《材料科學基礎》教學改革初探

陸盤芳,朱樹華,李厚深

(山東農業大學 化學與材料科學學院,山東 泰安 271018)

材料是人類文明進步的里程碑。縱觀人類發展史，每一種重要材料的發現和利用，都給社會生產力發展帶來巨大變革，把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平。當前，材料已成為與能源、信息并列的現代科學技術三大支柱之一[1]。隨著材料科學與工程學科迅速發展，各高校深刻認識到現代社會對材料學方面人才的需求，紛紛設立材料學院或開設相關材料類專業，并開設材料相關課程，如：《材料科學基礎》、《材料化學》、《材料結構與性能》、《功能材料》以及《材料合成與制備技術》等。在這些材料專業課程中，《材料科學基礎》作為材料科學與工程類專業學科中一門重要的基礎課程，是相關材料學學科的基礎和媒介，起著公共基礎課與專業課程之間的紐帶作用，不僅得到了廣泛開設，而且隨著各學科相互交叉融合，其地位更加凸顯。

山東農業大學作為山東省首批五所應用基礎型特色名校之一，2002年10月成立了化學與材料科學學院，2004年開設了材料化學本科專業。近年來，學院以培養適應化學與化工行業發展要求的復合型、應用型人才為目標，深入調整了材料化學專業的課程設置和培養方案。特別是對作為主干課程的《材料科學基礎》，從教學內容、方法和手段等方面提出了新的更高要求。筆者在多年從事《材料科學基礎》教學工作中，圍繞實現該課程教學目標，立足更好適應材料科學發展現狀、學校培養方案變化和學生實際需求，從教學內容、教學方法、教考結合等方面，進行了一些積極探索和實踐，并取得了一定成效。本文在充分進行文獻調研的基礎上，結合多年教改工作實踐，對材料科學基礎課程教學工作進行了認真梳理和深入思考，并提出了一些對策，以便為改善材料科學基礎課程的教學質量、提高教學效果和學生動手能力提供指導[2]。

1 《材料科學基礎》教學改革的必要性

1.1 適應該課程的發展變化和現實需求，迫切需要進行教學改革

《材料科學基礎》是一門傳統又新興的課程，主要闡述固體材料的結構和性能以及它們之間的相互關系，主要包括材料的質點間結合方式及相互作用、質點的空間排列特點及規律、典型固體聚集態結構、結構缺陷及運動規律、表面與界面相關的理論和現象、固體的擴散和相圖與相變等內容，屬于典型的交叉學科范疇，涉及數、理、化、生等多個領域，基礎性、理論性強，知識點多。同時，隨著科技的不斷進步，各種新材料、新工藝、新技術、新理論的不斷涌現，都需要及時納入新的教學內容[3-5]。因此，為了兼顧好教學內容的新穎性、理論性和教學方法的不定期變革性，迫切需要對該課程進行教學改革。

1.2 破解教學內容多、授課時間少的矛盾，迫切需要進行教學改革

由于材料學專業涉及面廣，材料科學基礎內容多且抽象，學生在學習過程中普遍反映不易理解，抓不住重點，是大家公認的高校中比較難學習的專業和課程之一。同時，由于受大學學時所限，各高校在材料學專業課程設置時，普遍存在"內容多、課時緊"的矛盾。《材料科學基礎》課程，按許多教材編寫內容來看，授課時間一般不少于120學時，而縱觀全國各大高校材料學專業設置，《材料科學基礎》通常為54學時，個別為72學時。山東農業大學材料化學專業的《材料科學基礎》設置為56課時。但這并不意味著材料化學專業對《材料科學基礎》的要求低，而是由于材料化學專業課程多、學時緊等原因導致的無奈之舉。學時少造成學生對《材料科學基礎》的知識掌握比較膚淺，很難系統掌握材料科學基礎的本質，也在一定程度上影響了后續相關材料學專業課的學習。與此同時，材料科學基礎相關實驗課時，也需要精簡和壓縮，導致學生的動手能力得不到有效鍛煉。

由于《材料科學基礎》課程教學面臨的諸多矛盾，嚴重影響到了該課程教學目標的實現和材料學專業學生基本知識的掌握，對該課程教學進行適當改革，不僅勢在必行，而且迫在眉睫。

2 《材料科學基礎》教學改革的探索與實踐

2.1 改革教學內容，優化課程設置

《材料科學基礎》經過幾十年的發展，內容已經相當豐富，而且還在不斷更新。如此龐大的內容，要通過短短的56學時來完成全部教學內容幾乎是不可能的。因此，精簡教學內容是《材料科學基礎》教學改革必須進行的環節。我們結合材料化學專業對《材料科學基礎》課程的要求，結合本專業其它課程設置，按照"精簡內容、突出重點、強調相關"的思路，對材料科學基礎教學內容進行了改革。

所謂“精簡內容”，主要是針對材料化學專業特點，將總體教學內容精簡為“三大模塊”，并將相關內容進行了量化。第一模塊為晶體結構和結構缺陷，包括各種晶體的空間結構和缺陷形式。這部分是材料科學的基礎知識和基本理論，也是材料科學基礎學習的重點，通過學習可以使學生初步了解固體材料的本質。同時，為了配合學習，適當增加了材料科學基礎的X衍射、透射電鏡等基本表征手段的學習，這一模塊內容約占總學時的30%；第二模塊為金屬、無機材料和高分子材料結構，包括基本理論知識和典型材料實例的介紹，通過三大材料的實例闡述材料的制備、化學組成、結構、性能之間的關系，從而為材料的開發、生產和使用提供理論基礎，本模塊內容約占總學時的40%；第三模塊為表面結構、擴散和相圖，包括材料表面與界面的結構與性質、固體中的擴散、相平衡與相圖等。本模塊內容約占總學時的30%。

所謂“突出重點”，就是突出抓好材料四要素教學，即講授清楚材料“組成、結構、性能與效能”以及它們之間的關系。以材料四要素為主線索，對各個知識點進行深入淺出地講解，使學生能夠由點及面地理解每一個"概念"，觸類旁通地認識每一種“材料”。例如，在講解單質碳的晶體結構時，列舉富勒烯、碳納米管、石墨和金剛石等不同碳結構的材料，介紹在不同熱力學條件下石墨和金剛石晶型的轉變，以及晶型轉變對材料結構和性能的影響。

所謂“強調相關”，就是在教學中適當引入相關的前沿新知識，擴充學生對新材料、新工藝的認識面，并給學生一個正確的方向進行獨立思考，以便于在進一步的學習中做到事半功倍。例如在講授表面概念時，引入納米的概念以及納米材料表面的性質，介紹納米材料的起源、結構、性能等知識，讓學生了解目前國內外相關領域的最新發展研究狀況。通過相關的最新研究成果引發學生學習材料科學基礎的興趣。

2.2 改革教學方法，提高教學效果

《材料科學基礎》看似寬泛簡單，但全面掌握起來難度相當大。特別是在有限的教學時間內，要讓學生跟上上課節奏、領會知識要點，必須改革傳統的灌輸式教學方法。

(1) 充分利用多媒體教學手段，化抽象為形象。《材料科學基礎》具有內容多、概念多、理論抽象的特點，依靠傳統的"粉筆加黑板"的教學方法，教師講清楚、學生聽明白都比較費力。如何改進教學手段，把課程內容更形象更生動地展示出來，化抽象概念為形象描述，提高直觀性、增強吸引力，成為該課程教學改革的一個重點。隨著多媒體技術的快速發展和教學設施的不斷完善，為我們提供了事半功倍的途徑。通過制作簡單易懂的多媒體課件，利用形象逼真的動畫形式，將抽象復雜的材料內部結構形態，從靜態到動態、從平面到立體、從單色到彩色地進行變化演示，不僅極大的豐富了《材料科學基礎》課程的教學信息量，擴充了教學內容，而且有利于幫助學生迅速建立空間概念，正確理解材料微觀結構的特點和性能之間的關系[6]。比如，晶體的空間結構、位錯的復雜形態、擴散的動態變化、相圖的空間模型等，我們通過計算機豐富的色彩、圖像和動態演示功能，可以方便地展現并區分，非常直觀、簡便，既節約了大量課堂時間，又提高了教學效率和學生的學習積極性，取得了顯著的教學效果[2]。

(2) 充分利用雨課堂教學模式，讓教與學全程在線。當前，正在蓬勃發展的雨課堂教學模式，具有教學過程數據化、學生學習過程化、教學資源存儲化的特點，不僅能夠實現"課前預習-課上參與-課后復習"的全方位教學，而且可以實現課堂簽到、隨堂測試、課堂互動、實時教學反饋、過程考核、翻轉教學等獨斷功能。為了破解該課程“課時緊、任務重、互動少”的問題，我們充分利用雨課堂教學模式，采用“討論式”、“參與式”、“研究式”等方法引導學生學習。講授新課之前，結合與理論相關的名人典故、科研成果以及實際產品，提出需要解決的問題，提前通過雨課堂推送到學生手機，引導學生對授課內容進行課本預習和網上檢索，提高學習興趣。比如，引入"美國大學生發明的不留污漬的新型T恤衫"案例，引導學生積極探討該產品的創新點是什么？不留污漬的原理是什么(用到《材料科學基礎》中第六章的"表面與界面"的基本知識)？解決了什么問題？使學生學會在學習中提出問題、分析問題、解決問題，讓課堂互動永不下線，提高學習實效。

(3) 堅持理論聯系實際，更加注重實驗教學。《材料科學基礎》課程是一門與實驗和工程實踐緊密相聯的學科。強化課程實驗和實踐環節教學，可幫助學生鞏固和加深對理論知識的理解，掌握基本實驗技能，培養理論聯系實際，自己動手分析、解決實際問題的能力。但長期以來，《材料科學基礎》開設的實驗，大多是一些驗證性實驗。為了培養學生的動手能力，我們在加強實驗實踐的教學改革中，采取實驗教學課程建設與學院平臺實驗室建設和教師科研實踐相結合的方式，推進了課程實驗實踐教學的全面提高。將實驗內容進行了擴充。一是保留了部分驗證性實驗，培養學生掌握材料科學的基本實驗技能和相關基礎知識，學會觀察實驗現象和分析實驗數據[6]；二是增設了部分科研型實驗、開放型實驗。"科研型實驗"，就是讓學生跟隨老師進行科研項目的研究，在科研中體會消化所學的理論知識。例如，結合教學科研實踐，我們讓部分學生參與了"農作物秸稈可降解膜的研制與性能研究"，并讓其在課堂上與大家進行了交流。通過探討，大家對生物質資源，秸稈薄膜的成膜性和耐水性，以及在食品及農業領域的廣泛應用前景都有了深入理解，既讓學生了解了前沿科學，又讓學生加深了材料科學基礎理論知識。“開放性實驗”，就是讓學生自主選擇與課程相關的實驗，自行設計實驗方案，完成實驗報告[7]。例如，我們開設的“層狀雙氫氧化物的制備與性能研究”，涉及到粘土的晶體結構、陰離子交換容量、膨脹性、熱性能、有機改性等。在教師指導下，學生首先合成粘土，然后通過分析粘土的結構與性質、并對改性前后的粘土進行結構性能分析和對比，最后對實驗結果進行數據處理等，加深了材料的成分、組織結構、材料制備工藝、材料使用性能之間有著相互依存、彼此影響的復雜關系的理念，有效地調動了學生的主觀能動性，激發了學生的創新意識，使學生在提高實驗動手能力的同時，又進一步鞏固了課堂教學內容。我們還注重指導學生積極申報創新創業項目和承擔相關科研項目。如，2018年，我們指導學生申報的“肥料的新衣：可降解的剩飯菜包膜材料”項目，獲得了省級獎勵。目前，我們材料化學專業的學生，參與申報科研項目的熱情越來越高，項目質量也越來越好，部分同學還發表了較高質量的科研論文或者申請了相關專利。

2.3 改革考試方式，堅定育人方向

課程成績考核，既是對學生學習成果的檢驗和評價，也是課程教學改革的風向標和指揮棒。但是光靠傳統的、單一的期末考試，也容易讓學生臨陣磨槍、死記硬背，“走捷徑、吃巧糧食”，往往試卷的完成情況不能全面客觀地評價學生的學習成效。因此，考試方式因循守舊，教學改革也只能是紙上談兵。為了改變這一狀況，我們針對《材料科學基礎》的教學特點和內容，嘗試推進考核方式的多元化。在考核中，把材料科學基礎的總成績分為三部分。一是期末閉卷考試，占總成績的60%，主要突出課本的基本內容，通過相當數量的客觀題，來考察學生對所學基本理論的掌握情況，通過一些主觀題，來考察學生對材料科學基礎知識點的應用情況；二是平時成績，占總成績的20%，主要考核平時學習參與度，包括到課情況、課堂筆記、回答問題情況、作業完成情況和單元測試等；三是實驗實踐情況，占總成績的20%，主要是在實際操作中，考察學生的動手能力和對課本內容的理解能力、應用能力。通過這種考核模式的改革和調整，既注重學生日常課堂學習，更注重培養學生的創新能力和綜合應用能力。