功能材料通識課程教學改革探索與實踐

于耀光　張小雨　崔清

摘? 要：材料類通識課程是理工類及綜合性高等學校通識課程體系中的重要組成，對材料類通識課程教學內容、教學方法和教學效果的探討有助于提升該類課程的教學質量，是一項有意義的教學活動。該文以無處不在的功能材料通識課程的課程建設和教學改革為例，剖析傳統功能材料通識課程課堂的教學特點和存在的問題，介紹無處不在的功能材料通識課程建設過程中注重思政內容的思想性引領，兼顧通識教學內容的系統性和趣味性，以成果和學習興趣牽引學習內驅力的教學實踐。

關鍵詞：通識課程；功能材料；教學改革；課程思政；教學內容

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）11-0009-04

Abstract： The materials liberal education courses are important components of the liberal education system not only in science and engineering colleges and universities， but also in comprehensive colleges and universities. The discussion on the teaching content， teaching methods and teaching effectiveness of materials-based liberal education courses is helpful to improve the teaching quality of these courses. It is a meaningful teaching activity. Firstly， taking the curriculum construction and teaching reform of the ubiquitous functional materials liberal education course as an example， this paper analyzes the teaching characteristics and existing problems of the traditional functional materials liberal education courses. Secondly， this paper emphasizes that the construction process of the ubiquitous functional materials liberal education course should focus on the ideological guidance of the ideological and political content. Moreover， this paper argues that the materials-based liberal education course should take into account the systematicity and interestingness of the teaching content， and the teaching practice of internal driving force of learning should be drawn by the outcome and learning interest.

Keywords： liberal education courses; functional materials; teaching reform; ideological and political courses; content of courses

習近平新時代中國特色社會主義思想對人的全面發展作出生動詮釋，習近平總書記在《之江新語》中闡述：“人，本質上就是文化的人，而不是‘物化的人；是能動的、全面的人，而不是僵化的、‘單向度的人。[1]”全面提升國民素質是踐行習近平新時代中國特色社會主義思想的重要組成部分。2021年6月國務院印發的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》指出，“科學素質是國民素質的重要組成部分，是社會文明進步的基礎”，“深化科普供給側改革，提高供給效能”。高校作為知識和技術創新的重要場所，既要培養拔尖型高水平人才，也要肩負起提升國民科學素質的重任。高校的通識教育強調學生“融會貫通”不同學科的知識，能夠與不同文化、不同專業背景的人進行溝通合作，還著力培養學生“博聞強識”，對實際問題的關注、理解與洞察的能力[2]。中山大學通過“推金課，治水課”構建了完善的本科教學體系，在深圳校區努力培養基礎扎實、技藝精湛的拔尖型新工科人才和醫術高超的高水平醫師。新工科和醫科實踐活動過程中必然面臨處理人與自然的關系、人與他人的關系和人與自我的關系，因此加強通識課程建設成效是培養優秀新工科和醫科人才的內稟要求[3]。無處不在的功能材料是在中山大學深圳校區開設的一門通識類公選課，課程面向中山大學在深圳校區培養的新工科及醫科專業本科生，主要介紹金屬功能材料、無機功能材料和有機功能材料的發展歷程、制備表征方法及性能評價指標。本文以中山大學深圳校區無處不在的功能材料通識課程教學改革探索為例，對課堂教學中存在的問題、成因及解決對策進行探討，為面向新工科和醫科專業類本科生的通識類課程建設提供建設性的建議（圖1）。

一? 傳統功能材料類通識課程課堂教學的特點和存在的問題

功能材料是通過科學研究和技術轉化開發出的具有特定功能的物質材料，功能材料的發展推動了人類科技的不斷進步。在工科和醫科領域，新型功能材料的出現往往會催生新型的工程器械和醫療裝備，能夠對工程實施和診療方式產生變革性影響。但在傳統的通識課程課堂教學組織方式下，存在著學生選課重“分數效能”、課堂學習參與度低及教學效果不明顯等問題，具體體現在以下三個方面。

（一）? 課堂教學效果與通識課程存亡的“零和博弈”

自2009年以來，中山大學一直推行通識教育核心課程計劃，為保證教學質量，每學期所有通識課程（含過往已開設的課程）開課前學校將嚴格組織評審，評審不通過將不予開課。2010年學校頒布的《中山大學普通本科生修讀公共選修課程（通識教育課程）暫行管理辦法》要求全校文理工科全日制普通本科生須在本科階段修滿通識教學課程16學分[4]。自2021年起中山大學按照大類培養方案招收本科生，2021級大類方案中要求通識教學課程8學分（其中包含2分藝術類通識課）。在通識課程學分縮減的背景下，一方面，通識課程成績在學生總成績中的占比降低，部分學生將投入精力與所能獲得的分數的比例（即“分數效能”）作為選課的主要考量；另一方面，教師開設通識課程存在選課人數的閾值（選課超過15人才能開課），教師需要吸引足夠人數的學生選課才能保證通識課程順利開課。在學校嚴格審核教學內容和學生選課重“分數效能”的雙重影響下，部分通識課程出現課堂教學效果下降的現象，課堂教學效果與通識課程存亡的“零和博弈”現象由此產生[5]。雖然在學校強力推行“推金課，治水課”政策后上述現象已得到一定程度的緩解，但仍需通過有效的通識課程教學改革探索從根本上消除課堂教學效果與通識課程存亡的“零和博弈”。

（二）? 學生課程投入程度與授課內容深度的“針鋒相對”

功能材料涉及繁雜的物理、化學等學科的基礎原理，理論知識和應用實踐高度結合，不同專業背景的學生對功能材料原理知識點的理解能力和對功能材料性能應用的了解程度存在較大差異。如果理論內容涉及過多，學生會因為學習基礎不同和前續課程差異對課程的投入程度下降，導致“教師在講臺賣力推公式，學生卻低頭沉浸玩手機”現象的出現。然而如果一味降低課程授課內容的深度，僅僅講授各種功能材料在國土防衛、航空航天、國民經濟及日常生活等領域中的應用實例，難免落入“教師講案例，學生聽故事”的初級課程建設層次，課程的授課內容無法達到一定深度，學生會因功能材料性能基礎原理知識的缺失無法與所學專業知識產生共鳴，以致很難實現“融會貫通，博聞強識”的通識教育理念[6]。因此，如何通過有限的課堂教學時間讓學生掌握不同種類功能材料與應用性能相關的基礎原理，啟迪不同專業背景學生基于所學專業知識和功能材料的性質進行創新性思維，并能在未來學術研究或工作實踐過程中對功能材料進行創新性的應用，使課程建設朝著緩解直至最終消除學生課程投入程度與授課內容深度的“針鋒相對”現象的方向發展，也是無處不在的功能材料通識課程在教學改革探索中思考的主要問題。

（三）? 教學效果顯效遲緩與成果導向需求迫切的“兩難境地”

在專業課學習過程中，根據學科特點建立的課程體系具有知識連貫性，前續課程良好的教學效果能夠在后續課程的學習過程中得到直接體現。以中山大學材料學院材料類本科生為例，材料科學基礎課程成績優異的學生在材料表征技術、科研訓練及畢業設計等培養過程中的學業表現均高于同年級平均水平，這類學生也更容易通過大學生創新創業訓練項目等活動產出科研成果，從而進入“成績高→成果好→愛學習→成績高”的正反饋循環。相比于專業課程，學生選修通識課程通常以“分數”為導向，教學效果在學生課程結束時的主要體現是高分，較難進入基于成果激勵學習動力的前述正反饋循環過程。此外，以獲得“高分”為目標的通識課程學習僅能增長一些“科普”知識，與傳統意義上的全校選修課達到的教學效果并無二致[7]。因此，如何將功能材料通識課程的教學效果在基于成果導向的教學目標下有效呈現在對新工科及醫科類本科生的培養成效上，是無處不在的功能材料通識課程建設過程中探索的主要方向。

二? 無處不在的功能材料通識課程教學探索與實踐

無處不在的功能材料通識課程通過介紹新材料的功能和性質架起物理、化學等學科基本原理與材料實際應用之間的橋梁，授課過程中一方面避免單純講授基本原理中晦澀枯燥的定理公式、推導過程“勸退”跨專業學生，另一方面通過讓學生了解功能材料的前沿發展啟迪創新性思維，豐富實踐過程中基于先進功能材料進行技術創新的手段。在無處不在的功能材料通識課程內容建設和教學方法探索過程中，堅持“思政為骨，通識為筋，成果為肌”的課程建設思路，綜合運用多種教學方法為學生塑造核心價值觀、拓展前沿知識面和牽引學習內驅力，使新工科和醫科類本科生能夠在以成果導向教育（Outcome based education，OBE）理念指導下的培養過程中“明志向、強基礎、結碩果”，課程建設和教學方法探索主要從以下幾個方面展開。

（一）? 思政為骨，凝神聚氣，塑造社會主義核心價值觀

筆者在探索無處不在的功能材料通識課程建設與教學改革過程中深切體會到，前述功能材料通識課程課堂教學過程中暴露的三方面問題的根源都是思想問題。教師需要在滿足功能材料通識課程知識廣度和啟發性的基礎上，幫助學生樹立更為遠大的學習目標，擺脫修讀通識課程單純追求高分數的誤區。強化授課過程中的思政元素，聯系材料領域實際應用問題激發學生的學習動力無疑是實現上述目標的有效途徑。中山大學十分重視學生思政教育，以2021級計算機大類招收的990名本科生為例，學生大一學年集中培養期間需要修讀習近平新時代中國特色社會主義思想概論等合計9學分的思政課程，學生完成思政系列課程學習后會系統性地掌握新時期社會發展方向、國家建設目標等方面的內容。無處不在的功能材料通識課程的思政內容在中山大學前續思政課程授課內容的基礎上，避免生搬硬套學生已經系統學習過的思政理論，而是根據當前信息傳播特點和學生學習興趣，緊密融合“卡脖子”材料-熱點時事-思政元素，建立思政案例庫，在學生逐漸明確學習目標的過程中“凝神聚氣”，鼓勵學生投身國家建設需要的行業，在建設國家過程中達到自我實現的人格需求。目前，無處不在的功能材料通識課程已經實現在每次授課環節（2學時）中引入課程思政內容。

以無處不在的功能材料通識課程“高溫合金”部分的思政內容教學設計為例，從情懷和實效兩個方面塑造學生愛國、敬業的社會主義核心價值觀。高溫合金是航空航天、能源動力及化工生產等國民經濟發展基礎領域關鍵設備的核心材料，卻長期被美歐等發達國家實施技術封鎖及產品禁運。2021年3月，習近平總書記在《求是》雜志撰文指出，實踐反復告訴我們，關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。2020年9月，習近平總書記在科學家座談會上的講話中強調：“希望廣大科學家和科技工作者肩負起歷史責任，堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學技術廣度和深度進軍?！闭n堂講授過程中，以我國高溫合金領域的奠基人師昌緒為例，培養學生的愛國情懷。師昌緒突破了歐美在鐵基、鎳基高溫合金領域對我國的封鎖，為我國在高溫合金領域的發展作出了突出貢獻，其在20世紀50年代由美學成回國，其在婉拒導師科恩教授的挽留時說道：“我是中國人，中國需要我，而美國并不缺少我這樣的人。”另一方面，因選修課程的新工科及醫科類本科生就業后未必從事材料研發領域的工作，課堂講授過程中還應從實效的角度出發，鼓勵學生在未來科研和工作中支持國產材料，從自己專業角度運用國產材料并朝實際應用的方向努力，這樣既能產生經濟效益，還能憑借需求升級拉動國產材料技術迭代。

（二）? 通識為筋，博聞強識，拓展前沿知識面

無處不在的功能材料通識課程在教學內容設計中根據通識課程的特點，既重視課程知識點的系統性，避免學生對不同種類功能材料“走馬觀花”式的學習，還重視課程的趣味性，充分調動學生的學習積極性，從而提升對前沿知識的接受度。在知識系統性方面，課程金屬材料部分以材料力學性質為介紹金屬功能材料的主線，通過材料對不同力學性質的側重點介紹高溫合金、彈性合金和形狀記憶合金等金屬材料的發展與應用；無機非金屬材料部分以當前“卡脖子”的芯片制造技術中材料科學問題為主線，系統介紹無機半導體材料的結構、半導體器件工作原理、制程工藝及所需的各種基礎材料制備技術；有機材料部分以顯示技術為主線，從傳統-現代造紙技術、電子顯示技術切入，系統介紹聚合物材料的催化合成過程、液晶分子及有機發光材料的作用機制方面的內容。以上內容主要從介紹材料發展歷程進一步過渡到當前正在應用的主流材料的性能，并通過互動式探討引出未來應用需求下的材料發展方向。通過讓學生掌握不同材料的發展歷程與現階段的材料性能，啟發學生基于通識內容拉動對未來所需材料性能的創新性思維，并在課堂互動式討論過程中鞏固通識內容，強化創新性思維方式，從而達到基于通識拉動創新進而拓展學生前沿知識面的教學目的。

針對本科生的通識教育通常旨在塑造其基本學科素養，同時能夠為學生未來的發展拓寬選擇面。以本課程面向的新工科和醫科各專業的學生為例，他們很少涉及金屬功能材料類的課程，對特殊功能合金的知識了解不多，然而金屬功能材料的發展對國防、經濟和農業技術等方面的發展至關重要。無處不在的功能材料通識課程對其中如形狀記憶合金及磁性材料等的介紹，化解其作用原理中記憶效應及磁學理論部分晦澀的物理知識和數學推導，將此類金屬功能材料的發展現狀展現給非材料類專業學生，拓展了學生對金屬功能材料領域前沿知識的視野。在一次隨堂測驗中，一名醫科專業的學生結合課程所學的記憶合金知識和醫科學生扎實的素描繪畫技能，設計繪制了一幅基于形狀記憶合金材料制作的用于賽車防護性座椅的素描圖，給筆者在留下了深刻的印象。在課程趣味性方面，無處不在的功能材料通識課程從“關系”的角度著手，借助“父母-朋友”關系的角度吸引學生的學習興趣。以父母關系為例，筆者在與本科學生的日常交流過程中了解到，當前的大學生與父母的共同話題不多。因此在有機材料部分聚合物合成及聚合物半透膜性質內容的教學設計中，通過以目前很多家庭都具備的反滲透凈水器為例，基于半透膜滲透壓的原理介紹反滲透過程濃縮水和純水兩部分液路，讓學生了解反滲透凈水器需選擇純水出水比例高，且日常維護需定期沖洗濃縮水一側的液路避免滋生細菌，進而將課程學習到的通識內容轉化為學生與父母間的話題，使學生在與父母的溝通中強化對通識知識的理解并能傳播科普性的通識內容。

（三）? 成果為肌，興趣導向，牽引學習內驅力

無處不在的功能材料通識課程在教學內容設計中堅持以興趣為導向拉動學生學習的內驅力。然而在科技快速發展和物質極大豐富的今天，學生接觸各種傳統功能材料的應用和通過新媒體了解先進材料原理的機會大幅增多，如何在此基礎上繼續保持學生課堂學習中的注意力，構建興趣點是無處不在的功能材料通識課程建設過程中著力解決的問題。在教學內容設計中，無處不在的功能材料通識課程不拘泥于理論課形式的課堂面授，通過將當前國際國內的熱點時事與先進功能材料的具體應用聯系起來，建立“需求源于生活，辦法源于知識”的興趣導向。

在本課程的“形狀記憶合金”和“半導體光催化材料”教學實踐過程中，以當前各國在碳中和發展趨勢下迫切尋求替代傳統化石能源的新能源背景下，首先在設置課堂討論環節，讓學生結合當堂所學內容思考如何應用形狀記憶合金和半導體光催化技術替代傳統化石燃料，為使所有學生都充分討論，設置課堂互動成績（占總成績20%）。隨后通過自制教具讓學生動手實踐新能源的轉化過程，包括以形狀記憶合金為主要部件，將地熱能轉化為機械能的演示裝置；以半導體光催化材料為主要媒介，將太陽能轉化為化學能的演示裝置。從而使學生在“討論-思考-實踐”過程中產生以興趣為導向的學習內驅力。同時以學生為中心作為核心教育理念，就要做到保障所有學生的能力得到鍛煉，防止只重視培養少數拔尖人才而忽略全體學生的發展，因此便要做到加強每一位學生的課堂參與感；以學生學習成果為教育導向，要求學生不僅學會“吸收”與“消化”，更要學會“轉化”與“升華”；持續質量改進要求教師及時關注課堂動態、及時更新教學內容，循序漸進，依據學生特點引導其個人發展的同時，促進良性競爭以進一步提高教學質量。另一方面，通過課程學習及課堂討論環節增進跨專業學生的相互了解，鼓勵學有余力的學生結成興趣小組，依托“大學生創新創業訓練計劃項目”“全國大學生數學建模競賽”等平臺，瞄準新工科專業間及新工科與醫科專業間學科交叉碰撞出的新需求，憑借不同功能材料的性質，運用創新性的思維嘗試解決新需求。這種以成果為牽引的學習模式能夠極大提升學生的學習熱情，并能夠將通識教育的教學效果通過學術競賽的形式展現出來，從而將OBE教育理念有機融入無處不在的功能材料通識課程建設中。

三? 結束語

無處不在的功能材料通識課程開課以來，學生選課率（選修人數/選修上限）每學期均在80%以上，學生的學習熱情較高。課程建設注重思政內容的思想性引領，兼顧通識教學內容的系統性和趣味性，以成果和學習興趣牽引學習內驅力，取得了良好的教學效果。與此同時，必須深刻地認識到教學相長是一個必要但長期的過程，然而學生僅有一次修讀該門課程的機會。因此，課程建設中教學改革的內容需要“小步快跑”，教師需要準確把握教學方法和教學技術發展的方向，快速掌握最新的教學方法和教學技術，穩步推進教師教學方法和教學技術在教學實踐中的應用。下一步，無處不在的功能材料通識課程將進一步豐富課程思政案例庫，保持授課內容與時俱進，拓展學生產出成果的平臺，不斷提升課程教學質量與培養成效，以期為材料類乃至新工科類通識課程建設提供參考案例。

參考文獻：

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基金項目：廣東省高等教育教學研究和改革項目“《無處不在的功能材料》通識課程教學方法改革”（粵教高函〔2023〕4號）；中山大學2021年度本科教學質量工程一院一課項目“無處不在的功能材料通識課程教學方法改革”（中山大學教務〔2021〕93號）

第一作者簡介：于耀光（1985-），男，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，工學博士，副教授。研究方向為光電催化材料在新能源領域的應用。