材料工程基础课程改革探究

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摘要:新工科已成为改革话语中最为醒目的词语。对于本科教育来说，材料工程基础在材料类专业培养中占有极其重要的地位。该文在新工科建设背景下，对目前材料工程基础课堂面临的挑战进行探讨，并提出通过优化教学内容、改革教学方法和评价方法等措施来提高教学质量；通过激发学习兴趣、挖掘潜力、改革考核体制等措施提高学生学习的主动性、积极性、创造性，培养出适用于材料行业发展的高素质人才。

关键词:新工科；材料工程基础；课程改革

1前言

当前，世界经济和产业格局正在经历大调整、大变革和大发展的新历史时期。一方面，全球金融危机的影响导致经济增长步伐缓慢，发展的不确定因素增多；另一方面，全球新一轮科技革命和产业变革酝酿新突破，特别是新一代信息技术与制造业深度融合，加上新能源、新材料、生物技术等方面的突破，正在引发影响深远的产业变革。因此，各国都纷纷制定相关政策加以应对。美国提出将互联网、高级计算机等应用于工业生产中；德国政府则提出充分利用物联信息技术将工业化生产中的多个复杂工程问题进行有效融合，从而达到快速、便捷的目标；而中国政府提出“互联网+”、“一带一路”倡议等重要决策，预示着我国工业产业技术将从低端人工化走向高端智能化、从依赖进口到自主创新。面对全球产业竞争局面的变化和抢占未来产业竞争制高点的新挑战，我们必须前瞻布局、主动应对，在新一轮全球竞争格局中赢得主动权。因此，在知识经济、新一轮科技和产业革命快速发展的局势下，传统的工科教育在很大程度上已经无法满足当前经济和科技的发展需求，国家亟须建设新技术和发展新工科。为此，自2017年2月以来，教育部力推新工科建设，相继促成“复旦共识”“天大行动”以及“北京指南”的问世，构成了新工科建设的“三部曲”，拉开了人才培养改革的新篇章，促使全国高校在工程教育领域掀起了一场教学模式的改革风暴。我国要想在世界高等工程教育中占据一席之地，就要始终坚持走创新之路，在“空白区”勇往直前、开拓创新，以技术创新及颠覆构筑先发优势，切实提升我国新工科在国际中的影响力和学科竞争力[1]。当前，许多高校均存在一个显著的共性问题：办学现状与行业、产业需求不相适应。具体表现为：首先，人才培养特色不明显，许多进入工程岗位的毕业生能力不足。其次，学科基础过于薄弱，协同创新与服务社会能力不足。最后，课程体系与教学模式、知识体系建设不完善[2]。因此，新工科建设为高校的发展指明了方向，即要求高校以产业需要为导向，定位相应的卓越工程人才培养目标，构建以成果为导向的本科教育新模式，这对工程教育质量的提高、助推经济转型升级、应对未来新技术和新产业竞争都具有重要的现实意义，为把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国做出重大贡献。

2新工科背景下材料工程基础课程教学面临的挑战

材料工程基础是材料学科的一个重要组成部分，主要介绍了各种材料的共性规律及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的个性特点和多种组分复合体系的基本特征[3]。随着新材料和新技术的不断发展，人们对材料的组成、结构与性能之间关系的研究不断深入，加之测试表征技术的迅猛发展，科研工作者对材料的内部结构与性能的关系也有了更深层次的了解。材料工程基础着重研究以物质结构为基础，阐述原子结构、原子间相互作用和结合的方式，与材料内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构及变化规律之间的相互关系，阐明了在应力、热、电、光、磁、化学介质、氧等外界因素的作用下，各类材料所表现出来的宏观性质及内部结构的变化规律。此外，还学习材料的制备原理和主要方法。因此，在材料类相关专业中，材料工程基础作为一门专业基础课，越来越受到大家的重视。该课程可以提升学生的理论水平和分析问题的能力。因此，材料工程基础课程建设对材料学科发展具有重要的作用。苏州科技大学材料科学与工程学院是新成立的学院，学院瞄准材料科学与工程前沿，紧密结合国家重大战略需求，注重学科交叉，致力于培养具有广阔视野、坚实理论基础、较强创新能力的高素质人才。因此，为响应国家新工科政策的号召，为国家培养高素质人才，对材料工程基础进行课程改革刻不容缓。

2.1教学内容亟待改革

材料工程基础是材料专业学生的专业基础课，起着联系材料基础类课程与材料设计和应用类课程的纽带作用，在培养学生综合设计能力、产品质量检测和工程实践能力方面占有重要地位。该课程主要以材料组成与物质结构的内在联系为基础，还包括各类材料的加工行为和主要加工方法。单独来看，材料工程基础存在“内容多，难度大，学时少”的现状，如何保质保量地完成教学大纲要求，是任课教师必须面对的问题。然而，材料工程基础的部分内容与材料科学基础、材料物理性能等课程的部分章节存在交叉，因此，难免会出现重复讲授的现象。例如，这三门课程均涉及晶体结构、晶体缺陷方面的内容。教学内容的交叉反映了这几门课程在基础知识和理论方面存在较大关联，但重复教学一方面会造成课时浪费，另一方面会使得学生产生厌学情绪，导致教学效果不理想。此外，该课程部分章节内容比较难理解，会导致学生丧失学习兴趣，大大降低教学质量。因此，必须对教学内容进行改革。

2.2教学方法改革

传统的理论教学主要还是以板书、多媒体课件为主，其优点是便于学生理解理论公式的推导过程。然而，对于一些抽象晶体结构模型的讲解则显得较为困难。此外，在课堂上往往是“教师讲、学生听”的教学模式，教师对学生的知识掌握程度无法做到实时监督，无法给出客观正确的评价。现代教学并不是一个“教师教、学生学”的单一过程，而是以学生为主体、以教师为主导，师生共同参与的过程。同时，材料类专业是实践性很强的专业，理论教学的同时往往与实践相脱离，根本无法达到开设该门专业基础课的目的。在这样的教学模式下，学生把主要精力都集中在专业理论知识的学习上，通过死记硬背知识点来应对课程的考试，从而忽视了对实践应用技能的锻炼，导致不会灵活运用理论知识来解决实际问题，这与新工科背景下的培养目标并不一致。因此，为了响应新工科政策的号召，我们须对“讲授式”教学模式进行必要的改革[4]。

2.3考核方式改革

在课程考核方面，依然延续着传统的闭卷考试模式，学生的课程成绩主要由期末考试卷面成绩和平时成绩按一定比例组成，考试只是对该课程所学的总结，无法客观评价学生学习和对课程的实际掌握情况，而平时成绩与教学环节设置和课堂教学情况有关，难以给出合理的评价标准。此外，期末考试往往只侧重于对学生的理论水平进行考核，而忽略了学生独立思考问题、分析问题、解决问题以及应用知识的能力。

3材料工程基础教学改革的着力点

3.1优化教学内容，提高教学质量

内容相近、知识点有交叉的几门课程的授课教师可组成教学团队，各教师针对授课内容进行研究、交流和探讨。例如材料物理性能、材料科学基础、材料工程基础这三门课程中均涉及晶体学知识，但不同专业背景的教师对晶体的理解与表述存在较大差别，材料科学基础可注重晶体的点阵类型、晶面、晶向指数的表示方法，材料物理性能可重点讲述在应力、热、电、光、磁、化学介质、氧等外界因素的作用下，各类材料所表现出来的宏观性质，而具有材料工程基础背景的教师则可侧重于讲述材料组成与物质结构性能特征、材料的制备原理和主要方法，使学生建立材料制备—加工—结构—性能关系的整体概念。这样不仅可以加强各门课程之间的交叉，还有利于学生对知识点的多角度理解。此外，很多新技术、新材料的发现都离不开材料工程基础。因此，在教学内容中还可以结合教师的科研工作，融入一些前沿科学及研究热点课题，例如超导材料YBa2Cu3O7、教改教法Bi2Si2Ca2Cu3O10、Ti2Ba2Ca2Cu3O10和、HgBa2Ca2Cu2O8，原子团簇C60、C70和富勒烯，碳纳米管和石墨烯等。一方面可以让学生认识到课程内容的重要性和实用性，另一方面可以提高学生的学习兴趣。

3.2改善教学方式，激发学生热情

近年来，微课[5]、慕课（MOOC）[6]、翻转课堂等新兴教学模式逐渐兴起，这些教学模式也逐步成为国内外教育工作者研究和实践的热点。其中，翻转课堂是将知识传授与知识内化的过程进行颠倒，颠覆了传统课堂的教学结构，即学生课前通过观看教学视频学习新知识，在课堂上则是以做作业、交流、讨论、做项目或实验为主的一种教学形态。在该模式下，教师与学生之间的交流讨论等过程增多，极大地增加了课堂中的互动，逐步形成以学生为中心的课堂，将“教师讲、学生听”转化为“学生讲，教师听”的模式。此外，还可将学生进行分组，将部分知识点留给学生课后查找相关文献和资料，自行做课件，归纳重点，下节课在课堂上进行轮流讲课。然后，让其他学生进行提问讨论，最后由教师进行总结，并对重点知识进行讲解。例如，在学习“纳米材料”这一知识点时，可以让学生分组，列举纳米材料与块状材料由于尺寸不同导致的声、光、电、磁、热力学等物性不同的现象，例如金属的纳米粒子会在空气中燃烧、光吸收峰蓝移现象、催化活性增强、磁有序向磁无序转变、声子谱发生改变等，以及产生这些现象的原因（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应）。同时，介绍纳米材料的表征手段，例如X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），比表面分析仪（BET）、原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等。最后，列举纳米材料在信息、能源、环境、生物、医药和军事领域的应用。这样不仅能充分调动学生的主观能动性，还能激发学生的潜力，让他们对知识点有着更加深刻的认识，还锻炼了学生查阅资料、语言表达以及组织协调的能力。此外，教学环节设置多元化，除了理论教学环节，开设合理的综合实验或者课程设计环节有助于反哺教学，培养学生的工程实践能力[7]，切实让学生体会学以致用，充分锻炼学生的实践应用技能，为他们今后的工作打下基础。

3.3鼓励自主学习，挖掘学生潜力

在信息化时代，利用网络资源有助于促进对材料工程基础知识的掌握。在平时的教学中，笔者经常鼓励学生利用网络资源去检索一些相关资料，如：CNKI、万方、百度学术等中文资源以及ACS、RSC、Wiley、Elesvier等英文数据库。学生不仅可以学会各类文献的检索方法，还可大大拓展自己的知识面，并且对自己课堂所学的理论知识在实际中的应用现状进行深入了解。例如，在讲述材料的结构和制备相关章节时，可以举例从结构上看，玻璃不像晶体一样在空间做远程有序排列，而属于近程有序而远程无序的结构，玻璃向熔体的转变是在一定温度区间内进行，没有固定的熔点[3]。联系到玻璃的制备过程中，需要将配合料加热到高温使其熔融，进一步加热以降低其黏度，同时加入澄清剂消除玻璃中的气泡、使玻璃液澄清，最后降低温度使玻璃液达到一定黏度，倒入锡槽后在熔融金属锡的表面上摊开，通过浮法获得具有一定厚度的平板玻璃。课后给学生布置任务，让他们通过电子资源去查阅其他无机非金属材料的制备方法。这样不仅能让学生开阔眼界，还培养了学生的自主学习能力。

3.4建立多元评价体系

建立科学有效的评价体系，是实现课程目标的重要保证，也是促进学生学习的重要机制。传统的闭卷考试方式往往导致学生考前临时抱佛脚、死记硬背，考后遗忘知识点，不利于培养学生的创新能力。针对此问题，我们可采取学习过程中的讨论、课堂表现、实践情况、文献调研以及期末小论文和考试成绩等方式，对学生进行综合评价。此种评价方式所涉及的知识面和信息量远大于考试，可真正达到对学生进行客观评价的目的。此外，在期末考试中，可考虑设置开放性试题以考查学生对于学科知识的理解，考查学生运用理论知识的能力。通过考核方式的多元变化，引导学生改变不良的学习习惯，使其积极主动地学习。

4结语

材料工程基础课程的改革与实践是一项复杂的系统工程。随着新工科建设的开展，教学工作也应顺应专业发展的需求，调整教学内容，寻找更有效的教学方法，选择更高效的授课形式，激发学生的学习兴趣，充分调动学生的主观能动性，挖掘学生的学习潜能，这样才能让学生真正学好材料工程基础课程，为后续专业课程学习及今后的工作打下坚实的理论基础。

作者:陈婷 郭春显 谷雨 张春媚 陈博 谢志翔 单位:苏州科技大学材料科学与工程学院 苏州科技大学化学与生命科学学院