面對高分子材料與工程專業學生的“材料科學與工程基礎”教改初探

龔 韜 張沙琳 胡清華 聶曉波 曾 科 吳紅枚

(南華大學 化學化工學院，湖南 衡陽 421001)

南華大學高分子材料與工程專業從2002年開始招收本科生，“材料科學與工程基礎”是本專業必修的專業核心課程，開設這門課程的主要目的是讓學生了解材料的結構與性能的基本關系，具備從材料的宏觀及微觀結構進行思考，進而分析材料各類性能優劣的理念，是學好本專業的專業課程(高分子物理、高分子加工及成型、高分子復合材料等)所必需的基礎課程。因此材料科學與工程基礎這門課程在材料類專業本科教學中具有不可忽視的重要作用。本課程主要包括四部分的內容，主要介紹了材料結構基礎，材料的組成與結構，材料的性能以及材料的制備與成型加工，通過對高分子材料，金屬材料以及無機非金屬材料的結構及性能的區別和差異進行闡述，要求學生能夠了解這些材料的共性以及結構上的差異[1,2]。

綜合來說，這門課程涉及到的數學物理以及化學類基礎知識較為深奧，難以理解。但目前大多數學校在該門課程的教學過程中，依舊是照本宣科，對常規的四種材料結構進行講解，并沒有選擇性地對高分子材料與工程專業學生進行教學。這種普遍性教學，對學生的專業知識培養而言，極為不利。為了提高教學質量，使學生能夠對本課程所涉及的理論知識與實際性能檢測具有更為具體系統的了解，本論文對本課程的教學內容、教學方法和線下線上教學模式進行初步的研究探索。

1 課程現狀及亟需解決的關鍵問題

材料科學與工程基礎作為材料類專業學生的專業基礎課程，是進一步學習其他專業課程的基礎，其理念是材料的結構是決定性能的基本要素。不管是在國內還是國外，材料科學與工程基礎課程的教學改革是材料教育研究的熱點，研究方向包括課程內容，知識結構梳理，教學方式的不斷創新，以及新學術知識點的更新。在國外，這方面做的很到位，能夠針對不同的專業，不同的研究方向，有選擇性地教學。學生在此方面的素質教育成果也較為突出。

但我國的該課程內容針對性較差，不管是金屬材料專業，無機非金屬金屬材料專業還是高分子材料等專業，學習的內容基本一致。以至于學生在學完這門課程后，并不能有效地把所學的知識應用到后續的其他專業課程的學習中。此外，目前國內的教材基本都是針對所有的材料類工科學生，沒有針對性，學生在預習以及復習的時候，重難點不突出，需要掌握的內容與需要了解的內容無法辨別。為滿足本專業學生的專業知識結構需要，對材料科學與工程基礎教材以及教學內容進行有針對性、有目的性的探索是很有意義的，有利于體現專業特色，更好的滿足學生專業知識學習的需要。

此外，傳統的材料科學與工程基礎的課程體系主要包括傳統的材料(金屬材料，高分子材料以及無機非金屬材料)，隨著材料學科的發展，新型的功能多尺度材料，比如納米材料，能源材料以及生物醫用材料等逐漸被應用于軍事及民用領域。但是傳統的材料科學與工程基礎課程中對這方面的內容涉及的很少，學科知識更新程度也嚴重滯后，這不利于學生創新能力的培養。所以，有關于這方面的內容應該加入到新的教改中去，這部分內容以介紹性為主，教學方法應該進行調整，以保證學生能夠更好更全面的了解相關知識，并能在以后的工作中，具備新材料設計的理念。因此，針對高分子材料與工程專業學生學習需要，目前的課程體系與內容不全面、創新性與知識趣味性不足，為進一步適應高分子材料與工程專業的學生學好這門課，必須對材料科學與工程的課程內容及教學方法進行研究與改革[3,4]。

2 課程教改具體方法

從課程教學內容、教學方法、網絡互通式教學方式等方面進行積極有效建設與改革，從而保證課程教學質量和水平的提高。

2.1 教學內容的改革

在更新工程人才知識體系的基礎上，在教學過程中引入人才培養的最新要求。進一步確定材料科學與工程基礎課程體系與內容與高分子材料與工程基礎課程內容的相互關系，同時探索對學生能力和素質的培養，積極開展實踐性教學。從專業知識、創新能力角度出發，進行層次性“材料科學與工程基礎”的課程內容體系建設。注重科研前沿研究成果的引入，如納米材料，功能高分子材料，仿生結構材料等最新科研成果的應用介紹，提高學生對于高分子材料的學習興趣。

將“材料的結構決定性能”這一觀念貫徹本課程的教學過程，對材料的結構與性能的關系，通過實例進行對比講解。簡單介紹金屬材料，無機非金屬材料的結構及性能特點，注重材料分子結構設計-成型加工-性能與應用的整體化理念，詳細講述不同的聚合材料結構對性能的綜合性影響，并對目前有關材料結構及性能的檢測技術，比如萬能力學試驗機，X射線衍射儀，透射電鏡等設備進行基本講解，培養學生有意識通過檢測材料結構對性能進行分析的能力，彌補現有教學資源、教材的專業局限性[5,6]。

在本課程的教學過程中，積極引入思政教學元素，在導論階段，對材料與社會發展關系進行詳細講解。著重介紹在軍事、國民經濟與工業化全球化過程中高分子材料應用情況，并對大量新材料、新技術在軍事、經濟、與工業化生產中的綜合應用進行講解，安排學生進行調研分析。激發學生對高分子材料生產研究的學習興趣，誘導學生確立在畢業后從事新材料研發的目標，有志為高分子材料在國家發展中的重要地位做出自己的貢獻。

2.2 教學方法的改革

根據課程體系的基本要求，積極進行教學方法與教學手段的創新性探索：

(1)充分利用線上教學資源，提高學生自主預習的效率；激發學生學習原動力，能夠主動地實現課前預習，課后復習的行為。在教學過程中，廣泛收集并利用各類視頻及動畫等多媒體課件，有效地對基本概念以及材料的基本特性進行展示，提高學生對知識地深度理解。

(2)轉變傳統教學觀念，發揮學生在教學活動中的主體作用，培養學生在課程學習中自主發現問題解決問題的素質；利用3D MAX以及一些實體的教學模型，加深學生對于材料結構多樣性的印像。學生對如金屬材料，無機非金屬材料與高分子材料的基本結構有較深的理解，具備如何通過成型加工，得到不同類型材料結構的設計理念。

(3)改革教學考核機制，強調過程性教學，突出學生在教學活動過程中的主體作用。利用雨課堂，學習通等線上教學軟件，對學生在課堂上以及課后對本課程的學習進行實時記錄，提高平時成績及期末考試試卷中主觀綜合題比例，注重知識綜合能力的考察。不斷建全考核的標準，使考核更具有客觀性和科學性。在考核過程中，提高主觀綜合題的比例，并組織學生查閱相關文獻資料，鍛煉學生的分析問題，解決問題的綜合能力。此外，教師在課堂中，進行簡短的文獻檢索介紹，指導學生學習諸如“中國知網”，維普等數據庫的使用，并布置課后作業，讓學生查閱最新有關新材料的科技發現，撰寫小論文或自己設計PPT，進行翻轉式科研教學，讓學生在課堂上進行講解。進行誘導式教學，擴大學生專業知識面。

(4)探索傳統教學與網絡教學相結合的多元化教學模式。充分利用網絡資源，比如慕課，網易公開課等視頻教學平臺，提前讓學生預習課堂知識，由于課堂時間與課間時間有限，充分利用現有的網絡資源，例如QQ，微信等軟件，與學生形成一對一交流，在課后老師能夠及時回答學生在學習本課程時的問題。學生如果對教師上課情況有不滿意的地方也可以發送留言，老師根據學生的反饋及時調整教學方式并對學生理解不通透的知識點進行講解。

(5)進行雙語教學，綜合提高學生的專業英語應用能力。要求學生對本課程中所涉及到的重要專有英文名詞能夠熟記熟用，并落實到作業與考試中。組織學生在課堂上一起學習相關高分子新材料的科研文獻，并選取英文文獻重要段落，組織學生在課堂上進行翻譯。此外，選取相關重要英文文獻，布置作業安排學生翻譯全篇英文論文，并對相關知識在課堂上進行提問與講述。

2.3 教學資源庫建設

結合目前現有的虛擬實驗平臺，指導學生進行材料的結構設計，主要內容包括晶胞結構設計，線缺陷以及晶格畸變情況分析，鐵碳相圖結構分析，材料的力學性能分析，材料電學性能分析等[7]。此外，搭建針對高分子材料與工程專業學生的材料科學與工程基礎考試教育云庫。整合各類國內外先進教材，整理相關知識點與題目，構建題庫與視頻庫。廣泛收集現有與教學相關的視頻，動圖以及小軟件，提高學生對知識的宏觀掌握。指導學生整理每章重要知識點的思維導圖，構建對知識點的整體性認識[8，9]。定期更新有關于高分子新材料研究與應用的教學視頻，擴大學生有關于高分子材料的知識面。

2.4 引入實驗教學環節

開展綜合性實驗，從工程學角度，引入聚合物合成與加工過程中對聚合物微區結構的影響，實現材料結構設計理論與實踐的系統化教學。綜合性實驗應包括聚合物單體的合成，聚合物的聚合反應，成型加工以及復合材料的制備四個內容，并分別在實驗過程中調整基本參數，得到不同性能的微區結構聚合物材料，利用偏光顯微鏡，X射線衍射儀等對聚合物結構進行綜合分析，并對產品的性能進行表征分析對比。充分利用虛擬實驗軟件，對不同微區結構的材料的性能進行分析，實現結構與性能的一一對應，綜合提升學生針對不同性能材料進行結構設計的能力。加深學生對高分子材料在合成、加工以及不同穩態情況下，結構與性能的平衡態關系。

2.5 考核方式的改革

將平時上課表現分值提高到50%，通過網絡教學平臺，在課堂上以及課后布置小作業，根據完成程度，綜合性給分。進行翻轉課堂教學活動，將學生進行分組，引導學生做好PPT，在課堂上對其他學生進行講解，并對相關較難理解的知識點進行討論與點評，提升學生的演講能力，使其牢牢的掌握課程中的知識點。在期末考試中，試卷注重綜合能力的培養，提高主觀題的分值。此外，主觀題答案非唯一多樣化，以“結構-結構分析”與“性能-性能檢測”所謂主干線，設計多類考試試題。

3 結語

本課程改革依托南華大學高分子材料與工程專業的特色和優勢，根據高分子材料的應用和發展趨勢，在現有課程教學基礎上，更新、重組、綜合課程體系與教學內容，根據目前材料學相關工程領域的新材料、新理念，優選大量涌現在高分子材料中的智能材料、仿生材料、納米材料、生物醫用材料等高分子材料的內容以及材料設計理念，從材料生產設計的底層開始講解，注重高分子材料結構-生產加工-性能-應用一體化的教學改革與建設，完善課程體系與教學內容，并積極引入目前較為先進的“翻轉課堂”，“雙語教學”等教學手段，從課程教學內容、教學方法、網絡互通式教學方式等方面進行積極有效建設與改革，從而保證課程教學質量和水平的提高。使“材料科學與工程基礎”教學體系與內容具有綜合性、實用性和先進性。