理論與實驗高度融合的教學模式改革探索

馬琛

[摘 要] 材料技術是推動社會經濟發展的強大動力，是我國高等院校教育的重要學科方向之一，而“材料科學與工程基礎”這門課程在高等院校材料學專業教學中起著舉足輕重的作用。通過分析當前“材料科學與工程基礎”課程的教學模式，指出該課程在教學內容、教學模式及考核形式上關聯性弱的問題，提出理論課堂與實驗課程融為一體的教學模式，通過打破理論教學與實驗教學之間的壁壘、合理設計實驗內容、基于實驗現象總結理論知識、建立理論與實驗相融合的考核機制，讓學生能夠更有效地掌握課程知識體系，真正實現學以致用。

[關鍵詞] 材料科學與工程基礎;教學改革;理論與實驗融合

[基金項目] 2020年度華僑大學科研啟動費項目“新型高性激光防護復合涂層研究”（20BS203）

[作者簡介] 馬 琛（1992—），男，江蘇徐州人，博士，華僑大學材料科學與工程學院講師，主要從事高溫高能熱防護涂層研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0045-04 [收稿日期] 2021-08-30

21世紀以來我國經濟飛速發展，對人才的需求量激增。高校作為人才培養的主陣地，主要注重基礎教育和專業知識培訓，但企業更加注重實際的技術應用以技術變現。因此，當前社會上出現了“學生就業難，企業招工難”的問題，揭示了高校教育培養與企業需求對接時已經出現較大的供需差異[1，2]。材料技術是推動現代化社會經濟發展的強大動力[3]，而“材料科學與工程基礎”是該專業的核心課程[4，5]。該課程的教學設計雖然能夠滿足基礎專業知識的廣泛覆蓋，但隨著國家對于技術應用的重視及新工科建設的提出[6]，傳統的理論講授已經難以滿足新時代對人才的需求[7]，如何通過高校專業課的教育提升學生理論結合實踐，以及發現問題、解決問題的能力，是當前“材料科學與工程基礎”課程教學亟待解決的難題。盡管高校配備了相關實驗課，但實驗內容設置與理論課的教學內容匹配度較弱，固定的實驗流程和以演示為主的教學模式，限制了學生對理論與實驗相結合的思考。因此，實現理論與實驗教學的高度融合，不但能夠鞏固學生對于專業知識的理解，更對培養學生專業能力、動手能力、分析能力、創造能力具有重要的作用。

一、“材料科學與工程基礎”的教學現狀

（一）“材料科學與工程基礎”課程簡介

“材料科學與工程基礎”課程創立于20世紀60年代初期，是一門研究材料共性規律的學科。該課程的內容涉及金屬材料、無機非金屬材料，以及有機高分子材料的成分、制備加工技術、組織結構與性能之間的聯系，通過該課程的學習，學生能夠運用理論知識解釋材料學相關科學問題，并解決一定的材料及其相關領域的工程問題。該課程涉及的材料知識范圍廣，以夯實專業基礎為主要的教學目的，能夠讓學生對本專業有一個相對清晰的認知，是本科生從通識教育走向材料學專業培養的橋梁。此外，通過該課程的學習，學生將首次接觸到材料學基礎實驗，材料專業作為工科專業，實驗操作是學生所必須具備的技能之一，該課程的有效開展，將對學生后期進實驗室打下良好的基礎。因此，該課程在材料學專業具有非常重要的意義，多數學校的材料相關專業研究生考試也把“材料科學與工程基礎”課程作為專業課考核科目。

當前，“材料科學與工程基礎”課程通常設置為72學時，課程講授重點依據不同的系別有所區分，但整體都以物質結構相關知識為基礎，通過從微觀到宏觀闡述原子結構、原子間相互作用及晶體結構等相關知識，讓學生首先理解材料的構成，以此為基礎引申至材料內部的晶體缺陷、固態擴散、塑性變形等相關知識，以此為學生搭建出一個立體的知識體系。

（二）“材料科學與工程基礎”課程存在的問題

“材料科學與工程基礎”課程已經經歷了數十年的發展與更迭，教材也在不斷地完善，課程的理論教學已經趨于成熟，但當前高校的教育更加追求理論與實驗相結合、能夠基于已知理論分析解決實際問題的人才，這使得已經相對成熟的理論教學模式暴露出一定的問題，仍有進一步改革的必要。

1.“材料科學與工程基礎”課程理論教學與實驗教學在教學內容相關性上較薄弱。該課程的理論教學，在機理探究方面具有涉及范圍廣、知識點基礎等特點，而相匹配的實驗項目，通常以材料認知為主要的教學目的，雖然能夠一定程度上增強學生對該專業基礎的理解，但由于實驗內容與理論教學的相關性較弱，難以使學生主動地將實驗內容與課堂理論知識點相關聯，這是當前“材料科學與工程基礎”實驗課設置上所面臨的難題。例如，密度、吸水率、孔隙率的測試通常是“材料科學與工程基礎”實驗課程的實驗內容之一，雖然該部分能夠助力學生理解材料的自身性質，但該內容并無法幫助學生理解該課程所涉及的相關理論知識。如何通過實驗教學，真正實現運用理論知識解釋實驗結果，實驗結果印證理論知識，是當前該課程的改革方向。

2.“材料科學與工程基礎”課程理論教學與實驗教學在教學模式上尚未實現融合。傳統的教學模式是理論教學與實驗教學分離，且理論教學內容與實驗教學內容不同步，學生在接受理論知識點時，實驗教學可能還沒做到或者已經做完了相應實驗，這樣導致學生在接受知識的時候，無法實現同步接受，學生無法用已學的理論知識解釋接觸到的實驗現象，這會在一定程度上影響學生自身嘗試理論結合實驗的效果。此外，雖然理論課與實驗課在名義上屬于同一門課，但通常是由不同教師去講授，授課教師之間連貫性的缺失，會弱化理論課與實踐課之間的關聯。

3.“材料科學與工程基礎”課程理論教學與實驗教學在考核形式上缺少關聯。通常理論考試以閉卷的形式進行考核，主要考核學生對相關概念的理解，對相關理論的計算，通過理論解決典型問題的能力，以及對相圖內部信息的提取與運用。這種考核方式能夠比較全面地掌握學生對書本內容的理解程度，是一種比較成熟的考核手段。該課程的實驗教學考核形式以實驗報告與實驗結果為主要考核形式，依據實驗過程中的表現，以及實驗報告的撰寫情況，對學生的表現進行打分，綜合考量學生對實驗過程的理解與掌握程度。盡管在理論教學與實驗教學的考核上都已經成熟，但如果考慮到理論結合實驗的教學模式，該考核形式并無法綜合考量學生對理論與實驗結合的應用效果。

二、“材料科學與工程基礎”理論結合實驗的改革方法

針對上述問題，需要有針對性地加強理論教學與實驗教學之間的聯系，通過打破兩種教學方式之間的壁壘，基于理論知識有針對性地設計實驗內容，將理論與實驗的教學在形式上實現聯絡，在內容上融為一體，讓學生能夠透過實驗現象學到理論本質，基于理論知識解釋實驗機理，理論教學與實驗教學之間的相輔相成，才能讓學生真正消化理論知識，實現學以致用。

（一）打破理論教學與實驗教學的壁壘

為了加強理論教學與實驗教學之間的聯系，真正打破兩門課之間的隔閡，可以將理論教學與實驗教學融合在一起，力求在理論教學過程中，出現知識點，便將相關實驗以學生動手操作的形式，自行驗證或觀察。使得理論教學不再局限在教室，而實驗教學也不再局限在實驗室，通過將教室與實驗室打通，讓學生能夠在吸收理論知識的當下，用實驗手段去證實。不同于傳統理論課與實驗課單獨授課的形式，這種將兩個課堂合二為一的方式能夠讓學生意識到自己在學以致用，同時能夠有效激發學生觀察實驗現象、提出相關疑問，尋找相關答案，獲取相關理論知識的自我學習意識。而教師，不僅扮演講授知識點的角色，還扮演了解決學生困惑、推動學生自我思考的角色。理論教學與實驗教學合二為一的教學模式，能夠大大提升學生的學習熱情，改善學生對理論知識的吸收效果。

例如，在講晶體結構時，不僅可以通過多媒體形式，以圖片和視頻的形式讓學生了解晶體的組成、分類，也可以在講解過程中，結合X射線衍射分析中所使用的布拉格方程，讓學生更加深入理解晶體及晶面間距的概念。此外，可以結合材料模擬軟件，讓學生根據晶體經構圖，模擬出或者直接通過實驗得到已知材料的XRD圖譜，通過具體講解X射線衍射分析及XRD圖譜模擬以及測定過程，加深學生對晶體學理論知識的理解，以及對晶體分析等實驗方面的認知。

（二）基于理論教學設計實驗內容

為了實現理論與實驗的高度融合，教師需要依據理論教學有針對性地設計實驗內容，實驗內容可涵蓋學生的實際操作、計算機軟件模擬、演示實驗，甚至是涉及高精尖儀器的視頻內容學習，基于上述理論課堂與實驗課堂的融合，實現時刻將“理論解釋實驗，實驗驗證理論”的教學思想滲入課堂。針對性的實驗設計，需要教師能夠深入理解理論教學內容，把知識點分散在實驗內容中，以科研探究的方式，讓學生理解實驗現象所反映出的科學道理，從而在教學的過程中，不斷加深學生分析問題、解決問題的能力。

例如，在講解“材料的形變和再結晶”章節時，低碳鋼的應力—應變曲線是該章節的核心內容，為了讓學生能夠深入理解低碳鋼的應力—應變曲線，教師可以在課堂開始前，向學生展示低碳鋼的拉伸試驗，讓學生能夠直觀地觀察到材料在外力作用條件下出現的彈性形變階段、屈服階段、頸縮現象、斷裂現象，并結合實驗講解彈性極限、屈服強度和抗拉強度，以此引出該章節對材料形變規律及其微觀機制的探究。

（三）基于實際實驗現象總結理論知識

學生對于理論知識的理解，是一個循序漸進的過程，需要由淺入深、由表及里地對某一具體理論系統進行認知，這一過程中，始于對概念的理解，以應用理論知識解決實際問題為學習目的。為了達到該目的，傳統的教學模式多以現有例題為分析對象，由于例題在長期的傳承過程中變化較小，學生通常在教學前就已經對題目有所了解，使得該教學模式對于學生而言是帶著答案看問題，教學效果大打折扣。如果能夠重新設計實驗或者根據現實已有的實際問題，切實地讓學生看到實驗過程中所出現的難題，自己依據課本中已學理論知識，嘗試解釋實際實驗結果，該方式有望激起學生的學習欲望，提升學生分析實際問題的能力。

例如，在講解“材料的形變和再結晶”章節時，學生對于晶界的理解在該章節中起到重要作用。晶界自身具有協調、促進、障礙和起裂作用，這是理論知識教學傳授給學生的，屬于概念知識。如果在教學過程中，教師能夠給出現實生活中所存在的實際問題，如航空發動機葉片通常采用的是單晶體，避免了晶界，通過拋出該問題讓學生去思考該問題的答案，并通過視頻資源讓學生了解葉片在航空發動機中的工作環境，通過這些周邊資料，讓學生討論分析航空發動機葉片采用單晶體避免晶界的原因。整個學習過程中，通過拋出實際問題，讓學生運用理論知識解釋或解決該實際問題，不僅能夠加深學生對概念的理解，更能讓學生融會貫通，實現對理論的運用。

（四）理論與實驗相融合的考核機制

理論教學與實驗教學的高度融合，其目的是為了讓學生能夠在掌握基礎知識的基礎上，靈活運用理論知識解決實際問題，因此，單一的閉卷考試及實驗報告形式均無法達到該教學目標考核的目的。為了考核學生運用所學知識分析問題、解決問題的能力，教師可以合理調整成績組成，通過給出課程相關的實際問題，設置實際問題的分析與考核，配合閉卷理論考試，實現對學生學習效果的綜合考核。

例如，最終的考核成績可以按照閉卷考試成績60%，實驗技能20%，實際問題分析20%的權重來分配。首先，在考核模式上將理論教學考核與實驗教學考核融為一體，不再孤立，讓學生意識到實驗在該門課程中的重要意義。其次，在實驗教學的考核上，不再簡單以實驗報告作為衡量標準，通過運用課程相關知識解釋實際問題，具體考查學生分析問題、解決問題的能力，在考核環節讓學生理解理論與實際問題之間的聯系，加深對“材料科學與工程基礎”這門課程理論知識點的認知。

通過打破理論教學與實驗教學的壁壘，基于理論教學設計實驗內容、實際實驗現象總結理論知識，并建立理論實驗相融合的考核機制，有望進一步增強“材料科學與工程基礎”這門課對材料學專業學生的影響。不僅讓學生能夠擁有扎實的專業基礎知識，也能夠把學以致用融入專業培養計劃中，助力于解決當前“學生就業難，企業招工難”的困境，為國家培養并輸送有用的專業人才。

結語

高校教育已不局限在傳統的理論教學當中，提升學生基于理論知識分析問題、解決問題的能力是當前教育努力的方向。本文提出的理論與實驗高度融合的“材料科學與工程基礎”課程改革方案，能夠通過打破理論教學課堂與實驗課堂之間的壁壘，并有針對性地設計實驗方案，基于實驗現象總結理論知識，實現“理論解釋實驗結果，實驗結果印證理論知識”的雙向教學。在此基礎上，通過建立理論與實驗相融合的考核機制，實現對學生綜合能力的全面考核。本文所提出的課程改革方案，能夠適應新時代高等院校的發展需求，對其他學科的教學改革具有重要的借鑒意義。

參考文獻

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Exploration on the Teaching Mode Reform with the High Integration of Theory and Experiment： Taking the Course of Fundamentals of Materials Science and Engineering as an Example

MA Chen

（College of Materials Science and Engineering， Huaqiao University， Xiamen， Fujian 361021， China）

Abstract： Materials science is a powerful driving force to promote social and economic developments. In addition， materials science is also one of the most important subjects in Chinese higher education. The course of Fundamentals of Materials Science and Engineering plays a significant role in the teaching of materials science major in colleges and universities. In this paper， the teaching mode of the Fundamentals of Materials Science and Engineering is deeply analyzed. The main problem is the weak connection between the teaching contents， the teaching mode， and the evaluation mode. In view of this problem， this paper puts forward a new teaching mode that can strongly combine the theory teaching and experiment teaching. The new teaching mode can help students to form a better knowledge system through breaking the barriers between the theory teaching and experiments teaching， designing the experiment contents reasonably， and building up a new evaluation mechanism of theory and experiment based on the experimental phenomenon summarizes the theoretical knowledge， so that students can more effectively grasp the course knowledge system， and truly realize the application of knowledge.

Key words： Fundamentals of Materials Science and Engineering; teaching reform; combination of theory and experiment