和能力的策略，并將其融入具體課程中。通過這樣的教學方式，可以為創新型中國增添更多力量。這意味著高等教育需要切實履行這一時代使命，確保學生能夠充分發展創新能力，為國家的創新發展助力。

以創新思維和創新能力培養為導向，對材料科學基礎課程教學改革進行討論，引導學生自主探索，解決學業中遇到的問題；引入案例式、翻轉課堂等教學模式，添加豐富的網絡學習資源，增加學生與老師的互動，創設新的課堂氛圍模式，調動學生的主觀能動性，提升課堂效率；豐富課程考核方式，加重每一章節學習過程的分數權重，增加綜合小作業等提高學生信息收集能力及收集信息后解決新問題的能力。除了提高學習效果外，以期培養出符合現代社會發展規律，具有創新思維和創新能力的高素質人才，全方位提高學生的應用能力和綜合素質，滿足現階段國家社會發展對材料學科人才培養的需求。