本 科 課 程 建 設(shè) 的 思 考 和 實 施

戎 詠 華

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

0 引 言

課程建設(shè)是教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一，其主要包括教學(xué)大綱的制定、教材的編寫、實驗課程的設(shè)置和教學(xué)網(wǎng)站的建立。教學(xué)大綱指明了課程建設(shè)的意義，確定了課程建設(shè)的目標(biāo)和基本內(nèi)容，為教材的編寫定下了基調(diào)。其中基于教學(xué)大綱的教材編寫是課程建設(shè)的核心。為此，上海交通大學(xué)根據(jù)國家教育部1998年調(diào)整的最新專業(yè)目錄和全國材料工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的精神，推出了上海交通大學(xué)“系列化優(yōu)質(zhì)課程與教材建設(shè)”項目，這成為我校教學(xué)改革的重要組成部分。在教材內(nèi)容的框架下建設(shè)相關(guān)的實驗課程和課程網(wǎng)站，實驗課程有助于學(xué)生對教學(xué)重點內(nèi)容和相關(guān)實驗技術(shù)的理解和掌握，而課程網(wǎng)站有利于學(xué)生的預(yù)習(xí)和師生的溝通。教學(xué)大綱是教材編寫的基礎(chǔ)，而教材內(nèi)容是實驗課程和課程網(wǎng)站建設(shè)的基礎(chǔ)，它們的關(guān)系如圖1所示。

圖1 課程建設(shè)四方面的內(nèi)容及其關(guān)系

基于教材編寫是課程建設(shè)的核心，“材料科學(xué)與工程學(xué)院”圍繞學(xué)校的“系列化優(yōu)質(zhì)課程與教材建設(shè)”項目，經(jīng)過幾年的不斷努力和反復(fù)研討，最終確定了第一批本科教材的題目，共有15本教材，涉及材料科學(xué)與工程學(xué)科的不同領(lǐng)域，其中包括我和姜傳海研究員合編的“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”[1]。該教材歷經(jīng)6年，于2012年面世。去年上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院成立了教學(xué)委員會，我被任命為該委員會領(lǐng)導(dǎo)下的教材建設(shè)組組長，負責(zé)學(xué)院的系列化優(yōu)質(zhì)教材建設(shè)。許多正在編寫的老師希望我能談一些編寫本科生教材的體會，正值“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”的出版不久，本文借此主要對課程建設(shè)中的教材編寫及其后續(xù)工作談一些粗略的體會，同時也涉及實驗課程的設(shè)置，旨在拋磚引玉，望得到專家和讀者的批評與指正。

1 明確教材的編寫意義和特點

編寫教材首先要明確編寫的意義和教材的特色，緊扣基礎(chǔ)知識、重點與難點、新知識和技術(shù)三大要點展開，在筆墨多少和濃淡來處理好三者的關(guān)系，正如圖2所示。

圖2 教材撰寫應(yīng)考慮的幾個問題

編寫教材遇到的首要問題就是為什么現(xiàn)在要寫這本教材。編寫教材的需求無非有兩種情況：一種最常見的情況是，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使目前已有的國內(nèi)相關(guān)本科教材的部分內(nèi)容陳舊，需要更新過時的內(nèi)容，增加最新發(fā)展的理論和技術(shù)內(nèi)容；第二種較少的情況是新興學(xué)科的出現(xiàn)，其預(yù)示著將來的發(fā)展方向，國內(nèi)、甚至國外尚未相關(guān)的本科教材，而對于本科生畢業(yè)將會涉及該領(lǐng)域的研究，需要編寫相關(guān)的教材。“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”教材的編寫就是第一種情況的需要。該教材由三篇組成，內(nèi)容分別涉及金相顯微術(shù)，X射線衍射和電子顯微分析。6年前，國內(nèi)相關(guān)的教材諸多內(nèi)容陳舊，包括1992年出版由漆璿和我合編的《X射線衍射與電子顯微分析》[2]，許多新發(fā)展的技術(shù)尚未涉及，因此，急需有一本反映當(dāng)前技術(shù)發(fā)展又適合本科生教學(xué)的教材，“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”教材就是在這種背景下應(yīng)運而生的。又如，合編的“材料科學(xué)基礎(chǔ)”被評為2003年國家精品課程教材和新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程教材[3]，我們在1996年著手編寫該教材的國內(nèi)外情況是，以金屬材料、無機非金屬材料(陶瓷材料)和高分子材料分別出版的本科教材為主流[4-9]，而將它們?nèi)诤显谝黄穑@是國際和國內(nèi)材料發(fā)展的需要[10],但是作為一本“材料科學(xué)基礎(chǔ)”來寫的教材鳳毛麟角，而且三種材料通常是獨立成章[11-12]，因此急需要有一本將三種材料的理論有機結(jié)合的“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教材，這是我們看到當(dāng)時教材的問題而立項編寫的。

編寫教材的第二個問題就是，編寫的教材與已有的教材相比有什么顯著特色。沒有顯著特色的教材是沒有生命力的。至今已出版的材料組織結(jié)構(gòu)的表征教材[13-15]對我國材料表征人才的培養(yǎng)產(chǎn)生重要的影響。但對于材料表征技術(shù)的快速發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)和陳舊技術(shù)的淘汰是必然的。為此，“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”的顯著特色正如我在該教材的前言所述：“本教材根據(jù)材料研究和技術(shù)的發(fā)展，摒棄和削減了現(xiàn)有教材中某些過時的內(nèi)容，例如底片顯影、定影和印相原理、手工制備金相樣品詳細步驟等，增添若干新技術(shù)內(nèi)容的章節(jié)，主要有共聚焦激光掃描顯微術(shù)、圖像處理及定量分析、 X射線衍射譜線形分析、三維應(yīng)力及薄膜應(yīng)力測量、會聚束衍射及其在點陣常數(shù)精確測定中的應(yīng)用、形貌襯度改善的電子減速技術(shù)、二次電子和背散射電子信號的混合技術(shù)、掃描透射電子顯微術(shù)和電子背散射衍射技術(shù)等。”[1]在前言中我也說明了為什么把金相顯微術(shù)，X射線衍射和電子顯微學(xué)結(jié)合在一起作為材料組織結(jié)構(gòu)表征方法的理由：“盡管組織結(jié)構(gòu)表征有諸多的物理方法，但鑒于組織結(jié)構(gòu)表征技術(shù)發(fā)展的歷史和上述三種分析方法的諸多共同的物理概念以及至今它們在材料研究中相輔相成，將它們結(jié)合在一本教材中有利于教學(xué)學(xué)時的精減和學(xué)生對知識的融會貫通，這已被上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院近幾年的教學(xué)實踐所證明。” 這種有機的結(jié)合也可視為該教材的特色之一。

當(dāng)作者在編寫前一定要反復(fù)問自己，是否明確了教材的編寫意義和特色，如果答案是肯定，則教材已成功了一半。

2 教材編寫應(yīng)考慮的幾個關(guān)系

2.1 基礎(chǔ)知識與高新技術(shù)的關(guān)系

本科生教學(xué)注重基礎(chǔ)知識的傳授，包括基本理論，基本實驗和基本的應(yīng)用。因此，教材也應(yīng)圍繞這幾方面進行重點撰寫。對于高新技術(shù)的撰寫要考慮兩個方面：一是該高新技術(shù)所涉及的理論基礎(chǔ)是否超過了本科生已有的基礎(chǔ)知識，另一個是該高新技術(shù)是否成為今后主流技術(shù)之一。如果該高新技術(shù)所涉及的理論基礎(chǔ)超過了本科生已有的基礎(chǔ)知識，則不宜寫，最多在緒論中提及；反之，可介紹之。但介紹的篇幅視其重要性而定。例如，在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”教材中增加了形貌襯度改善的“電子減速技術(shù)”、二次電子和背散射電子“信號的混合技術(shù)”，這兩種新技術(shù)原理簡單，而且它們只是一種形貌改善的方法，它們不是掃描電子顯微鏡的主流技術(shù)，因此分別用兩小節(jié)分別加以描述。但是對于電子背散射衍射新技術(shù)，其在晶體之間的位向和織構(gòu)的快速測定上已開始成為主流技術(shù)，因此我從儀器、基本原理，數(shù)學(xué)推導(dǎo)及其應(yīng)用給予詳細的介紹。這部分內(nèi)容成為該教材的顯著特色之一。

另一個需要提及的問題是，在以前教材中的高新技術(shù)的內(nèi)容可能成為當(dāng)前編寫教材的基礎(chǔ)知識，這種情況是高新技術(shù)隨儀器的普及和本科生基礎(chǔ)知識的提升的條件下出現(xiàn)的。例如，透射電子顯微鏡的高分辨技術(shù)，這在以前的本科教材中僅僅作為一種新技術(shù)的簡單介紹，因為高分辨電子顯微鏡尚不普及，而且其理論涉及傅里葉變換和卷積的數(shù)學(xué)知識。但是，自10多年前納米材料的興起，我國高校與研究所大量購買了高分辨電子顯微鏡，使高分辨技術(shù)逐漸成為一個常規(guī)技術(shù)，同時高等院校，尤其是重點研究型大學(xué)重視數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，相關(guān)的數(shù)學(xué)知識已具備，因此，我將該內(nèi)容作為本科生應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識給予詳細描述。又如，在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教材中，通常論述液-固相變和固-固相變，很少論述氣-固相變。但隨著氣相沉積新技術(shù)逐漸被廣泛用于制備各種功能性薄膜材料，材料的氣-固相變也日益顯示出其重要性，為此，我單獨寫了“氣-固相變與薄膜生長”一節(jié)，不僅作為氣相沉積新技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，而且完善了材料相變的基本內(nèi)容。

2.2 本科課程內(nèi)容與研究生課程內(nèi)容的關(guān)系

本科教學(xué)傳授學(xué)生基礎(chǔ)的知識，如果我們把它稱之為ABC，那么碩士研究生相關(guān)課程的知識可稱之為EFG，其是在ABC知識基礎(chǔ)上的進一步的提高，這是一個共識。但是對于什么才是ABC的知識的認(rèn)知，可能仁者見仁，智者見智。以本人的觀點看，基礎(chǔ)知識就是該課程的核心知識，沒有它就構(gòu)不成該課程。而且課程的基礎(chǔ)知識應(yīng)該是入門的知識，是通常應(yīng)用最廣泛的知識。而研究生課程的基礎(chǔ)知識是在本科生的知識上的進一步深化和拓展。就知識應(yīng)用的頻率而言，ABC知識的應(yīng)用頻率應(yīng)遠高于EFG的頻率，盡管ABC知識授課學(xué)時可能低于EFG。例如，在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”本科教材中，電子衍射和衍射襯度成像是電子顯微學(xué)的基礎(chǔ)知識，因此，對于相關(guān)理論、物理概念、實驗方法和基本應(yīng)用給予詳細的描述，而在我編著的“分析電子顯微學(xué)導(dǎo)論”碩士研究生教材中[16]，進一步通過一章的篇幅分別介紹“晶體衍射中的數(shù)學(xué)處理”和一節(jié)的篇幅介紹“衍襯動力學(xué)理論”，這些內(nèi)容盡管需要較多的授課學(xué)時，但是它們的應(yīng)用頻率相對較低，只是在解釋一些特殊的實驗現(xiàn)象和研究材料組織結(jié)構(gòu)的深層次問題上才會被應(yīng)用。鑒于上述的認(rèn)知，我在本科生教材主要介紹ABC知識，對于EFG的知識的基礎(chǔ)理論不予論述，對于它們的基本概念和主要應(yīng)用會給予簡單的介紹，這僅起到拓展本科生知識面和視野的作用。而在研究生教材中，簡單復(fù)習(xí)ABC的知識，有利于EFG知識的學(xué)習(xí)，也使教材知識系統(tǒng)化，便于學(xué)生和讀者閱讀理解。

2.3 教材內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系

教材是為教學(xué)服務(wù)的，因此教材應(yīng)涵蓋教學(xué)的主要內(nèi)容。但教材為了保證自身的知識系統(tǒng)性和可讀性，它在內(nèi)容順序的編排上通常根據(jù)編者自己的教學(xué)經(jīng)驗來確定；而且在內(nèi)容的深度和廣度上也是基于編者的認(rèn)知來確定的。然而，使用教材的教師未必認(rèn)同編者的這種編排和認(rèn)知，完全可以根據(jù)自己的經(jīng)驗來組織內(nèi)容進行教學(xué)，僅把該教材作為主要參考書推薦給學(xué)生。鑒于不同學(xué)校的不同學(xué)時和深度的要求，編者在寫教材時，除主要滿足自己教學(xué)的要求外，同時還應(yīng)該考慮不同學(xué)校的情況，因此，教材的內(nèi)容應(yīng)該更寬深一些，這樣有利于教材被更多的學(xué)校使用。例如，我們編著“材料科學(xué)基礎(chǔ)”本科生教材內(nèi)容定位于我們學(xué)校授課是110學(xué)時，但是其他30多個學(xué)校中的不少學(xué)校使用該教材為80～90學(xué)時，他們選取認(rèn)為最為重要的內(nèi)容進行授課，這是我們在編寫時已考慮到的和所希望的情況。又如在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”教材編著時已考慮到這種需求，正如該教材前言所說：“本書可作為54～90學(xué)時的教學(xué)用書，留有余地供授課教師選擇，也可供相關(guān)技術(shù)人員參考。”總之，教材不僅要考慮教學(xué)的要求，而且要考慮教材本身知識的系統(tǒng)性和完整性；而教學(xué)完全可根據(jù)授課教師的經(jīng)驗和知識面以及授課學(xué)時數(shù)來選取教材中的內(nèi)容，甚至增加內(nèi)容進行教學(xué)。

2.4 筆墨的重彩與輕描的關(guān)系

在撰寫教材前還必須考慮哪些內(nèi)容需要重彩筆墨，哪些內(nèi)容需要輕描淡寫。無疑基礎(chǔ)內(nèi)容需要重點撰寫，尤其是重點中的難點更需重彩筆墨，具體包括物理概念的闡述、數(shù)學(xué)公式的描述及其應(yīng)用的舉例等。例如，在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”的教材中，由于電子背散射衍射技術(shù)是一種新技術(shù)，在材料織構(gòu)測定中有廣泛的應(yīng)用，故作為重點內(nèi)容詳細描述，而且它涉及的物理概念和基于空間概念的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較難理解，這就需要重彩筆墨。我通過對織構(gòu)描述的三種方法(極圖，反極圖和由歐拉角描述的取向分布函數(shù)圖)的物理概念，數(shù)學(xué)推導(dǎo)，實驗測定方法，并通過例題說明三種圖的理論計算方法，最后通過實際例子來進一步說明如何通過這些圖來確定織構(gòu)的類型。又如，在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”教材中，正常凝固方程是凝固理論中的重要內(nèi)容之一，我對正常凝固的物理概念，數(shù)學(xué)模型的建立與假設(shè)條件以及它的應(yīng)用和局限性給予詳細的描述，最后通過正常凝固方程得到的溶質(zhì)原子在凝固過程中偏析的逆向思考，引出區(qū)域熔煉的新穎方法及其數(shù)學(xué)方程的建立。通過這樣的描述或教學(xué)，不僅使學(xué)生掌握公式的運用和計算，更重要使學(xué)生了解公式的局限性以致認(rèn)識到公式改進的可能性，這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思想和能力的基本教學(xué)。教材各章中非重點內(nèi)容一般包括預(yù)備知識的復(fù)習(xí)，傳統(tǒng)技術(shù)的回顧，基礎(chǔ)知識的延伸，尚未普及應(yīng)用的新技術(shù)的介紹等。例如，在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”教材中，大學(xué)物理的幾何光學(xué)知識，金相樣品的傳統(tǒng)制備和照相方法，透射電子顯微鏡早期的復(fù)型制備方法，分析電子顯微術(shù)的進展等均作為簡單描述的內(nèi)容。

3 教材出版后的后續(xù)工作

教材的出版只是完善教學(xué)工作的第一步，為了更好地發(fā)揮教材在教學(xué)中的作用，一些后續(xù)的工作仍需進行。首先是教學(xué)網(wǎng)站的建立，通過網(wǎng)站，學(xué)生可以預(yù)先看到教師的電子課件，有利于他們的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)；通過網(wǎng)站可以在線答疑和看到學(xué)生對教學(xué)效果的意見和建議。除此之外，應(yīng)根據(jù)教材中的重點和難點內(nèi)容，不斷補充和完善相關(guān)內(nèi)容的課堂練習(xí)和課外作業(yè)。對于尤為重要的課程，最好能出版的習(xí)題集和解答。例如，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的重點專業(yè)基礎(chǔ)課，并是碩士研究生入學(xué)的考試課程，因此，我們出版了“材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題”[17]，習(xí)題集包括各章的內(nèi)容提要，重點與難點，重要概念，習(xí)題和習(xí)題解答，在附錄中給出了相關(guān)的參考資料和數(shù)據(jù)。最后，應(yīng)根據(jù)教學(xué)的反饋，不斷改進教學(xué)內(nèi)容，我認(rèn)為一般教學(xué)5年左右，有必要進行再版。例如，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”自2000年出版后已進行了3版的改動。在第2版中，除了改正第1版中的文字錯誤，主要增加了“材料的功能特性”一章和“氣-固相變與薄膜生長”一節(jié)，使教材從涉及“結(jié)構(gòu)材料”擴展到“功能材料”，達到我們預(yù)期的目標(biāo)。在第3版中，主要增加了各種材料制備的方法，使學(xué)生了解一些工程知識。為了使學(xué)生得到英文專業(yè)詞匯，還增加了目錄的英文翻譯和各章關(guān)鍵詞匯的中英對照表。對此，習(xí)題集也進行了3版的改進。

4 實驗課程的設(shè)置

在教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上設(shè)置實驗課程。實驗課程建設(shè)包含基本實驗和綜合實驗。基本實驗使學(xué)生掌握重要的單一實驗技術(shù)，綜合實驗培養(yǎng)通過各種實驗技術(shù)的綜合運用，了解各種技術(shù)的特點和材料表征在材料組織結(jié)構(gòu)分析中的基本方法。基本實驗和綜合實驗的要求促進了實驗室的建設(shè)。實驗課程的建設(shè)的基礎(chǔ)和內(nèi)容如圖3所示。例如，在“材料組織結(jié)構(gòu)的表征”課程中，金相樣品的制備和常見組織的分析、X射線衍射的物相分析和宏觀應(yīng)力分析、透射電子顯微鏡中的電子衍射和明、暗場成像、掃描電子顯微鏡中的二次電子和背散射成像屬于基本實驗。對于開設(shè)多個綜合實驗，讓學(xué)生分組自由挑選，我們學(xué)院正在制定和籌備中，這涉及大量的實驗課時和實驗人員的配備。例如，一個綜合設(shè)計的實驗樣品是高強度鋼，它是由馬氏體和殘留奧氏體組成，其中馬氏體是體心立方結(jié)構(gòu)，奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)是材料中最常見的結(jié)構(gòu)。高強度鋼的樣品由學(xué)生自己制備金相樣品，包括腐蝕劑的選擇，在光學(xué)顯微鏡下能辨別兩種組織的形貌，但不知道兩種組織的結(jié)構(gòu)。然后學(xué)生通過X射線衍射確定兩種結(jié)構(gòu)的存在，但無法知道兩種結(jié)構(gòu)的形貌；最后學(xué)生通過電子衍射和明、暗場成像，不僅可以知道兩種結(jié)構(gòu)，而且可觀察到它們的形貌。這種綜合分析的方法不僅使學(xué)生了解三種實驗技術(shù)的特點，也了解了科研中基本分析的方法。這個綜合實驗至今尚未實施，主要問題在于基本實驗課時外尚需安排出綜合實驗的課時以及配備相關(guān)實驗的人員。

圖3 實驗課程建設(shè)的基礎(chǔ)和內(nèi)容

實驗課程的建設(shè)有效地促進了教學(xué)實驗室的建設(shè)。為了滿足基本實驗的要求，學(xué)院從985和211項目中獲得300萬元的資助，增補了金相顯微鏡和金相樣品制備設(shè)備，可滿足6人一組自己動手的實驗。對于大型設(shè)備，如X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，目前只能借用公共開放實驗室平臺中的儀器，作為實驗演示。對于簡易的X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡作為教學(xué)專用，能讓學(xué)生自己動手操作，學(xué)院正在醞釀之中。

5 結(jié) 語

課程建設(shè)是教學(xué)改革的重要組成部分，它從教學(xué)大綱的確定、教材的編寫，實驗課程的設(shè)置直至課程網(wǎng)站的建立，需要幾年的時間，甚至更長的時間。編寫具有特色的教材是課程建設(shè)的核心，需要編者花大功夫、大氣力，不僅要提煉章節(jié)內(nèi)容，而且要精心錘煉文字。而實驗課程的建設(shè)更具困難，這需要大量的人力和物力的投入。

建設(shè)精品課程是我們所追求的，也是教學(xué)改革的重要舉措，但它不可能一蹴而就。因此，最后以32字來總結(jié)我的淺薄體會：

課程建設(shè)，欲鑄精品；

教材編寫，其為核心；
實驗改革，尤知艱難；
網(wǎng)站配套，最后一拼。

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