新時代科教融匯背景下材料科學基礎課程教學改革探索

摘" 要：信息化時代高等教育將迎來前所未有的變革和發展，材料科學基礎是工科院校非常具有代表性的專業基礎理論課程，新時代科教融匯理念為該類課程教學的時代內涵和發展路徑提供指引。該文分析材料科學基礎教學現狀及當代大學生的特點，以激發學生主動學習的興趣和動力，使學生理解知識點的同時并轉化為自身能力，讓學生建立專業自豪感，形成正確的人生觀、世界觀、價值觀為初衷，從教學內容重構、教學目標與教學方法設計、考核評價機制建立、思政元素引入及教學團隊建設等幾方面提出教學改革措施，促進實現該類課程的高質量教學。

關鍵詞：科教融匯;材料科學基礎;教學改革;教學內容重構;專業基礎課

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）04-0055-05

Abstract： In the era of information technology， higher education is set to experience unprecedented transformation and development. Fundamentals of Materials Science is a highly representative foundational theoretical course in engineering schools. The integration of science and education in the new era provides direction for the contemporary significance and developmental trajectory of teaching such courses. This paper analyzes the status quo of teaching in Fundamentals of Materials Science and the characteristics of contemporary undergraduates. The aim is to stimulate students' interest and motivation for active learning， ensure their understanding of key concepts， and facilitate the conversion of knowledge into practical skills. Additionally， the paper seeks to instill a sense of professional pride and help students develop correct worldviews and values. To achieve high-quality teaching in this course， this paper proposes several educational reform measures. These include restructuring course content， designing teaching objectives and methods， establishing an assessment and evaluation system， integrating ideological and political elements， and developing teaching teams.

Keywords： integration of science and education; Fundamentals of Materials Science; teaching reform; teaching content reconstruction; professional basic course

當今人類社會進入信息化時代，互聯網成為潛力無窮的信息索取和信息交換中心，知識邊界變得越來越模糊，這對大學和高等教育而言，既有機遇又有挑戰。正如兩種觀點，其中比爾·雷丁斯在《廢墟中的大學》中認為“大學現已是一個衰敗的機構，它不可避免地卷入到消費主義的大潮之中，被迫成為該王國的一個屬官”[1];而杰勒德·德蘭迪在《知識社會中的大學》中卻說“大學更可能成為一個充滿沖突的場所，知識模式的重組意味著大學的革新而不是終結”[2]。

黨的二十大報告再次強調了深入實施科教興國戰略，并且明確教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐[3]，這賦予了高等教育新的歷史使命和關鍵地位，同時也突出了高等教育和科技的高度關聯性。新時代背景下，科教融匯理念，即高等教育與科技創新更好結合，為促進高等教育教學改革提供了指引[4];高等教育的發展與變革，包含知識生產模式、人才培養模式、教育教學模式的變革，因此，大學中的每一個單元，包括機構設置、學科課程、教師團隊等，都需要內化各自的時代內涵與發展路徑。

材料科學與工程是眾多工科院校的一門本科專業[5]，主要培養高級工程技術人才，學科研究內容涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等多種材料領域的基礎知識和材料制備、加工成型的基本技能，探索材料的成分、組織結構、制備工藝與材料性能和應用之間相互關系。本文將以材料科學與工程專業的主要理論基礎課程材料科學基礎為例，以有效培養德才兼備的能夠勝任社會新需求的高質量高級工程人才為目標，探索新時代科教融匯背景下材料科學基礎課程教學改革的舉措，以及此類學科基礎課程的時代內涵和發展路徑。

一" 材料科學基礎課程學情及現狀分析

（一）" 當代大學生特點與學情分析

材料科學基礎是材料學科專業基礎必修課，授課學期通常是第4學期。學生完成了基礎課程的學習，剛剛經過專業分流，尚未系統學習專業課程。學生具備數理基礎：學生經過高等數學、大學物理、理論力學的訓練，對使用數學知識解決實際問題有一定數理力基礎，有基本的力學知識積累。學生具有一定的生活積累和通用經驗：了解外力會引起材料變形和失效、溫度降低會使水結冰、高溫下橡膠或者塑料類制件會變軟、一滴墨水滴入水中會改變水的顏色，等等;但是，對于大多數現象還沒有建立起微觀的認識。學生的潛在需求：對于如何把宏觀現象與理論知識及微觀認識建立起聯系具有潛在需求。存在的問題：基礎知識強、邏輯思維弱、理論與實踐相脫節。

當代大學生從思維認知到價值觀念、心理特點再到學習態度、學習方式都有科技信息化時代的鮮明特點。第一，當代大學生受網絡文化的影響，思想多元化的同時政治觀念不成熟;第二，由于物質生活的豐富使當代大學生成長過程中很少經歷坎坷和磨練，雖然對事物的認識有獨立地主見和自信心，但自我為中心現象明顯;第三，大學之前的“雞娃”培養模式，造就當代大學生功利主義較為嚴重;第四，由于社會閱歷不足，導致當代大學生缺乏對問題的辯證思考能力[6]。以上特點，綜合起來表現為，當代大學生沒有長遠的目標容易迷失自己，社會價值和使命感淡薄;這使得當代大學生的學習態度消極、情緒化嚴重、注意力難以集中、意志薄弱[7-8]。

當代大學生處于知識經濟時代，知識更新速度快、倍增周期短;此外，迅猛發展的多媒體和網絡，為大學生提供了新的知識獲取途徑[9]。這帶來了如下影響：大學生對課堂教學的需求不那么迫切，而且部分大學生不再認同傳統教學當中教師充當“控制者”，內心希望擁有更多的自主學習空間;但是，大學生網絡自主學習計劃性不強，執行力度不高，導致學習效果較差，所獲取的知識缺乏系統性和理論基礎深度不足。

（二）" 材料科學基礎課程特點與教學現狀

材料科學基礎是本科生入學以來接觸的第一門高難度專業課，是后續所有專業課的基礎，是學生建立專業印象的起點。課程內容既橫向地融合了金屬材料、陶瓷材料和高分子材料的基礎理論，又縱向地運用了本專業學生已學過的材料熱力學/動力學、物理、化學、數學等基礎知識，并要連接后續有關材料測試、加工和應用等課程，是基礎課與專業課之間的橋梁[10]。該課程新概念、新原理、新規律較多，知識點龐雜繁復且抽象，內容相對枯燥缺乏趣味性，同時對學生的基礎知識儲備要求較高[11]。總之，該門課程特點鮮明，可概括為地位重、難度大、要求高。

據調研，目前材料科學基礎課程教學主要存在以下問題。第一，任課教師教學方式單一，教學效果不理想[12]。雖然現在教師都采用多媒體教學手段，引入信息技術教學，但是授課過程仍然是以教師講授為主體，缺乏對學生的充分引導和互動，給學生自由探索和積極思考的時間不足。第二，課程教學目標設計不合理[13]。教學目標的設置是教師有目的教學、學生有目的學習、教學與學習效果有依據評價的基礎;但目前教學目標設置存在不明確問題，缺乏對能力目標的清晰界定，一些常見的課程目標用語，如“掌握”“理解”“明確”等，僅僅是強調相關知識的掌握，并沒有強調對知識點的運用能力，使教學目標模棱兩可、不可量化。第三，理論與實際脫節，與實驗教學缺乏關聯性[14]。目前教學主要側重知識點傳授，不注重理論聯系實際，使課程與生產生活現象脫節;此外，課程實驗教學也與理論教學缺乏連貫性和相關性，一些材料認知類、物理/力學性能測試類實驗項目沒有突出與理論內容的相關性，甚至有時因學時因素，不設置課內實驗教學，而是并入材料實驗學課程當中。第四，考核評價方式對教學效果的促進作用不足。該門課程的成績評定通常分為平時成績和期末筆試成績兩部分，而且平時成績主要以學生出勤率來衡量，占比30%。這造成兩點問題：一是沒有授課效果的階段性反饋，教師不能實時掌握學生對知識點的掌握情況，從而及時調整教學;二是給學生平時懶散、期末突擊的心理和現象提供了可能。第五，思政融入欠缺。該課程是材料學科本科生接觸的第一門專業課，對于學生建立良好的專業印象具有舉足輕重的地位。因此，該門課程的教學目標不單單是相關知識的傳授和能力的培養，更是培養學生科學素養、建立專業自豪感和正確情感價值觀的有效途徑，這與思政理論課目標吻合。除此之外，教學過程中恰當地融入思政元素，也能夠提高授課內容的趣味性[10]。第六，學生學習積極性不高，嚴重影響教學質量[13]。學生學習積極性欠缺是目前大學生普遍存在的現象，這與教學內容、教學方式方法相關，還與當代大學生心理特點、社會環境和生活環境有關。

針對材料科學基礎教學現狀及當代大學生的特點，以學生為主體，如何讓學生覺得這門課不枯燥，如何激發學生主動學習的興趣和動力，如何讓學生理解知識點并轉化為自身能力，如何讓學生覺得材料專業很有用很重要，從而建立專業自豪感，是教學改革中的重中之重。

二" 材料科學基礎課程教學改革舉措

（一）" 重構教學內容

教學改革首先應該進行教學內容梳理與教材重構。材料科學基礎課程內容涵蓋原子結構與鍵合、晶體結構、晶體缺陷、擴散、材料的變形和再結晶、相圖及合金凝固與制備、材料的亞穩態與功能特性等內容。首先，教材的選用非常關鍵，不同版本教材側重點不同[15]，比如清華大學版本教材側重材料科學基礎理論，武漢理工大學版本教材偏重無機非金屬材料，上海交通大學版本教材偏重金屬材料及應用，西安交通大學版本教材偏重金屬加工;所以要根據專業細分方向選用適合的教材，結合各家所長。其次，教材內容與其他專業課程之間有教學內容重疊和相似部分。因此，教學內容應該以教材為基礎，統籌其他課程，進行梳理、刪減和擴展，注意課程之間的銜接性和各自不同的側重點，構建學科關鍵概念網絡框架;同時，對每次教學內容的知識點進行邏輯關系梳理，明確彼此之間的邏輯脈絡。以晶體缺陷中位錯這一節為例，邏輯關系梳理如圖1所示。

（二）" 設計教學目標

教學改革的第二項內容，針對每一模塊教學內容要明確教學目標，并且設計促進教學目標達成的輔助教學內容。將教學目標細分為知識目標、能力目標、情感與價值觀目標;注意教學目標的設立一定能夠量化，并且容易考查，這對教學質量具有事倍功半的效果。為了教學目標更好地達成，可以借助課內實驗、先進科技手段、同時注意理論聯系實際。首先，應該針對理論知識設計合理的課內實驗，注意實驗內容對理論知識的支撐和補充作用，強化對知識點的理解和運用能力。對于有條件的高校，可以多采用先進的科技手段，如依托虛擬仿真實驗教學中心，利用VR頭盔，設計沉浸式教學實踐環節，為學習者提供一個接近真實的晶體缺陷動態環境，使學習者通過高度參與互動和演練提升技能。其次，在教學內容梳理與重構方面強調知識的應用場景，適當融入前沿科技成果，將理論知識與實際運用有機地聯系在一起。以晶體缺陷為例，可將科學研究前沿領域熱點問題“金屬材料的強化機制”和典型案例引入到教學內容當中，近5年內世界頂刊的高影響力文章，新材料開發案例，如盧柯院士的納米孿晶銅的開發，利用孿晶強化，縮短了納米材料和實際應用的距離，在精細加工、電子器件和微型機械的制造上具有重要價值。這不僅可以增加教學內容的內涵和趣味性，同時巧妙地引入了思政元素，強調了本學科和科學家為人類生活提供安全保障、推動科技進步、促進實現制造業強國戰略目標的重要意義和不懈奮斗精神;從而達到強化學生能力目標的達成和情感價值目標建立的效果。

（三）" 設計教學方法

教學改革的第三項內容，教學方法的設計與運用。厘清教學內容、教學目標以及知識點之間的邏輯關系之后，教學過程所采用的方法，會很大程度影響教學效果。目前教學手段層出不窮，針對材料科學基礎這樣一門理論性強、知識點抽象的專業基礎課程來說，采用BSCS 5E教學設計方法具有一定的優勢。5E教學模型的基本內涵包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）。該教學模型注意以學生為中心，激發學生求知興趣，注重設計與學生互動環節，激發學生主動探究和接納知識的意愿;內容安排由淺入深，幫助學生自覺地將所學知識點進行關聯思考，助力學生建立學科關鍵概念構架，從而為后續專業課學習打好基礎。此外，該教學方法的一個顯著特點是評價可以貫穿于整個模型。以位錯運動相關知識點為例進行教學設計（圖2），具體如下。

1）吸引（Engagement）：拋出“材料理論強度與實際強度不一致”問題吸引學生、引發認知沖突，從而激發學生主動探究、主動建構知識的興趣。

2）探究（Exploration）：位錯理論探究，教師通過晶格結構模型、動畫、透射電鏡圖，將概念與定理形象化、便于學生理解。

3）解釋（Explanation）：利用數學模型與解析給出解釋和糾錯，加深學生的理解程度。

4）遷移（Elaboration）：從位錯概念解析，延展至位錯運動分析。引導學生運用位錯滑移理論解釋晶體塑性變形行為。通過引入身邊科研實例，展現位錯調控的驚人效果，驗證該理論的正確性，并引發價值觀共鳴。

5）評價（Evaluation）：使用學習通APP針對每一個知識點實時分布后測問題，從多角度考察和評價學生對新知識的理解及應用能力。

（四）" 建立合理的考核評價機制

教學改革的第四項內容，建立考核評價與持續反饋機制。5E教學方法中，針對每一個知識點的后測問題和教學過程中的互動設計，都可以作為過程考核和持續反饋機制的重要部分，同時，加大過程考核在總成績中占比;期末考核，應側重對知識點綜合運用能力、解決問題能力、創新思維能力以及情感價值目標達成度的考核。此外，建立以該課程知識點為基礎的后續課程對該教學效果和教學質量的反饋，形成持續反饋和改進機制。

（五）nbsp; 引入思政元素

教學改革的第五項內容，合理恰當地引入思政元素。思政元素的巧妙構思與引入，能夠促進專業知識的教學效果[16]。該課程作為一門培養材料領域高級工程技術人才的基礎課程，有很多思政點可以挖掘。例如，材料理論的發現背景與事物認識的自然規律和科學家們實事求是的探索精神，關鍵材料的研發歷程與科學家們的責任擔當和解決問題的不懈奮斗精神及對人類生活和發展的突出作用，先進材料及其制造技術對制造業強國戰略的重要關鍵地位，環境保護意識與工程領域可持續發展，等等[17]。在每個教學環節，針對教學內容和教學目標，設計恰當的思政案例，不僅能夠使教學內容更加豐富多彩，而且能夠建立學生的專業自豪感，幫助學生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，激發學生主動學習的興趣和動力，從而培養有理想、有信念、身懷家國情懷的創新型人才。

（六）" 建設教學團隊

教學改革的執行者是教師，針對材料科學基礎課程內容多、地位重、難度大、要求高的鮮明特點，平時教學及徹底有效的教學改革工作量大，教學團隊建設顯得尤為重要[18]。合理規劃教學團隊，調動教師提高教學質量的積極性、協調教學與科研工作的關系、使教學與科研形成相互促進的關系是教學團隊建設的目標。根據此目標，可按照金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、材料成型方向分別選擇1名教師，形成4人主教學團隊，根據教師科研及專業方向與教學內容的匹配性分配教學任務，團隊內部自主選舉課程負責人，由負責人協調分配大綱編寫、監督教學質量等工作;同時注意對青年教師的培養，由現任任課教師自主根據專業方向和研究方向選擇1名青年教師作為助教，輔助各自教學工作，從而最終形成8人教學團隊。考慮到教學改革任務多、多人分配學時工作量少的問題，可酌情考慮在總學時基礎上根據教學實際工作量乘以獎勵系數。

三" 結束語

本文探索新時代科教融匯背景下材料科學基礎課程教學改革措施。基于材料科學基礎地位重、難度大、要求高的鮮明特點和目前教學現狀，以及當代大學生的特點及學習積極性不高的普遍現象，提出以下教學改革方案：第一，根據專業細分方向綜合選用教材、根據后續課程刪減重復知識點、構建學科關鍵概念網絡框架，從而進行教材內容梳理和重構;第二，設計可量化和細分教學目標，并借助課內實驗、科技手段、結合學科前沿案例、課程思政案例等手段促進教學目標的達成;第三， 提出借助BSCS 5E教學模型，激發學生學習興趣，建立過程考核評價和持續反饋改進機制;第四，合理規劃教學團隊，保障教學改革措施實施并提高教學質量。

參考文獻：

[1] 比爾·雷丁斯.廢墟中的大學[M].郭軍，等，譯.北京：北京大學出版社，2008：3.

[2] 杰勒德·德蘭迪.知識社會中的大學[M].黃健如，譯.北京：北京大學出版社，2019：9，12.

[3] 習近平.高舉中國特色社會主義偉大旗幟 為全面建設社會主義現代化國家而團結奮斗——在中國共產黨第二十次全國代表大會上的報告[EB/OL].（2022-10-16）.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2022/content_5722378.htm.

[4] 盧曉中，王嵩迪.從融合到融匯：高等教育與科技創新更好結合[J].蘇州大學學報（教育科學版），2023，11（4）：1-10.

[5] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《普通高等學校本科專業目錄（2012年）》《普通高等學校本科專業設置管理規定》等文件的通知[EB/OL].（2012-09-18）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s3882/201209/t20120918_143152.html.

[6] 于博瀛.科技信息化時代大學生思想特點及成長成才路徑研究——評《當代大學生思想特點及成長成才規律研究》[J].人民長江，2021，52（10）：1-2.

[7] 高寶全，鄭天祥.大學生學習態度管理研究——基于心理疏導方法[J].知與行，2017（8）：96-101.

[8] 劉紫荊.新冠肺炎疫情期間大學生在線學習態度調查研究[J].北京廣播電視大學學報，2021，26（6）：17-25.

[9] 吳志鵬，余新宏，江凱，等.大學生網絡自主學習調查現狀及對策研究[J].赤峰學院學報：自然科學版，2014，30（8）：233-238.

[10] 謝長征，張天文，魯海勝，等.《材料科學基礎》課程教學改革探索與實踐[J].廣東化工，2023，50（2）：204-205.

[11] 劉麗麗.新工科背景下“材料科學基礎”課程教學改革探索[J].科教導刊，2023（30）：131-133.

[12] 劉奮照，王玲，李楠，等.基于雨課堂的“材料科學基礎”多元化課堂教學改革與實踐[J].化工時刊，2023，37（3）：60-62.

[13] 黃春梅.《材料科學基礎》課程的教學現狀與改革實踐[J].數據，2022（4）：99-101.

[14] 馬琛.理論與實驗高度融合的教學模式改革探索——以“材料科學與工程基礎”課程為例[J].教育教學論壇，2022（19）：45-48.

[15] 鄧萌，程捷，陳玨，等.面向工程教育認證的高分子專業“材料科學與工程基礎”教學模式改革[J].高分子通報，2018（9）：72-76.

[16] 田相鑫，章強，李傳明，等.材料科學基礎課程的“四重構”與“兩創新”教學改革[J].高教學刊，2022，8（33）：152-155.

[17] 李承娣，陳梟.融入思政元素的材料科學基礎課程教學改革與案例設計[J].高教學刊，2024，10（2）：181-184.

[18] 王曉東，朱申敏.工科專業課教學團隊建設及教學內容改革——以“材料科學基礎”課程為例[J].高等工程教育研究，2021（S1）：47-50.

基金項目：2022年度吉林大學研究生教育教學改革建設項目“新工業4.0工學博士拔尖人才培養模式創新改革研究”（2022JGY059）;

2022年度吉林大學研究生課程思政示范課程“金屬材料強韌化原理與技術”（2022KCSZ19）;2022年度吉林大學課程思政學科育人示范課程項目“材料成型及控制工程專業生產實習D課程思政示范項目”（SK2022062）

第一作者簡介：楊宏宇（1987-），女，漢族，遼寧阜新人，工學博士，研究員，博士研究生導師。研究方向為納米顆粒高效強韌化合金及成型技術。

*通信作者：邱豐（1980-），男，漢族，遼寧葫蘆島人，工學博士，教授，博士研究生導師。研究方向為納米介質、高性能結構材料微觀組織和性能的協同調控。