應用型高等教育下《材料科學基礎》課程改革和教學方案設計研究

魏薪 王琳 呂建國

摘 ?要：《材料科學基礎》是材料科學與工程專業的基礎課程之一，也是該專業研究生入學考試專業課之一，有著重要的地位。為適應高等教育改革的要求，結合應用型本科教育的特點，通過剖析目前課程教學存在的問題，提出以“夯實基礎、注重應用”為指導方針的教學方案，并從教學內容、教學方法和考核模式等幾個方面展開探索，為材料科學與工程專業的教學過程提供新思路和新方法。

關鍵詞：材料科學與工程;材料科學基礎;應用型本科教育;課程改革

在現代科學技術中，材料科學是國民經濟發展的三大支柱之一。近年來，我國在材料領域的發展突飛猛進。目前，國內眾多知名高校已經開設了材料科學相關專業，如清華大學、北京科技大學等開設了金屬材料學科;北京化工大學、浙江大學等開設了高分子材料;西北工業大學、中南大學等開設了材料加工學科等。2016年，合肥師范學院成功獲批了材料科學與工程專業，并開始招生。作為應用型高校，該學科的建設處起步階段，雖經過3年的教學實踐，但在專業課程設置、教學方法以及考核模式等方面存在很多的問題亟待解決。

1課程教學的問題剖析

材料科學與工程是研究材料的成分、組織結構、制備工藝和使用性能以及四者之間相互關系的學科，因而將成分、組織結構、制備工藝和使用性能成為材料科學的四要素，把四者聯在一起就構成了材料科學四要素的四面體結構，如圖1所示。《材料科學基礎》這一門課程便是以材料科學四要素為主要內容，從教學要求出發，著重于基本概念和基礎理論，并引導學生應用理論解決材料工程中的實際問題。該課程中材料學知識十分復雜，理論性強，涉及大量的名詞、概念等等，要求學生具有扎實的數學、物理和化學基礎。而對于我校本科生而言，大多數同學數理化基礎比較薄弱且在學習該門課程之前并未系統的學習過無機化學、物理化學等課程，因此在教學過程中會產生一系列的問題，主要表現為以下幾個方面：第一，該課程的部分內容理論性強且難度大，涉及大量的數學推導過程和復雜的文字解釋，使同學們難以理解和識記，因而易產生抵觸情緒，教學效果不理想。第二，在國內大部分高校，包括我校，目前該課程的教學方式仍以板書與多媒體教學相結合的方式。這種教學方式以文字、公式推導和曲線圖為主，圖片、視頻等影音資料很少，使得學生上課期間缺乏興趣，難以集中注意力;第三，該課程的考核模式以考試為主，且占比很大。考試內容多以課本上的概念、定理以及理論計算為主，應用類題目較少涉及，因而難以達到指導學生應用已學知識解決實際工程問題的教學目標。第四，目前國內外材料科學發展更新迭代較快，新材料、新技術、新工藝層出不窮，書本上的內容較為有限，在教學上應用部分課時講授材料前沿發展方向及應用，為學生就業及科研提供參考，培養學生的創新思維。第五，材料科學具有理論知識與應用廣泛結合的性質，在教學上，應該適當培育學生們的科研及實踐能力。因此，基于以上教學經驗中出現的問題，結合材料科學的特點，本文將以“夯實基礎、注重應用”為指導，探索該課程在教學內容、教學方法和考核模式等方面上的優化設計。

2課程教學的改革措施

2.1夯實理論基礎

材料科學基礎涵蓋較多的基礎概念，這些概念與科學研究及實際應用都有深刻的聯系。基礎知識的掌握程度對于學習材料科學非常重要。無論是前沿研究還是基礎應用，都需要有扎實的基本功。如利用高分辨透射電子顯微鏡研究材料結構時，需要掌握材料中原子排列的相關知識，包括晶面指數、倒易空間等;針對材料的拉伸或壓縮過程，需要掌握材料的彈性模量、屈服強度。同時，相關概念不僅僅只用于某一個領域，如關于材料結構，即可用于分析材料的相變，又可用于分析二維材料的電磁性能。原子的擴散，即可用于研究金屬的熱處理，又可用于研究鋰離子電池。材料科學基礎的相關概念復雜難懂，且課時有限，教師在授課時應將相關概念的背景、定義及應用講清講透，確保學生理解和掌握，積累扎實的理論基礎知識。

2.2培養實踐能力

材料科學基礎是一門理論知識與實踐相結合的學科。其中，相關內容是從實踐的基礎上總結提煉得到的，如材料的相變，相圖的制作是根據各個成分及溫度下，進行熱處理得到的結果。本科生僅僅學習書本上的內容，很難建立起直觀的認識。在課程學習初期，教師應將材料科學基礎的理論知識與實際應用相結合、抽象概念與具體圖像相結合，以直觀性的事物或圖像引導學生對抽象性的理論進行掌握。如在學習晶體結構時，可用實物模型展示晶體的FCC、BCC等結構。在講解原子擴散時，提示學生通過想象構建原子在材料中運動的圖像。

同時，為使學生更加全面的理解所學內容，建議學校開設一定學時的實驗課程，如材料的熱處理過程、材料的力學性能、材料的微觀結構等等。使得在提升運用理論知識分析解決實際問題能力的同時，進一步鞏固自己的知識體系。此外，本學院的教師均有科研經歷，研究方向各有側重，如計算材料學、太陽能電池，催化、二維材料等等，有豐富的實驗經歷及理論知識。因此可以鼓勵學生在課外時間積極參與到教師的相關課題研究中，針對發現的問題，結合所學內容加以分析，進一步加深對知識的理解與應用。

2.3豐富教學方法

首先，科學合理控制每課時授課量。確保知識點高質量的被學生吸收，而非對學生進行數量上的灌輸。其次，調節授課內容的輸出速率。通過板書、調節語速等方式，在難點、重點如材料中的缺陷、擴散等知識點上講懂講透，使學生對所學內容充分吸納和梳理。再者，利用多種方法將相關概念實物化、圖像化。在學習材料的結構時，可以通過硬球模型展示材料中FCC，BCC等簡單晶體結構。在學習材料的力學性能時，可以利用多媒體技術，展示材料在受到壓縮或拉伸時的變形過程。此外，利用現狀網絡技術進行學習。利用微信、QQ等網絡技術，建立課堂內容學習交流群，以便及時上傳教學內容、作業，分享參考書目，解決問題等。讓學生充分利用課余時間主動學習，及時解決遇到的問題，進一步提高授課效率。

2.4把握學科前沿

近幾年，材料科學發展日新月異，前沿熱點難點時常更新，新材料、新技術、新工藝層出不窮。然而書本上的內容較為有限，針對材料科學的前沿進展，在課堂教學時應設置部分學時介紹材料科學相關進展，講授基礎知識在相關領域的應用，啟發學生的創新思維，為學生就業及科研提供參考。結合現有條件，可以邀請相關領域教師來校開展專題知識講座，講解本領域的研究現狀、前沿進展。授課教師也可以利用網絡技術，建立微信群或者微信公眾號，向學生推送材料領域最新發布的成果，文獻或者方法等等，營造良好的學習氛圍，培養學生對材料領域的興趣。

2.5完善考核方式

目前，對于材料科學基礎的評分方法，總成績中期末成績占到70%，平時成績占30%，其中在平時成績中平時作業占主要比例。由此可以看出最終成績主要取決于期末考試的成績，而平時成績主要取決于平時作業。結合教學經驗發現以下問題：①關于期末考試。僅僅只在期末考核一次，會造成學生在期末階段突擊學習，而忽視了平時的積累;②關于平時成績。平時作業在總分中占據20%左右的比例。學生往往偏重平時作業，而忽視其他課堂表現。教師難以對每個學生的課堂表現作出準確評價;③材料科學是一門實踐性和應用性較強的課程，在本課程的教學過程中缺乏相應的實踐課程。因此難以培養學生的實踐能力。鑒于以上因素，可以在材料科學基礎一課的成績評定制度上進行如下改進。

一是引入階段性考核。首先，建議在第9周前后增加一次期中考試。在檢驗前期所學內容的同時，及時發現問題并整改。將期中考試的成績按照一定比例納入到總成績中。在期末考試中，主要考核后期的學習內容，前期的學習內容也要有所涉及。其次，提高課堂表現的分值比例，建立周期性的課堂問答方法，如按照學號讓學生參與教學環節，確保至學習結束時每人都有機會能參與到課堂教學。對于主動提問，經常與教師討論問題的學生給予較高的平時成績。

二是設立相關實驗課程，考核實踐能力。材料科學是一門注重實踐的課程，書本上的知識點最終要運到到材料的實際性能、制備及應用上。紙上得來終覺淺，通過實踐考核可以綜合考查學生對于材料科學基礎知識點的掌握程度。如通過實驗方法畫制Fe-C相圖及分析合金的力學性能等。在畫質Fe-C相圖時，培養學生學會對FeC合金進行熱處理，得到不同成分下的合金相，并在顯微鏡下進行觀察、分析合金相的形成過程。在分析合金的力學性能時，培養學生學會如何對合金進行拉伸或者壓縮，并繪制應力應變曲線。進一步掌握根據得到的曲線分析合金的塑性變形、彈性變形及屈服強度等。

三是增加研究報告的考核形式。結合材料科學基礎的特點，由教師羅列出熱點領域，在班級分成若干小組，每個小組自行選取興趣領域，形成研究報告，并在課堂上以PPT的形式進行報告。講述該領域的發展現狀及問題，形成PPT并向老師和同學做報告，最后形成綜合評分。這一考核方式有助于培養學生的協調組織能力及團隊意識。在促進學生自身思考以及激發學習主動性的同時，也能讓學生及時了解最新的國際研究動態。

3結語

材料科學基礎是材料科學領域的基礎課程，無論對于科學研究還是工程應用都起到關鍵的作用。本文通過在教學過程中發現的問題，結合材料科學的特點及相關院校關于本課程的較好的做法，以“夯實基礎、注重應用”為指導，提出了幾點改進措施。當然這些方法和措施也需要在教學過程中進行檢驗和改進。隨著我校對該課程的日益重視，以及材料課程的相關配套逐漸完善，材料科學基礎的教學將會取得更好的成果。

參考文獻

[1]王煥平，徐時清.材料科學基礎課程教學中的“四要素”[J].中國科教創新導刊，2009.

[2]王建青.材料科學基礎課程教學優化[J].中國科教創新導刊，2013.

[3]王書亮，胡志彪.《材料科學基礎》的教學實踐與方法探討[J].湖北函授大學學報，2011.

[4]張莉芹.材料科學基礎多媒體教學淺析[J].中國冶金教育，2008（05）：58-59.

[5]羅延齡.現代科學技術與材料科學[J].中國科技縱橫，2010（22）.

項目：安徽省高等學校省級質量工程項目（2017jyxm1207）材料科學與工程專業教學質量監控體系建設的研究