新工科背景下“材料科學基礎”課程教學改革探索

劉麗麗

（南京工業大學能源科學與工程學院 江蘇 南京 211816）

新工科背景下，高校新能源材料與器件專業為了滿足國家新能源戰略對人才的需求，亟須培養具有良好的道德情操、文化修養和身心素質；具有扎實基礎理論和專業知識，畢業后能從事與新能源材料和器件相關的生產、設計、研發、教學、咨詢、管理和貿易等工作的高級專業人才。充分結合新能源材料與器件專業的特征，需進一步深化新能源材料與器件專業課程教學改革[1-2]。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出，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的全過程，實現全程育人，全方位育人[3]。“材料科學基礎”課程是材料類專業包括材料化學、新能源材料與器件、材料科學與工程、材料與化工等專業非常重要的基礎課之一，是新能源材料與器件專業的核心課程之一，主要介紹材料的成分、結構與性能三者之間的內在關系。該課程讓學生充分學習掌握材料科學中的理論知識并理解材料微觀結構到宏觀性質的內在關聯，進一步運用專業所學的原理和理論來解釋并解決實際應用中的工程問題，為日后從事新能源材料相關領域的工作奠定基礎[4-6]。另一方面，材料科學是現代國民經濟發展的三大支柱之一，材料更是各個先進技術領域的基石。材料科學的發展和創新是我國由制造業大國向制造業強國轉變的重要一環[7-8]。

1 傳統“材料科學基礎”課程教學的不足

“材料科學基礎”課程知識點繁多且內容抽象，學生理解起來較困難，另外各章節之間知識跨度較大，依賴于數學、物理、化學等學科的基礎，對學生的知識儲備要求較高；概念定義和原理規律較多，缺乏趣味性，學生學起來多靠死記硬背，傳統的單一的課堂教學模式不利于培養具有實踐精神、創新能力的學生；另一方面傳統的教學內容中缺乏對學生思政方面的引導，不利于新時代對學生的全面培養。基于以上兩點，應當對“材料科學基礎”課程的教學進行改革。根據新工科背景下高校培養學生的內在需求，構建科學合理的教學內容,探索行之有效的教學模式，為社會輸出具有正確的世界觀、人生觀、價值觀和高尚道德情操，扎實理論知識功底和卓越實踐能力、創新精神的工程人才。

2 課程教學改革探索

新工科背景下，新能源領域人才培養具有更高的要求，需在新能源材料與器件專業的培養方案和專業特征指導下，加強“材料科學基礎”課程教學改革。在教學內容上結合時代特色切實融入課程思政，教學模式上進行多方位改革，并改革考核方式，最終實現人才的全方位培養。

2.1 融入課程思政

作為理工科的專業課程，專業課教師需要全面探索并深入挖掘本專業知識點與思政教育的契合點，構建專業課內容與思政內容有機交叉并深度融合的高校思政教育課程體系,從而實現專業課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[9-10]。在“材料科學基礎”課程的教學中，一方面向學生介紹我國材料領域的發展現狀和我國在材料科學史上重大發現和發明，增強學生對本專業學科知識重要性的認識；還可結合國際大背景，向學生列舉并討論目前我國在材料領域的一些急需攻關的新材料和新技術，融入家國情懷造就使命擔當。另一方面以書本課程知識點為契機，適當引入人類科學史上一些新材料的探索和發現，學生在課堂上可以體會新科技的發展所離不開創新精神和工匠精神。材料學領域的發展來源于多位先驅科學家的貢獻，可以在每章課程講解之前，與學生分享材料學領域科學家以及諾貝爾獎獲得者的故事，并由此展開本章節的內容，例如，在講述到共價晶體結構材料章節，可以引入安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫利用膠帶發現石墨烯的小故事，讓學生理解科學的突破性和創造性離不開鍥而不舍，以及敢于打破常規，嚴謹務實的精神，從而激發學生對科學研究和本專業的熱情，最終實現思政元素與教學內容的有機融合。除了線下授課方式之外，一些優質的線上教學平臺和資源，比如大國工匠、大國重器等精品在線課程，也可以作為一種更直觀的教學方式。更形象直接地引導學生樹立良好的科學觀、人文觀，讓學生在學習中既開闊了眼界又培養了愛國主義情懷，收獲了知識又增強民族自豪感；課余還可以向學生分享、推送材料科學領域最新的發現和動態，激發學生的專業認同感和對材料學的興趣；此外還可以鼓勵學生和本專業教師進行互動，了解并充分參與導師們的科研工作，了解科技前沿動態和行業未來發展格局。

2.2 改革教學模式

2.2.1 混合式教學

多媒體網絡技術的發展為教學模式的創新提供了新的方向。網絡化教學與傳統線下教學模式優勢互補，多渠道促進學生對課程知識的掌握和創新實踐能力的培養。一方面，教師可以利用在線平臺為學生提供“材料科學基礎”課程的授課視頻資料、課件以及參考材料。學生可以在課余時間進行課前預習、課后復習以及疑難知識點的進一步學習。另一方面，在線下教學過程中，尤其是在一些疑難知識點的講解過程中，可以借助多媒體技術在課件中插入動畫、模擬仿真視頻等資源，從而使口頭講解難以清晰表達的內容以圖文并茂的形式更生動形象地展現給學生，進一步增強授課效果。例如在講解位錯章節時，可以借助動畫來展現刃位錯和螺位錯的形成原理，動畫中把刃位錯的運動比喻成毛毛蟲的蠕動，可以讓學生在短時間內理解刃位錯的形成及運動規律，一顆鉚釘可以引發飛機失事的動畫則展示出微觀原子缺陷如位錯如何影響金屬材料的性能，通過視頻學生能將抽象的知識點和宏觀具象的材料性能結合起來，從而領略材料學的奧妙，產生科研的興趣。

2.2.2 定制化教學

本課程主要是面對新能源材料與器件專業的學生開設的，教學過程中教師應結合新能源材料與器件專業的培養目標，具體制訂教學方案和教學內容。首先，在統籌整個教學過程中，除了整體教授“材料科學基礎”的基本知識，還應當在每章節中設計一些與新能源材料相關的知識點拓展與延伸，幫助學生加深對本專業的認知和認同感。例如，在晶體結構章節中，講述到共價晶體結構時，教師可以給學生引入碳材料、石墨烯材料等，并介紹其在鋰離子電池中的應用；在缺陷章節中，通過對比金屬晶體缺陷和離子晶體缺陷的特征，并討論不同缺陷對材料導電性的影響，進一步拓展到在電池領域內這類材料的導電性對其電化學器件的電化學性能的影響。通過知識點的拓展和交叉融合，可以一方面培養學生對材料學的興趣，另一方面還可以加深他們對本專業的認同感以及學以致用的信念感。

2.2.3 多維度聯合教學

專業課教育與創新創業教育相結合的聯合教學方式可以培養學生的綜合能力。以“互聯網+”“挑戰杯”等國家級或省部級賽事為載體，實現“材料科學基礎”課程教學與創新創業教育的融合，進一步強化學生的創新思維能力。一方面，教師可以根據“材料科學基礎”課程的具體教學內容，設計并衍生出一些科技創新或者競賽課題，在學校學院的支持下，帶領學生開展創新創業訓練并參加一些競賽類活動，激發學生的創新和挑戰意識。在這個過程中，教師必須發揮指導者的作用，從專業層面給予參賽學生相應的指導。另一方面，專業課教育還可以與學校教師的科研課題相結合，專業課教師可以給學生介紹分享本專業教師的研究方向，鼓勵學生主動了解并參與院系導師們的科研活動，并積極申報國家、省部以及學校等不同級別的創新創業訓練項目。通過科研項目的有效訓練和培養，學生在學科競賽、挑戰杯等項目上取得優異成績，更好地達到新工科背景下人才培養的目標。

2.3 改革課程考核模式

新工科背景下人才的培養離不開合理有效的考核模式。傳統的試卷考核方式能夠在一定程度上反映學生對課程知識的掌握情況，但缺少對學生的品德素質、學習效果以及創新能力等方面的全面衡量，因此對現有教學考核模式的改革勢在必行。“材料科學基礎”課程為了盡可能全面、客觀、準確地反映學生對知識、基本技能的掌握程度，評價學生的創新能力、實踐能力，平時成績應包含課堂表現、學習態度、課程測驗等方面。例如，教師可以在每章節準備幾個開放性的思考題，鼓勵學生利用課下時間思考，并在后續課堂上進行充分交流討論，既訓練學生的創新思維能力，又可以把學生思考與討論的情況作為考核依據。在期末考核部分，應適當刪減傳統試卷中純背誦的問答和計算題目，增加一些本課程與實際應用聯系緊密的綜合性和分析性試題，更加全面地考查學生應用本課程所學知識去理解、歸納、分析、解決實際問題的能力，從而達到對于人才創新性和實踐性能力的培養目標。

3 結語

“材料科學基礎”是新能源材料與器件專業重要的專業核心課程之一，課程的教學成效對“新工科”背景下創新型、專業型、復合型人才的培養至關重要。該課程在教學內容和教學方式上必須要同步進行改革。本文對“材料科學基礎”課程教學改革進行了探討，從融入課程思政，到改革教學模式包括混合式教學、定制式教學、多維度聯合教學方式，在改革考核模式等方面開展了教學改革與探索，為新工科模式下高校培養具有高尚道德品質、家國情懷和卓越創新精神、實踐精神的工程人才提供了一定的參考。同時，本文所提出的“材料科學基礎”課程的教學改革內容和模式還需要在后續的教學實踐中進一步探索與改進。