新工科背景下材料類專業基礎課程教學改革與實踐探索

馬愛瓊，高云琴，任 耘，肖國慶，任金翠

(西安建筑科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710055)

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，探討了新工科的內涵特征與發展路徑。新工科建設思路為我國在新的經濟環境下高等工程教育改革指明了方向。

一、課程概況

由于材料在高新科技領域中不可替代的作用，以及材料學的工程性和實踐性特點，對從事材料專業的工程技術人員提出了更高的要求，比如扎實的專業基礎知識將是培養學生的分析能力、解決材料領域復雜工程問題的綜合素質、研發能力的基礎。因此，在材料類專業的本科人才培養中，加強對學生的專業基礎知識教育尤為重要。在以上新工科建設的背景下，材料學院專業基礎課程教學團隊對本學院的三門核心專業基礎課程材料科學基礎、材料工程基礎、材料研究方法的教學模式及課程成績評價方式進行了一系列改革，下面結合材料科學基礎課程的建設模式進行具體論述。

二、教學改革與實踐

(一)對課程教學內容進一步優化整合，明確課程教學目標

在材料科學基礎課程建設前期，教學團隊對建設方案進行了充分的調研論證，廣泛征求了專業任課教師與學生的意見。結合部分專業任課教師反饋的意見，認為材料科學基礎課程教學內容中的黏土-水系統膠體化學內容與后續學生所學專業課程如陶瓷工藝學、混凝土工藝學等結合緊密；同時通過與部分學生座談了解到熔體與玻璃體內容相對更適合自學。鑒于以上原因，教學團隊在課程建設中，果斷對教學內容進行了優化整合，在授課環節，增加了黏土-水系統膠體化學授課內容，同時將熔體與玻璃體部分內容調整為自學。

同時，為進一步提高教學效果，教學團隊還精心設計了調查問卷，發放給修讀該課程的本科生，了解他們課程教學內容的掌握程度，并作為團隊任課教師制訂教學計劃的依據。

2018 年底，西安建筑科技大學材料科學與工程專業通過了教育部組織的中國工程教育專業認證，為保證本專業的人才培養效果，教學團隊認真制定了本課程的6個教學目標。

1.掌握基本的結晶學知識，掌握常見晶體的結構類型，晶體結構缺陷的特點、類型與應用，了解熔體與玻璃體的基本知識，引導學生能將無機化學、物理化學知識應用于晶體結構分析，培養學生具備根據材料的組成、結構選擇合適的研究測試方法的能力，利用晶體結構知識研發新材料的能力。

2.掌握表面與界面的基礎理論知識，使學生認識表面與界面現象在材料制備、生產與使用中的運用，使學生具備根據材料制備需要選擇合理的表面與界面的能力。

3.掌握相平衡的基本理論，掌握相平衡的研究方法，培養學生判讀復雜相圖的能力，并通過具體案例分析，使學生認識到相平衡與相圖知識在無機材料生產、制備中的重要作用，培養學生根據材料研發需要選擇合理相圖的能力。

4.通過擴散與固相反應基本理論的學習，使學生掌握質點擴散的微觀機制、固相反應機理與動力學關系，在學習高等數學、無機化學相關知識的基礎上，能理解相關公式的推導過程，引導學生從微觀層面認識影響材料生產、制備的因素，并通過具體案例分析，培養學生具備根據材料生產實際需要選擇合理的生產工藝的能力。

5.通過相變理論知識的學習，使學生掌握相變的基本類型，成核-生長相變的基本原理、相變的過程和影響相變的因素，能利用高等數學、物理化學知識，推導相變過程中相關公式，培養學生具備根據材料生產需要選擇合適的相變機理的能力。

6.掌握燒結的基本概念，燒結機理、燒結傳質動力學關系和影響燒結的因素，在所學高等數學、物理化學知識基礎上，引導學生從微觀層面認識燒結過程中所發生的物理變化，使學生具備根據材料生產的實際需要選擇合適的燒結工藝的能力。

通過采取以上措施，教學團隊對教學內容與授課計劃進行了精心優化，調整后的教學計劃與教學內容見表1。

表1 材料科學基礎課程教學內容、目標與授課計劃

(二)拓寬課程學習空間，建設材料科學基礎課程網絡學習平臺

在課程建設前，材料科學基礎課程教學主要以課堂教學為主，教學方法手段單一，即便安排有集中答疑輔導，但有時可能和學生上課時間沖突，效果不佳。因此，在本次課程建設中，教學團隊倡導教學方法手段多元化，拓寬學生的學習空間。因此，依托學校提供的超星網絡學習平臺，建設了材料科學基礎課程網絡學習平臺。將教學內容、教學日歷、教學大綱、考核方式、實驗指導書等都發布到課程網絡學習平臺上，并開辟有交流討論區，學生可以隨時平臺預習或復習，在學習過程中有疑問可以留言，任課教師會及時解答。通過建設課程網絡學習平臺，將教學資源集中發布，拓寬了學生的學習空間，提升了課程學習效果。

(三)建設材料科學基礎課程習題庫，習題類型多元化

材料科學基礎課程內容抽象難懂，如果課下沒有一定數量的習題練習鞏固，將會影響課程學習效果。因此，在本次課程建設中，教學團隊在原有課后習題的基礎上，重新收集整理了一部分習題，習題類型除常見的名詞解釋、問答題與計算題外，還包括填空題、選擇題與判斷題，并將一部分習題發布到課程網絡學習平臺上，建設了電子習題庫，在課程教學過程中，教學團隊定期布置課后習題與課程網絡學習平臺習題，要求學生在規定時間提交，并作為平時考核成績的一部分。這種多元化的習題類型，幾乎涵蓋了所講授的課程內容，可以方便學生課后復習鞏固，提高了課程學習的效果。

(四)針對部分內容，制作授課視頻與Flash 課件

材料科學基礎課程理論性強，部分內容抽象難懂，光靠任課教師課堂講授一遍，由于學生群體存在個體差異，有些內容學生很難一遍就消化掌握。針對這一問題，在本次課程建設中，教學團隊羅列了課程中一些抽象難懂的內容，如球體緊密堆積原理、晶體結構知識、缺陷反應方程式的書寫以及判讀三元相圖的幾條重要規則等，精心制作了微課視頻，并發布到課程網絡學習平臺上，方便學生根據自身的掌握情況，下載復習觀看。這些課程建設措施的應用，極大地彌補了以往單一教學方式的缺陷，使課程教學方法手段趨于多元化，提高了學生的學習興趣，取得了更好的教學效果。

(五)對課程實驗內容進一步優化，增加綜合性實驗數量

材料科學基礎課程中所涉及的理論抽象難懂，如晶體結構知識、相平衡知識等。如果單一依靠課堂理論講授，不便于學生理解掌握，因此，本課程開設有部分實驗課，但是，之前所開設的實驗內容僅涉及晶體結構模型認識、表面張力測定與材料機理研究實驗。為提高教學效果，教學團隊在實踐教學內容和教學方式改革中，一方面對基礎實驗教學內容進行了重新組合，為提高教學效果，對一些重點章節確保有相應的實驗課開出。另一方面將拓寬實驗內容，如在相平衡這一部分，將增加淬冷法研究相平衡綜合性實驗，通過本實驗，將材料科學基礎與材料研究方法課程的有關教學內容結合在一起，加深學生對相關知識的掌握。增開了“固相反應動力學研究”綜合性實驗，實驗室在學院的支持下，結合工程教育專業認證的需要，增加了實驗設備，保證每個學生可以親自動手操作完成實驗。通過以上實踐教學環節的改革，加強了學生對課程中相關理論的理解，提高了實踐動手能力，取得了更好的教學效果。除此之外，根據學生需要，將部分實驗室資源面向學生開放，完成大學生創新創業訓練計劃項目、SSRT 訓練項目，使課程教學與科學研究相輔相成，注重培養學生獲取知識、運用知識、創新知識的能力。

(六)改革課程學習評價方式，增加學習過程評價比重

以往的課程考試，過于注重期末測試在總評成績中所占比重，導致部分學生平時上課不認真，依靠考前突擊通過課程考試。這加重了學生“為了考試而學習”的意識，不利于學生注重平時課程學習的過程管理。鑒于此，在本次課程建設中教學團隊先后進行了兩次考核方式改革，一是實行教考分離，任課教師不參與考試出題，保證考核題目客觀公正；二是在2017 級學生的課程考核中，加大平時成績的考核內容與考核比重，考核內容包括考勤、觀看視頻、課后作業、課程網絡學習平臺測驗、課程小論文等環節，將考核貫穿于課程學習的全過程，降低了期末考試在總評成績中所占的比例，且期末考核的內容均以主觀分析題為主，這便于發揮學生學習的主觀能動性，培養學生的分析、解決問題的能力。如圖1 所示。這些考核方式的改革，有助于督促學生注重平時學習，嚴格要求自己；同時，通過課程小論文的提交，可以引導學生查閱與專業相關的文獻資料，明確課程所學內容在專業領域的應用，進一步激發學生的學習興趣，這些措施的實施，都極大地激發了學生的學習興趣，收到了很好的教學效果。

圖1 課程學習過程評價與期末評價的內容與比例

三、教學改革成效

近幾年來，通過以上課程教學模式改革與實踐，本專業學生對于專業基礎課程的學習更加重視，專業素養有了很大提高。在評價要求相同的情況下，教學團隊對比了近3 屆材料科學與工程專業學生的期末考試卷面成績。與未進行課程改革的2016 級學生相比，可以看到，學生對基礎知識的掌握、分析解決問題的能力有了顯著提高，卷面成績優良率由2016 級的29.2%提高到2018 級的48.65%。不及格率由35.04%下降到18.92%，如圖2 所示。這表明，通過改革教學模式，加強學習過程評價，激發了學生的內在學習動力，教學質量提升明顯。

圖2 近3 屆學生期末考試卷面成績分析

通過近幾年的努力教學改革與實踐，教學團隊老師與學生的課堂內外互動進一步增強，及時引導學生學習，為學生答疑解惑，受到了學生的廣泛好評。2019-2021 年以來，教學團隊先后有兩位主講教師榮獲西安建筑科技大學由學生評選的最受歡迎主講教師榮譽稱號。除此之外，教學團隊老師還積極鼓勵學生參加課外科研訓練及學科競賽等，構建了多元協同的適合新工科發展需求的教學、實踐環節相互促進，具有創新性、可持續的材料類專業基礎課程教學模式，目的在于通過這些訓練，培養學生的創造性思維能力。在今后的課程教學中，材料類專業基礎課程教學將進一步響應教育部提出的打造金課的號召，適應新工科教育對人才培養的要求，進一步加強課程建設，力爭把課程建設為省級乃至國家級一流課程。