以創新為目的的民族高校材料科學與工程基礎課程教學模式的探討 *

孫 朗，張愛清

(中南民族大學 化學與材料科學學院，湖北 武漢 430074)

*收稿日期：2013-12-20

引言

材料科學是一門較新的學科，直到20 世紀50 年代末才被明確提出，是以揭示、研究固體材料性質規律為主的一門科學。進入21世紀，材料科學已經與能源科學和信息科學并列為現代科學技術的三大支柱。“材料科學主要包含兩個方面：一是對材料內在規律的發現、分析、研究、認識，二是對材料進行設計及控制，已達到應用的目的。”[1]由于材料科學將材料作為研究對象，因此其對國民經濟的發展進步以及高新技術的發展都有著極為重要的意義。但是“形勢比較嚴峻的是伴隨著新材料產業的迅猛發展，我國缺乏具有創新性、自主知識產權的關鍵技術，新材料產業的發展基本上‘受制于人’。”[2]創新是一個國家和民族進步的動力之源，新時代所需要的人才類型是多樣化、個性化和具有創新精神的。作為教育體系中最重要的一環，如何培養學生的創新精神并激發學生的創造性是大學教育所必須直面的問題。因此，為了滿足當前社會各方面的需要，培養和造就全面型、綜合型、智能型、創造型材料類高素質人才是當下材料類高等教育的核心目標。

不能否認，隨著科學技術的發展，民族高校“材料科學與工程基礎”課程的教學在新的歷史條件下面臨著前所未有的挑戰，碰到了許多難以回避的新問題和新情況，傳統單一的“灌輸式”教學方法，不利于培養學生在實際生活中解決問題的能力。這里作為材料相關專業重要基礎課程之一的“材料科學與工程基礎”正面臨著以加強基礎、拓寬專業知識面和加強實踐訓練為主要目的課程改革。如何在民族高校材料科學基礎課程的教學中培養學生的創新能力，成了教學改革的重要課題。為切實解決這些問題，切實鞏固和提高教學質量，筆者結合自身在中南民族大學的授課經驗，探討“材料科學與工程基礎”這門課程的教學模式，并對民族高校中“材料科學與工程基礎”的教學進行探討。

一、民族高校“材料科學與工程基礎”特點與教學現狀

民族高校的學生多數來自少數名族地區，由于我國經濟文化發展的不平衡以及民族文化的差異，民族地區的教育條件及教育水平相對較為低下，實踐教育環節的缺失十分嚴重，因此絕大部分少數民族學生理論基礎相對較為薄弱，底子差，他們對抽象理論的理解較為困難，創新意識和實踐能力較差。由于民族高校生源60%以上都是以來源全國各個地區的少數民族學生為主體，因此存在著學生入學成績分數差異較大，基礎薄弱，貧困生較多，學習情緒與狀態不穩定等實際情況。民族高校學生由于風俗習慣、語言文化等方面的差異，他們往往產生心理上的恐懼，不愿意與其他民族學生交往，他們學習積極性和主動性都有待提高。如何培養民族高校學生成為具有扎實的學科基礎、富有創新精神和豐富實踐能力，是擺在我們面前的一個長遠課題。

以中南民族大學為例，該校是華中地區最重要的部屬綜合性院校，直屬國家民委事務委員會，具有學士、碩士及博士學位的授予權，是為國家培養高素質、應用型人才的重要基地，同時也是研究與展示我國民族理論和民族政策的重要基地。在進行“材料科學與工程基礎”這門課程的教學時，筆者鑒于上述民族高校學生的生源特點，一般高校的教學方法無法適應課程教學的需要。不論是對漢族學生還是少數民族學生而言，創新應該是人才培養的永恒目標。面對基礎參差不齊的教學對象，如何調整教學思路，建構符合民族高校、并以加強基礎、注重創新能力培養為目的的教育教學模式，是目前面臨的最大難題。鑒于該課程對材料科學相關專業人才運用理論知識解決實際問題的能力的培養、創新能力的培養、科學思維方法的培養和整體知識結構的構建具有奠基作用，結合我校的實際，筆者把“材料科學與工程基礎”課程定位為基礎理論知識與實踐應用過渡的橋梁，從教學方法和教學內容兩大方面進行了改革與優化整合。力求使學生通過對這一課程的理論學習，在掌握材料科學基礎原理的基礎上，學會運用這些基礎理論知識來解決實際問題，并為將來工作過程中研究創造新材料和新工藝打下良好的基礎。

二、民族高校“材料科學與工程基礎”課程教學模式優化

“材料科學與工程基礎”課程建設和改革的指導思想是在滿足應用型工科專業的人才培養目標及模式的基本要求前提下，按照“基礎適度、口徑寬廣、應用為先”的教育理念，向高年級本科生詳細介紹材料結構的基礎知識、不同種類材料的組成和結構、材料的性質和制備加工等方面共性和特性的一門基礎學科。但是，由于材料科學作為一個綜合性學科的特點，該課程涉及到從物理學到化學，從金屬學到高分子等多個學科，內容涉及面積極為廣泛，因此，對學生的相關基礎知識的掌握有著較高的要求。然而由于課時限制等客觀因素，教師只能在課上對相關知識點進行簡單介紹，而無法對其進行深入討論。體現課堂上則表現課程內容多為概念和規律的講述，不同章節之間跨度較大，知識體系的難以構建，這導致學生普遍感覺此門課程的教學內容枯燥、抽象、難學。考慮到目前的教學現狀，筆者認為從教學方法和教學內容兩方面進行教學模式的優化勢在必行。

1.教學方法的優化

教學方法直接影響著教學質量和人才的培養，科學的教學方法可以有效地培養學生的創新意識，并增強學生的創新能力。由于“材料科學與工程基礎”本身的特點，其課程以相關知識的介紹為主，傳統的教學方式主要是以教師為主導開展的，導致了在授課過程中容易陷入以教師為主的“滿堂灌”的模式。這樣不僅不利于學生對知識的掌握，還極大壓制了學生自主創新能力的發展。筆者認為，應從以下三個方面進行教學方法的改善。

第一，貫徹“教為主導，學為主體”的原則組織課堂教學，采用啟發誘導式的上課模式。在“材料科學與工程基礎”的課程中，結合課程內容通過啟發誘導式教育可以有效地引導學生思考，從而促進學生創新思想的涌現。啟發誘導式教育還以加強教師與學生之間的互動，有助于提高學生的學習興趣和積極性。我們知道，“材料科學與工程基礎”這門課程的教學主線是通過從對原子的介紹開始，進而對原子組成的分子或晶胞結構進行講解，并在此基礎上對不同材料的顯微結構進行分析，并最終對材料的性質給予歸納總結，那么在授課時，老師可以先提出問題：如果世界末日到來了，只可以留下一句話給后來人，那么你們選擇那句話？在學生討論的基礎上，老師給出答案：物質是由原子構成的，從而引出教學內容。在介紹晶格結構時向學生提問：物質中原子既然有相互之間的作用力，那么它們怎么待在一起？回答這個問題同時既可以將晶格內容引出，也可以為之后對非晶材料講解埋下伏筆。在對晶格介紹過程中對比金剛石和石墨的巨大不同，亦能進一步引發學生的興趣，促進學生的討論和思考，并與學生形成互動。

第二，在啟發誘導式的上課過程中，開展討論式教學，特別是在教學過程中當學生們對某個問題持不同觀點時開展，將單一課堂教學轉為多形式的互動交流。具體措施是將學生按班級分成幾個小組，提前給每一組分配一個問題，先讓學生互相討論，發表自己的看法，共同完成對這個題目的討論， 然后在之后的課堂上，每組選一個代表給全體同學講解本組對這個問題的看法。老師將會對同學們的表現進行客觀的評價，并引導學生在討論中加深對題目所涉及的理論知識的理解。讓學生在思考和討論的基礎上發現和提出問題，一方面有利于學生加深對基礎知識的掌握，調動學生學習積極性，使他們由單純的知識接受者變為主動的探索者，另一方面更是有助于鍛煉學生的語言表達能力和邏輯思維能力。再如，教師在課堂可以為學生提供一些諸如“為什么歐洲會全身鎧甲而中國沒有”或者“黑四代為什么是黑色”之類的討論題目，來鍛煉學生自學能力、培養學生分析問題與解決問題能力，同時加深學生對所學知識的理解與應用。當然，教師也必須預留充分的時間來組織討論式的課堂講授，在授課過程中，注意復習和總結，理清重點和難點以及各知識點的聯系和區別，學生也能在討論的過程中提出問題、發現難點，這樣的課堂才是有生命力的、活躍而有效的。

第三，傳統“板書”教學與現代多媒體教學的完美結合。不同教學內容的講解決定了教師將會采用不同教學手段。對于一些基本理論和公式的講解應使用板書方法，傳統的板書講解不僅能讓學生全程見證理論和公式的推導，更可以通過給予學生充分的理解反應時間來強化記憶。可以說，教與學之間的互動在傳統的板書過程中體現得更為明顯。對于復雜的圖示演示，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等可以多用多媒體的三維動畫來更形象和生動地進行來演示，學生通過簡單化、通俗化的虛擬形式深刻理解和掌握抽象的理論，大大激發學習的興趣，同時也加強了課本知識與實際生活的聯系。但凡事過而不及，多媒體教學只是一種手段，如果在授課過程中大量采用多媒體教學，則有可能導致師生情感交流減少，教師無法很好地掌握學生的心理動態。另外如果一味地應用多媒體授課，學生也會因為課件變化快、公式過多而難以消化，大大降低學習積極性。因此，在材料科學基礎的授課中，應將多媒體課件與板書結合授課，取長補短。

2.理論教學內容的優化

“材料科學與工程基礎”是學生全面接觸專業領域、從基礎課到專業課的過渡課程，具有概念多、學科知識面寬、應用基礎理論廣的特點，有相當的難度。”[3]目前，中南民族大學的材料科學基礎課程使用的是由化學工業出版社出版的顧宜主編的《材料科學與工程基礎》。這一教材基本內容基本概括了從結構基礎到材料的制備與成型加工各個方面的基本知識，但是該課程的教學僅安排了36個學時，導致在教學中授課內容的深度與廣度之間巨大的矛盾。中南民族大學作為民族類一本院校，其化學與材料科學學院中專業是按二級學科進行課程設置，“材料科學與工程基礎”作為材料化學專業以及高分子材料與工程兩個專業的基礎課程。雖然材料化學與高分子材料與工程專業培養方案上具有一定的相似性，但由于材料化學專業特點對 “材料科學與工程基礎”課程的理論知識有較好的基礎，但對材料的制備以及成型加工了解較少；而高分子材料與工程專業則對包括量子力學基礎在內的相關知識在其它課程中并沒有涉及。然而，社會需要的人才正向著復合型人才發展，材料學科也正向著功能型和復合型的方向發展，因此為了滿足社會對材料類人才的要求，培養人才應具有大材料專業的理論基礎，同時考慮中南民族大學化材學院的特色，故必須對材料科學基礎的教學內容進行合理的優化和整合，構建具有自己特色的化學科學材料基礎的教學。

材料科技基礎課程內容十分豐富，其核心在于對結構的認識以及結構對性能的影響。材料科學的性能是由結構決定的，而結構的體系龐大，各部分具有各自的特點，對于學生而言，會感覺這些結構與性能的概念，公式多，他們之間好像缺乏一條將各個方面的知識聯系起來的主線。因此通過教學內容的精選和章節順序的安排，搭建一個合理的材料科學基礎的教學平臺，就顯得尤為重要。根據中南民族大學材料化學專業以及高分子材料與工程專業材料科學基礎課程的培養目標，對教學內容進行了優化整合，將課程教學內容分為三部分，第一部分材料結構部分，主要是介紹如何從原子組成各類材料的內在規律，材料結構上的變化規律以及不同材料在結構上的特點；第二部分材料性能部分主要介紹材料的相關性能以及材料性能與結構之間的關系；第三部分材料制備部分，介紹各類材料的制備方法以及金屬和高分子材料的成型加工工藝。對高分子材料與工程專業學生而言，需要較多的時間在第一部分來補全相關知識的不足，而最后一個部分的講授內容可以相對減少，而對材料化學專業學生而言則是相反。

另外，材料科學基礎這門課程與材料領域最新的生產科研緊密相連，因此在傳授課本上理論知識時，有選擇地將材料領域一些新的研究成果引入課堂，使教學內容緊跟學科發展前沿，將有助于開闊學生知識視野，增強學生對這門課程學習的興趣，也使課堂增添活力。如在講金剛石和石墨的晶體結構后補充講解碳納米管和石墨烯的結構，在講授固體表面結構時可補充介紹表面對材料催化性能的影響。還可以通過一些量子計算軟件引入課堂，比如在講授成鍵時將采用DFT軟件計算離子晶體(NaCl)、共價晶體(金剛石)以及金屬(Al)的電子分布展現給學生，或能帶結構與導電性能的關系時，將采用DFT軟件計算得到的典型的導體、半導體，以及絕緣體能帶結構展示給學生，這樣不僅使學生對相關理論知識有了較為直觀的認識，同時還提高了學生的科研興趣。在教學中，教師也可以講授自己的科研成果和相關領域當前的科研發展動態，將教學與科研結合起來能很大程度上激發學生的學習積極性，讓學生強烈地感受到科學發展的脈搏和動力，同時提高學生的創新動力。

另外，嚴格的教學機制的建立也很重要，包括前期制定和執行授課計劃、備課教案、教學日志、課堂作業考試方式等。傳統的考試方式以試卷考試為主，導致很多學生考試考死記硬背，很難真正掌握所學知識，更不用說對知識的靈活運用，還應考核學生探索知識和運用知識的能力。可以包括三個方面：一是學生的平時成績，包括學生的出勤率、課堂上參與討論和作業完成的情況；二是學生獲取知識的能力，包括課堂的討論的活躍度。三是期末考試，其中基礎理論知識占50%，應用分析占30%，綜合占20%。

結語

近年來，國家把新材料列為重點支持行業，新材料作為高新技術的基礎和先導，已經顯示出良好的發展前景，各種新材料、新工業也不斷出現并投入實際應用。為適應經濟發展，解決目前客觀存在的尖銳的畢業生供需矛盾，培養具有較強的理論基礎、能滿足實際應用需要的創新性人才，使材料學科的畢業生能更好地適應社會，為產業界服務，成為民族高校學生創新精神和創新能力培養系統最重要的目標。基于民族高校的辦學培養目標、專業現狀以及學生特點，筆者認為，通過以上教學改革方案的實施，教學方式由教師啟發誘導式講解與學生討論有機結合，利用傳統板書教學與多媒體教學相結合，并對教學內容進行優化整合，能夠讓學生在有限的教學課時中掌握和理解理論性較強的專業基礎課的核心內容，并激發學生學習材料科學基礎的積極性、主動性。面對新的歷史機遇與挑戰，要想培養民族高校學生強烈的創新意識和一定的創新能力，需要轉變觀念，針對學生特點建立一套創新人才的教學體系，并為他們提供能夠實現創新的學習氛圍和進行創新實踐的舞臺，才能為民族高校的發展和材料型人才的建設做出應有的貢獻。

參考文獻：

[1] 代凱. 大學本科材料科學基礎課程教改初探[J]. 牡丹江師范學院學報(自然科學版)，2011，(1)：66.

[2] 李義春. 中國高校材料教育現狀與面臨的挑戰[J]. 材料導報，2005，(2)：4.

[3] 王章忠，張祖鳳，巴志新. 應用型本科《材料科學基礎》課程建設與改革[J]. 南京工程學院學報，2005，(2)：66.