淺談培養應用型創新人才的材料科學基礎教學思考與探索

何 斌 孔令兵 劉凱歌

（深圳技術大學新材料與新能源學院，廣東 深圳 518118）

0 引言

材料是社會文明和國民經濟的三大支柱之一，是社會進步的物質基礎，新材料產業也是國家戰略新興產業領域。近年來材料行業對應用型人才的需求持續增加，然而由于設置材料專業的高校大幅增加，學生數量的上升也增加了就業競爭壓力。為了更好地滿足社會需求并提升競爭力，需要培養學生具備相應的知識、技術和能力，尤其是應用思維和實踐能力，這也是應用型大學的教學目標。深圳技術大學是國內新成立的一所獨具特色的應用型技術大學，學校借鑒和引進德國、瑞士等國家的技術大學辦學經驗，其教學目標和教學形式有其特點與特色，需要深入實踐和探索，而培養應用型創新人才是高校核心的教學任務和目標。

材料科學基礎是一門重要的專業基礎課，以材料的成分、結構、工藝和性能為研究分析對象，認識材料的分類、特性及應用，它以物理、化學、數學為基礎，同時又是后續專業課的基礎，對培養學生的應用和創新思維、自主探索的能力有重要作用，良好的材料科學基礎教學有助于培養高質量的應用型創新人才。如何在應用型大學做好材料科學基礎的教學，體現一流技術大學的特色，滿足各專業的不同需求，是需要思考和實踐探索的課題。筆者近三年先后為三個本科年級的不同專業講授材料科學基礎課程，總結了課程教學實踐，探討課程設計、教學方式的優化與探索，為相關教學提供參考。

1 課程分析與教學內容優化

深圳技術大學新材料與新能源學院現有半導體光源與照明、新能源材料與器件、材料科學與工程、微電子科學與工程專業，材料科學基礎是各專業的專業基礎課，也是研究生入學考試的重要課程。課程開設在大二下學期，對學生的理論學習和專業學習有承上啟下的作用，既具有很強的應用性，又需要很好的理論基礎。

筆者2019 年開始承擔2017 級半導體光源與照明專業的材料科學基礎課程，之后兩年繼續承擔了2018 級和2019 級半導體光源與照明、 新能源科學與工程兩個專業的課程，教學時間均為1 學期，72 課時。2017 級學生是本校的首屆本科生，本課程也是首次開課。隨著教學的開展，授課過程中的問題逐漸顯現，筆者開始思考并根據學校的培養目標，對課程內容和教學方式進行了選擇和改變。

材料科學基礎課程已在很多高校開設多年，有多部教材并多次再版。根據知識框架的編排，這些教材大致分為兩類，一類強調基礎理論，如清華大學、上海交通大學、北京科技大學等組織編著的教材。這些教材對晶體學、材料熱力學、擴散、相變等進行了詳細深入闡述，構建了完整的理論體系，側重以共通的基礎理論去理解不同材料的結構及性能。第二類教材主要依據材料的分類，即金屬材料、無機非金屬、高分子、復合材料，將各類材料分別討論，著重闡述它們的不同特點、發展和應用，進行一定的理論闡述和討論。第二類教材包括材料概論、材料導論、材料科學與工程導論等。

經過分析，筆者認為采用理論性教材有兩方面問題。一是難以達成教學目標。根據本校的教學目標，期望學生能更多地認識和體會材料的性能與應用，而理論性教學主要講解共通的基礎理論，難以充分闡述材料的用途，不適合應用型人才的培養。二是學生的理論基礎不足。材料科學基礎是典型的交叉學科，課程基礎包括基礎物理、化學、固體物理、量子力學等，固體物理和量子力學等課程目前沒有開設，導致學生的理論基礎知識薄弱，課內也無法進行補充，因此深入學習材料科學相關理論有困難。

最終筆者認為第二類教材更符合應用性教學需要，著重講述各類材料在成分、結構和性能的特點，以及加工和用途，側重讓學生理解不同材料的特征性能和主要的應用方向與場景，以及在應用中需要考慮的問題，對相關理論進行輔助闡述，力求使學生對材料的特點與選用、材料科學的發展有全貌性認識，有意深入學習的學生也可以通過本課程的學習找到思路和途徑。

根據以上分析，最終選定了教材。材料科學的基礎理論是相對穩定的，而新材料技術和產業的發展卻日新月異，因此應用型教材必須選用近年出版的新教材，以體現新發展。筆者在教學中先后選用了《材料科學概論》（北京大學，2013 年）、《材料概論》（科學出版社，2018 年）作為教材。這些教材的知識體系符合應用型教學需求，重點闡述不同材料的特點和應用，對基礎理論做了概述，對新材料發展也做了介紹，如納米材料、能源材料、生物材料等，這些可根據不同專業來選擇講述。為了補充理論基礎，以上海交通大學編寫的《材料科學基礎》（第三版）作為教學參考書。

2 對教學方式的思考

本課程教學初始時基本是傳統方式，關注教學內容的完整性，希望將教材的內容完整地呈現在課堂上。盡管花了大量時間備課，也基本完成了教學內容，但課堂效果并不理想，沒能很好地引導和激發學生們的學習興趣。筆者深刻體會到教學內容在教材中的呈現與課堂上的呈現有巨大差別，要將教材上的知識在課堂上生動地展現出來，教學方法和教學設計非常重要。

在講課過程中，筆者也多次體會到，學生對不同材料的實際應用有明顯興趣，如果能和生活、學習中接觸到的應用相結合，則更容易引起共鳴。另外，材料科學的歷史進展和科學家的事跡也很有吸引力，自己在備課和學習時也往往被吸引。因此深刻體會到，學生們其實有很強的求知欲，只是需要好的方式給予引導和激發，要更直觀地表現所學有所用，當明白了知識的實際用途和重要性，同學們就會表現出興趣和主動性。相信在這種狀態下，也更容易記住相關的知識點和知識脈絡。只要激發出學習興趣，同學們就會主動地去繼續思考和學習，這也是應用型創新人才所需要具備的素質，從而培養出高質量的創新人才。當然這也要求教師有更豐富的知識儲備和更高的教學水平，需要不斷學習先進的教學經驗，并思考優化教學內容和方式。

3 轉變教學方式的探索實踐

根據以上體會和思考，在教學過程中對相關的教學方式進行了學習，參加了相關的教學培訓，并在教學中嘗試實踐了不同的教學方式。其實如今已有大量的教學研究，提出了不少新型的教學方法，如目標教學法、翻轉課堂、BOPPPS 教學模式、問題教學法等。這些方法雖然實施過程不同，但共同點就是要改變僵化的教學過程，通過靈活設計教學環節對學生進行引導和啟發，增強師生之間、學生之間的互動，就是要讓教學從“我教你學”變為“我帶你學”。

結合教學的體會和思考，借鑒教學培訓和學習中的收獲，并閱讀了相關的教學論文，筆者在近兩年的教學中主要從以下幾個方面進行了改革嘗試，取得了良好的效果。

3.1 “探索式”教學實踐

材料科學是一門交叉學科，涉及物理、化學、數學等學科的知識，因此材料科學的發展史包含了大量生動有趣的科學成就和科學家事跡，探索材料科學的發展歷程本身就是引人入勝的。筆者嘗試以材料科學的發展脈絡將教學內容和知識點串聯起來，并在其中融入重要的科學成果和科學家的故事。比如晶體學中的點陣和布拉菲，群倫和伽羅瓦，對稱性與埃舍爾，XRD和布拉格父子，有機化學與貝采里烏斯和維勒，高分子材料與“高分子之父”施陶丁格，尼龍與華萊士，復合材料與撐桿跳高，混凝土的發明與莫里哀，石墨烯與諾貝爾獎。

通過講述這些科學進展及科學家故事，很好地說明了相關知識點的來龍去脈，學生們也興趣盎然，教師也體會到分享的快樂。學生們在加強記憶的同時也引發了好奇心和求知欲，課堂反映非常好。這樣帶領學生們一起，將課堂講授的“你講我聽”轉變為對科學發展的共同探索，應該是一種理想的教學狀態。

3.2 借鑒“翻轉課堂”模式

翻轉課堂教學模式自誕生以來，很快成為全球教育的熱點。然而真正的翻轉課堂是整個教學過程的翻轉，工作量大，需要錄制大量視頻，教師備課和學生課下需要花費大量時間，因此人們對此也是褒貶不一的。在本課程的教學中，考慮到難以適應完全的翻轉課堂，如果花費大量的課下時間也會影響其他課程的學習，因此采用了翻轉課堂模式的一部分，與傳統教學相結合進行了嘗試。

在教學中進行了兩次翻轉課堂的嘗試，方式是在課堂中提出一個課題，安排學生分組討論，通過參考教學課件，主動進行查閱和收集資料，提出方案或設計，進行理論分析，在課堂上以報告形式進行討論和交流。例如，其中一個題目是自行指定一種先進材料，講解其成分、結構、性質，分析其結構與性質、應用的關系，說明相關的應用和技術領域。將全班同學分為6個小組，每組2～4 人，由一人擔任組長，負責規劃和分工，大家合作完成課堂報告，由組長在課堂進行講述。同學們選的題目有石墨烯復合材料、碳納米管、超導磁體、鋰離子電池材料、鎂合金、鈦合金。這樣的形式有助于深入理解材料科學，并鍛煉了研究、組織、寫作與報告的綜合能力，對培育應用型創新人才非常有益。學生們對這種形式也表現出很好的積極性，自發組成小組并選定題目，課堂報告也達到了要求。實踐表明翻轉課堂模式對提高學生學習興趣、改善教學效果、鍛煉創新能力有很好的作用。

3.3 教具的制作與使用

材料科學基礎課程的概念較多，對學生而言很多都比較抽象，如晶體結構、微觀組織等。為了調動學生的積極性和思維訓練，在課堂中適當引入工具軟件和部分教具輔助，如對于晶體結構和對稱性的講解時，利用SHAPE 軟件展示晶體外形和對稱性，利用3D打印技術制作晶體模型，利用礦物樣本講解晶體學的提出與發展。在更直觀地講解晶體結構的同時，也讓同學們學習了礦物、地質、3D 打印技術等相關知識和技術。

4 結語

作為新時代的應用型技術大學，教學目標和教學形式獨具特色，要完成應用型創新人才的培養目標，必須根據自身特點和需求，對教學內容和教學方式進行探索與實踐。材料科學基礎作為專業基礎課，對學生就業或繼續深造都可能產生影響。在教學上對于應用型培養而言，更重要的是要讓學生認識到不同材料的特點、應用和重要性，培養主動學習的興趣和能力，這樣既對就業有益，也可引導學生深入學習或深造。

本文根據材料科學基礎的教學體會和思考，實踐了“探索式”教學、“翻轉課堂”，并利用軟件技術、3D打印技術等增強可視化，以提升講解效果。實踐表明改變教學方式激發了學生學習興趣，培養了主動性、創新思維和研究能力，在今后的教學中將繼續采用，并予以優化和強化。