材料科學與工程基礎實驗課程思政教學的實踐與探索

廖成竹，章劍波，李慧麗，李艷艷，王海鷗，葉飛，田顏清

(南方科技大學材料科學與工程系，廣東 深圳 518055)

0 引言

習近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會議上強調，高校要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。2018年教育部發布進一步強化課程思政和專業思政，形成專業課教學與思想政治理論課的教學緊密結合、同向同行的育人格局[2]。《高等學校課程思政建設指導綱要》提出全面推進高校課程思政建設，對理工科專業課程，要將馬克思主義立場觀點方法與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力[3]。

材料在人類發展歷史中一直都發揮著重要作用，是現代科技發展的重要方向之一，因而培養高質量的材料專業新工科人才尤為重要。“材料科學與工程基礎”是材料專業人才培養體系中一門主要專業基礎課程，與其同修的“材料科學與工程基礎實驗”課程是學生理解和掌握理論知識的重要途經，是培養材料專業創新人才的必經之路[4]。

1 材料科學與工程基礎實驗現狀

歷經9年來的建設，南方科技大學“材料科學與工程基礎實驗”已形成包含晶體結構、力學性能、相圖和化學性質等四個模塊，涵蓋金屬、陶瓷和高分子材料，設置了兼具創新性和綜合性的五個實驗室[5]。教學團隊對該實驗課程進行了持續的教學改革，實驗內容具有創新性、系統性、綜合性和全面性等四個特點[6]。近年來，教學團隊建設了課程慕課和虛擬仿真實驗，均已在智慧樹平臺上線，結合現代信息化工具“微課”和“雨課堂”，逐漸形成了“慕課”和“虛擬仿真實驗”深度融合的“虛擬學堂”[7]。課程教學采用線上線下混合式教學模式，取得了良好的教學效果。然而，與眾多理工科課程相似，開展專業知識授課和實驗實踐教學的同時，缺乏思政教育的融入，不能達到良好的育人效果，不利于培養新一代德才兼備的新工科人才。目前課程已擁有完善的線上教學資源，教師如何在此基礎上實施線下實驗教學，如何發揮學生自主學習的能力，提高學生創新意識，提升實驗教學質量，這給課程教師帶來了很大的挑戰。

2 融入課程思政元素的“材料科學與工程基礎實驗”

基于以上實驗課程現狀，實驗教學團隊始終堅持將能力培養、價值引領和知識傳授相結合，深入挖掘課程和實驗教學方式中蘊含的思想政治教育資源，將課程思政元素有機地融入實驗教學全過程中，形成專業課教學與思想政治理論課教學緊密結合，同向同行，落實立德樹人的任務，培養德才兼備的新工科人才。課程的思政建設內容包括教學團隊共同深入挖掘課程思政元素，設計各實驗項目思政教學內容及其切入點；與此同時，在“慕課”和“虛擬實驗”深度融合基礎上，結合現代化信息工具“微課”和“雨課堂”，以學生為中心，嘗試翻轉學堂，改變傳統“教-學”的模式。

2.1 “材料科學與工程基礎實驗”課程思政設計

“材料科學與工程基礎實驗”包含了8個實驗章節/項目，分別是緒論+安全培訓及測試、金屬晶體中的原子排列、金屬熱處理及硬度測試、熱處理后金相樣品制備與觀察、金屬的拉伸性能與加工硬化、聚合物鏈結構對拉伸性能的影響、聚合物的沖擊、硬度及熔體流動指數測試、Sn-Bi/Sn-Zn合金二元平衡相圖等實驗。作為一門重要的專業基礎課程，課程思政內容面廣，包括實驗室制度、實驗室操作規范、實驗室安全與環保、實驗倫理及工程倫理、學術道德規范、工匠精神、科學素養以及創新實踐科學方法等。課程將專業知識和思政育人元素貫穿于整個實驗教學環節中，同向同行培養德才兼備的新工科人才。下面主要介紹其中三個實驗的課程思政教學設計及實施方法。

2.1.1 金屬晶體原子排列實驗

在講解晶體學相關概念之前，引入對晶體學作出巨大貢獻的科學家如Weiss(韋氏晶帶定律)、Miller(米勒指數)和Bravais (布拉維格子)，學習先輩們堅持不懈的科研精神。介紹材料非晶和晶體概念時引入碳的同素異形體，在此切入“無序到有序”“常見到罕見”的育人元素，教育學生由“質變到量變”的具體過程，需要特定的環境條件，應該付出努力，克服各種困難，迎接挑戰，鼓勵學生養成終身學習的習慣。

結合慕課和虛擬仿真實驗，線下實驗采用“翻轉課堂”教學方式，以學生為中心，教師為引導，促進學生課上積極思考，參與課堂討論，打破傳統的實驗“教－學”模式，有效地提升教學質量。在“金屬晶體的原子排列”實驗中，課前學生已經對晶體學的概念和背景知識有了一定的了解，結合虛擬實驗完成情況，教師在課中強調重難點，和學生一起討論，鼓勵學生多提問，多思考，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，進一步培養學生的創新思維。例如：利用乒乓球在金屬B板上堆垛面心立方(FCC)結構得到一個五面錐體，實驗要求學生用晶體學知識標定這五個面的晶面指數。在晶面標定的教學環節中，教師需要通過引導，鼓勵學生動腦筋，勤思考，進而加深學生對晶體學理論知識的理解。

2.1.2 金屬熱處理、硬度及金相樣品觀察實驗

金屬熱處理、硬度及金相樣品觀察實驗是課程中一項金屬材料“加工工藝-性能-應用”的綜合性實驗，實驗要求學生了解常見的熱處理工藝、掌握顯微硬度計的使用、熟悉金相樣品制備和顯微鏡觀察、學會分析材料加工工藝-性能的相互關系。實驗課程中蘊含著豐富的課程思政內容，熱處理學史、顯微鏡發展史、科學家精神、科研創新精神、探索材料內部組織，領略材料之美。

介紹熱處理學史時，從學生感興趣的“鑄劍”畫面引入，將鐵件放入紅通通的爐子加熱，取出大力敲打，俗稱“打鐵”，不時還將紅通通的劍放入冷水中，“嗤”的一聲，還冒著“煙”。劍的制作與熱處理緊密關聯，受限于落后的科學，古時候人們對熱處理知識和原理不了解，僅限于經驗。科學發展歸功于先輩科學家的無私貢獻，鐵碳相圖給鋼鐵熱處理奠定了理論基礎。本實驗設計使用生活中常見的鋸條(T8鋼)，在900 ℃高溫爐加熱轉變為奧氏體組織，然后進行四種不同熱處理方法制備得到不同的鋼件。空氣中冷卻得到正火細珠光體組織，爐子里緩慢降溫得到退火粗珠光體組織，水中快速降溫得到淬火馬氏體組織，將淬火鋼在400 ℃回火得到回火索氏體。由于形成的金屬組織結構不同，其力學性能也不同，因而得到的材料應用領域也不同，讓學生充分領會“材料加工工藝-性能-應用”的關系。

我國著名的熱處理專家雷廷權院士，亦是國際熱處理協會主席，他是材料科學與工程領域著名學者，長期從事材料及熱處理研究，奠定了形變熱處理的理論基礎，開創了形變化學熱處理新領域，建立了雙相鋼強韌化新理論，提出了陶瓷相變韌化與復合韌化以及金屬表面陶瓷化的新機制。雷院士治學嚴謹、勤奮刻苦、一絲不茍、堅韌如鋼、身先士卒的科學家精神傳承給下一代的材料人。

金相實驗中，介紹顯微鏡的發展史，胡克利用凸透鏡組合搭建了簡易的顯微鏡，觀察到細胞結構，從此發展了微生物學科，后來光學顯微鏡應用于各行各業。本實驗利用金相顯微鏡觀察了熱處理后T8鋼的顯微組織，學生首次觀察材料的顯微組織，打開了學生探索材料微觀世界之門，領略了材料之美。通過研磨拋光金相樣品，培養了學生正確面對失敗、持之以恒、堅持不懈的科學精神。鼓勵學生參加校級、省級和國家級金相技能大賽和微觀攝影大賽，近兩年學生先后獲得了省級和國家級金相大賽一、二等獎的優秀成績。

2.1.3 高分子沖擊、硬度及熔體流動測試實驗

隨著科技的日益更新，高分子材料的應用已經從人們生活的衣食住行拓展到航空航天和生物醫藥等高科技領域，對人類的生活產生了深遠的影響。建國之初，我國高分子科學一片空白，遠遠落后于國外高分子科學。我國高分子化學事業的主要奠基者王葆仁教授帶領科研團隊率先在國內完成了聚甲基丙烯酸和聚己內酰胺的研制和工業化生產，在我國首次研制出了有機玻璃和尼龍6，同時他也是有機硅化學及聚合物的創始人之一[8]。王葆仁教授從國計民生出發選擇科研課題，為高分子事業鞠躬盡瘁三十余年，學生深深地感受到老一輩科學家的家國情懷和科學品質。高分子材料行業的高速發展，離不開幕后的科研人員刻苦鉆研的科研精神，科研團隊共同協作、艱苦奮斗、精益求精的工匠精神。弘揚社會主義核心價值觀，鼓勵學生投入到我國高分子材料事業的建設中來，為國家的富強與民族振興而奮斗。

講述高分子的特性時，高分子的鏈運動具有溫度依賴性特點，隨著溫度升高，聚合物經歷玻璃態、高彈態到粘流態，不同溫度下形變不同，運動的主體從鍵長鍵角改變到鏈段/長鏈的運動。由此給學生引入“環境適應性”育人元素，引導學生思考在社會不斷進步的大環境下，應該成為怎樣的人。雖然我國科技正快速發展，但是一些關鍵的核心技術受到遏制，因此如何培養學生成為有責任、有擔當、有專業技能的未來接班人，面對前所未有的困難和挑戰，教導學生將所學知識靈活應用、適應瞬息變化的社會，只有不斷學習、改變自己、勇于挑戰自我，成為新一代的材料工程新工科人才，解決更多的卡脖子技術，為社會作出更大的貢獻。

高分子沖擊、硬度和熔體流動指數測試實驗中，材料的性能測試都有其特定的測試標準，例如美國材料實驗協會ASTM標準和行業標準。依據標準制備測試樣品，按照標準進行測試，所測數據才賦予一定的意義，可作為材料性能的參考數據。實驗過程中，培養學生嚴謹的科學態度，如實記錄實驗數據，學習科學計數的方法。實驗數據分析時，取平均值并計算標準偏差，掌握使用Origin軟件進行繪圖。用英文書寫實驗報告，學會查閱中英文文獻，分析討論實驗結果。實驗課程各個教學環節處處都蘊含著思政育人元素，教師應將思政教育融會貫通，恰如其分地滲透到課堂教學中，真正做到專業教學和思政育人同步同行，拓展專業教育的深度與廣度，提升專業教學的水平，培養德才兼備的新工科人才。

2.2 “材料科學與工程基礎實驗”課程思政的教學方法

提高教學隊伍的思想道德素養。師者，傳道授業解惑也，必先明道、信道[9]。因而高等院校教師要堅持先接受師德師風教育，努力成為思想政治先進思想文化的傳播者，言傳身教，堅持教書和育人相統一，做到以德立教。

將思政教育與材料專業課程相融合，深入挖掘專業課程中思政元素，優化專業課程教學設計，培養學生的專業人文素養。實驗課程的理論知識介紹部分，充分挖掘材料中包含的歷史背景及現實意義，通過介紹和分析這些歷史背景或經典人物故事，培養學生的人生觀、價值觀，學習材料先輩們的工匠精神、刻苦勤奮的意志力，引導學生們要有理想、有抱負，同時也要腳踏實地、勤奮學習，增長飛揚的動力。

在實驗實踐教學過程中，做到“全員育人、全過程育人、全方位育人”，多方面、多角度、多維度地對學生進行教育。實驗安全教育及培訓，增強學生對生命安全至上的意識，珍惜生命，規范實驗操作。培養學生實驗的條理性、合理性、團隊合作精神、領導力、分析問題解決問題的實驗素養。培養學生養成科學處理實驗數據、規范書寫實驗報告的科學素養，杜絕纂改數據、學術造假等作弊現象。培養學生正確面對實驗失敗，找出問題，分析問題。

充分利用互聯網+先進教育技術，結合當代大學生的特點，采取多元化的實驗教學模式，提升實驗教學質量。結合課程慕課和虛擬仿真實驗，線下實驗采用翻轉課堂，以學生為中心，教師為引導，鼓勵學生課上積極思考，參與課堂討論，打破傳統實驗“教－學”模式，有效地提升教學質量，進一步打造“三全育人”模式。

2.3 “材料科學與工程基礎實驗”課程的考核評價

該課程考核評價分過程性考核評價和終結性考核評價。過程性考核評價包括安全測試、課前預習、實驗操作、課堂討論、“勞育”表現等。終結性考核評價由課程實驗報告和一份課程思政報告組成，詳細的考核評價標準見圖1。學習實驗安全知識，培養安全意識，通過院系實驗室安全測試。課前學生完成慕課學習及虛擬仿真實驗，課中雨課堂答題檢查預習情況，引入思政教育元素，激發學生互動討論。實驗課上，學生積極完成實驗，實驗操作要有條理性、合理性，主動完成實驗室公共衛生的清潔工作。實驗報告的完整性、真實性、條理性和規范性將是課程終結性考核評價的重要組成。此外學生需完成“我心中的一名國內材料科學家”論文報告，介紹科學家典型事跡，以及他對學生產生的重要影響，學習材料學家大國工匠精神，弘揚中華民族文化精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

圖1 “材料科學與工程基礎實驗”課程的考核評價

3 結語

專業教學是課程思政的重要載體，課程思政亦為專業教育注入了靈魂，使之更加生動易懂。在材料科學與工程基礎實驗課程中全面推進課程思政建設，深入挖掘專業課程中思政元素，優化專業課程教學設計，在實踐教學過程中，做到多方面、多角度、多維度地對學生進行教育，構建真正的全員、全過程、全方位育人格局，為培養德才兼備的新工科人才作出更大的貢獻。