“五位一體”創新教學模式在材料科學與工程基礎教學中的應用

摘? 要：材料科學與工程基礎是材料學專業的一門重要的專業基礎課。作者針對當前學生思維活躍，接受能力強，但理論基礎較差，偏好實踐性、互動性、多樣性教學過程的現狀，對該課程采取融合實物演示、趣味課堂活動、科研工具軟件演示、趣味實踐作業和實物激勵法的“五位一體”創新教學模式，從而在課程教學中做到以學生為主體，注重與學生的互動，提升學生學習熱情和興趣，讓重難點知識點變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學生的動手能力，提高學生思考創新能力，激發、鞏固、提升學生對專業的學習興趣和綜合素質。

關鍵詞：材料科學與工程基礎；實物演示；趣味課堂實驗；科研工具軟件；趣味課外實踐作業；實物激勵法

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0061-04

Abstract： The Fundamentals of Materials Science and Engineering is an important professional basic course for the major of materials science. In view of the current situation that students are active in thinking and receptive but have poor theoretical basis， and prefer practical， interactive and diversified teaching processes， the author has adopted a "five in one" innovative teaching mode that was combined with physical demonstration， interesting classroom activities， scientific research tool software demonstration， interesting practical work， and physical incentive method. Thus， in the teaching process， the author regardsstudents as main body， focuseson interaction with students， enhancesthe enthusiasm and interest of students in learning， ensures the key and difficult knowledge points easy to understand and full of interest. At the same time， the author effectively exercisesstudents' practical ability， improves students' ability to think and innovate， stimulates， consolidates and enhancesstudents' interest in learning the major and their comprehensive quality.

Keywords： Fundamentals of Materials Science and Engineering; physical demonstration; interesting classroom activities; scientific research tool software; interesting practical homework; physical incentive method

材料科學與工程基礎是材料科學與工程學院高分子材料與工程專業的一門重要的專業基礎課[1-2]，在學生學完高等數學、大學物理、無機化學、有機化學和物理化學等基礎理論課程后開設。本課程主要從微觀角度闡明材料基本組成及結構，包括原子結構與鍵合、固體結構、晶體缺陷、固體中原子及分子的運動和材料的形變等內容，為后續專業課程例如高分子化學、高分子物理及相關實驗課程提供基礎理論知識。通過該課程的學習，使學生深入認識材料微觀組成和結構的基本原理及規律，進而深刻理解材料的組成和結構與材料性能之間的關系關聯，從而學會表述和解決高分子材料相關的工程問題，增強其創新能力。

教學對象為材料科學與工程專業大學二年級本科生，學生共性特征為：思維活躍，接受能力強，具有大學化學、大學物理、專業導論等基礎課知識，但對材料科學與工程的認識尚處于一知半解的階段，本課為其實際接觸的第一門專業基礎課。理論學習主動性較低，但偏好實踐性、互動性、多樣性較強的教學過程。授課教師在講授該門課程前曾經講授多門類似課程，材料科學與工程基礎課程覆蓋范圍廣、理論性較強、教學內容多，而初步接觸材料學的本科學生無論是對材料學的認識還是學科基礎均處于較為淺薄的階段，因此常規的課堂教學往往會陷入教師簡單在臺上講解，臺下學生感覺枯燥無味，難以理解的循環，不僅效果不佳，也容易使學生產生厭學情緒。

授課教師根據多年實踐經驗積累，課程教學中做到以學生為主體，注重與學生的互動，采用啟發式與提問式的教學方法，同時對理論性較強的材料科學與工程基礎應用融合實物演示、趣味課堂活動、科研工具軟件演示、趣味實踐作業和實物激勵法“五位一體”創新模式進行教學改革，以提升學生學習熱情和興趣，讓重難點知識點變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學生的動手能力，提高學生思考創新能力，激發、鞏固、提升學生對專業的學習興趣和綜合素質。

一? “五位一體”創新模式及其應用

（一）? 實物演示

在多媒體（包括PPT、視頻等）設置情景式講解的基礎上，融合商品化教具和以日常生活用品構建的教具組合（如磁貼、水果、飄帶等）讓重難點知識點變得通俗易懂，充滿趣味，大幅度提升學生學習熱情和興趣。

例如，在講解金屬晶體結構“面心立方堆積（FCC）”知識點時，學生難以理解為何該類堆積為最密堆積，此時可以使用磁貼模擬原子，在黑板上進行平面演示（圖1），讓學生直觀感受二維平面最密堆積恰好為FCC或HCP的“一球切六球”的堆積模式，從而能立即深刻理解密堆積結構的本質，大大提升了學習效果。

（二）? 趣味課堂活動

在利用黑板板書或多媒體課件講解等傳統教師授課模式基礎上，設定特定課堂小實驗、小游戲等趣味課堂活動環節，如組織學生以金桔等水果制作金屬原子堆積模型等，做到以學生為主體，注重與學生的互動，大幅度提升學生學習熱情和興趣，還有效鍛煉學生的動手能力。

例如，在講解金屬晶體三種典型堆積結構（BCC、FCC、HCP）時如果使用通常的課堂教學模式，教師簡單利用黑板板書或多媒體課件講解，難以讓學生獲得直觀、深刻的認識，不僅效果不佳，也容易使學生產生厭學情緒。而立體的實物模型能夠在教學中給予學生以直觀精確的認識。然而，通常的塑料或木制的教學模型不僅市場價格昂貴，且種類和來源都非常有限，即使可以購買少量相關模型，在近百人的學生課堂中，僅僅依靠教師展示手中的模型，難以做到每位同學都能有效掌握實物模型所包含的知識點，教學效果也非常有限。

為了能夠有效地改進該知識點的教學，筆者考慮使用價格低廉的水果制作金屬原子堆積模型[3]（圖2）。經過探索和教學實踐，筆者總結出了以金桔等水果果實為原料，在牙簽的輔助下制作教學模型的方法，該方法不僅可以快速獲得用于教學的模型，還可以在課堂教學中，讓學生也可以參與動手實踐，從而讓學生能夠有效掌握該知識點，同時還鍛煉了動手能力，活躍了課堂氣氛，獲得了良好的教學效果。在實際教學活動中，采取老師與學生聯動的方式，如100人左右的課堂教學時，將學生分為4人一組，每組學生發約20個金桔和相應的牙簽（總體原料成本不超過50元），然后讓學生隨著教師的講解，在座位上自行利用金桔和牙簽制作模型，學生通過此實踐環節，能夠清楚地認識到四種堆積模式的特點和區別，深入理解該知識點，同時還有效鍛煉了動手能力，大大活躍了課堂氣氛，根據課后對學生的問卷調查，幾乎100%的學生對此環節的教學效果表示滿意。有趣的是，在教學過程中還發現，部分學生還發揮創造力，對教師的結構模型制作方法加以變動和改進，從而獲得更為符合實際的結構模型。這種以水果金桔制作的結構模型應用于課堂上，能夠大大提高學生的動手能力、思考能力、創造思維，具有較好的現實意義。

（三）? 科研工具軟件演示

結合研究方向，以Diamond等科研工具軟件現場演示，讓重難知識點變得通俗易懂，提升學生學習效果，提升學生對專業的學習興趣和綜合素質。例如，Diamond軟件是德國波恩大學Crystal Impact GbR公司開發研制的一個化學專業軟件，利用該軟件不僅能創建晶體模型，還能以各種形式（線、球棍狀、空間堆積和多面體形式等）展示晶體模型，而且模型可以根據用戶的需要自由旋轉、移動、縮放，可以用著色方案對原子進行強調和渲染[4]。在講解金屬和離子晶體結構知識點中，由于晶體結構為三維擴展的，如果教師簡單利用黑板板書或多媒體課件以平面圖片講解，難以讓學生獲得直觀、深刻的認識，不僅效果不佳，也容易使學生產生厭學情緒。而使用Diamond科研工具軟件（圖3），現場導入教師事先準備好的結構建模，可以實現該結構的實時三維動態旋轉、放大、平移，并且可以根據需要顯示多面體、配位環境等操作，讓學生獲得沉浸式的學習體驗，從而大大降低了對重難點知識點理解和分析的難度，獲得深刻感受，大幅度提高學習效果。

（四）? 趣味實踐作業

布置如晶體攝影探索、手繪元素周期表、自制戒指等趣味作業，有效鍛煉學生的動手能力，提高學生思考創新能力，激發、鞏固、提升學生對專業的學習興趣和綜合素質，提高學生分析與解決材料科學與工程領域問題的能力。筆者將這些趣味作業和文獻檢索等作業結合，自制方便學生完成的作業冊，作為平時成績的重要組成部分（學生作業冊部分掃描圖如圖4所示），最近一年授課作業冊趣味實踐作業內容見表1。此類作業不僅充滿趣味和挑戰性，讓學生認識到材料學與日常生活息息相關，更能培養學生自主探索學習的科學精神，理論聯系實際和嚴謹的科研作風，提升學生在環保意識、人文情懷、工程倫理方面的認識。

（五）? 實物激勵法

實物激勵法在課堂上的應用很少有人研究。當前的大學生思維活躍，眼界較為開闊，且多數在初高中時期就經歷過精神激勵式的教學，因此在大學的課堂上，單純以言語贊賞、成績加分等方式激勵學生學習和活躍課堂氣氛的效果越來越差，為了探索實物激勵法在高校課堂教學中的應用，筆者以近年負責教學的多門課程作為試點，總結在課堂設計中融合實物激勵法的方案[5]，獲得了以糖果和3D打印鑰匙扣[6]作為主要實物激勵源的新型激勵法。在材料科學與工程基礎和相關課程課堂教學中，課程教學環節以問題探究為導向，融合實物激勵法，注重與學生的互動，大幅度提升學生學習熱情和興趣，讓課堂充滿情感溫度，可以有效活躍課堂氣氛，強化學生自主思考和探索的能力，有效加深學生的理解和認識，有效提升教學效果。

二? 教學效果分析

經過2020—2022年的教學創新和持續改進，課程的整體設計、授課模式、考核方式等已經日趨成熟，學生對該課程的教學表示滿意，2020—2022年學生評教得分均在90分以上。如圖5所示，對學生綜合成績考核結果表明，大部分學生（60%以上）綜合成績均能達到良好或優秀的水準。課程還有效激發高分子專業學生在本專業領域的學習興趣，自教師接手該課程以來，2020—2022年專業畢業生一次性就業率均在95%以上，專業考研錄取率平均達到32.7%，專業學生積極參與學科競賽和科技活動，專業學生主持國家級、區級、校級大創項目100余項，在“挑戰杯”“互聯網+”“創青春”等國家級或省部級學科競賽中，榮獲30余項省部級以上獎項，參與發表學術論文50余篇，獲得授權國家發明專利20余項，成果產出顯著。

三? 結論

筆者在材料科學與工程基礎課程教學中，根據當前學生思維活躍，接受能力強，但理論基礎較差，偏好實踐性、互動性、多樣性教學過程的現狀，在傳統教學模式基礎上，采取融合實物演示、趣味課堂活動、科研工具軟件演示、趣味實踐作業和實物激勵法的“五位一體”創新教學模式，從而課程教學中做到以學生為主體，有效提升學生學習熱情和興趣，讓重難點知識點變得通俗易懂，充滿趣味，還有效鍛煉學生的動手能力，提高學生思考創新能力，激發、鞏固、提升學生對專業的學習興趣和綜合素質，取得良好效果。

參考文獻：

[1] 吳紅娥.高分子專業材料科學與工程基礎課程教學初探[J].廣州化工，2021，49（6）：138-139.

[2] 駱昱暉，劉霖，張東恩.《材料科學與工程基礎》課程設置與教學改革探討[J].廣州化工，2021，47（23）：197-198.

[3] 陳碩平.金屬原子堆積的金桔模型制作及其在教學中的應用[J].課程教育研究，2015（13）：2，7.

[4] 楊建會，范強，尹紹全.Diamond軟件在“材料科學基礎”課程教學中的應用[J].樂山師范學院學報，2015，30（4）：108-110.

[5] 熊英，陳碩平.實物激勵法在《材料學概論》教學中的應用[J].科技·經濟·市場，2017（11）：120-122.

[6] 陳碩平，易和平，羅志虹，等.高分子3D打印材料和打印工藝[J].材料導報A，2016，30（7）：54-59.

基金項目：2020年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“新工科背景下地方院校高分子材料與工程專業人才培養體系創新與實踐”（2020JGA194）

作者簡介：陳碩平（1985-），男，漢族，廣西南寧人，博士，研究員，高分子教研室副主任。研究方向為餐飲廢棄物回收利用。