新工科背景下“材料表面與界面”課程創新實踐探索

摘 要：“材料表面與界面”是材料科學與工程專業為培養具有實踐創新能力的復合型科技人才而開設的一門專業選修課程。文章結合高素質應用型創新人才培養和新材料產業發展需求，從校企合作、課程內容設計、教學模式創新、考核評價方式4個方面提出教學改革對策，達成既培養學生自主學習和獨立思考的能力，又充分發揮學生的創造力和團隊協作能力的目標。同時，將基礎知識與產業科技發展有機融合，重塑課程創新實踐內涵和價值導向，為高校工科課程教學改革提供借鑒。

關鍵詞：新工科;新材料;教學改革;創新實踐;“材料表面與界面”課程

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）10-0064-04

一、引言

新工科建設是新科技、新產業、新經濟時代背景下培養科技創新人才的重要舉措，也是推進高等學校工程教育改革的重大戰略選擇[1]。“材料表面與界面”是材料科學與工程專業的一門重要課程，以固體界面、液體界面、固液界面及固固界面等理論知識為基礎，以聚合物界面、金屬界面、無機非金屬界面及復合材料界面等應用知識為引導，旨在培養學生對專業知識的認知，提高學生應用本課程知識進行理論分析和解決工程實踐問題的能力。該課程在納米材料、智能仿生材料及新能源等應用領域的發展和技術升級中具有不可或缺的作用。

當前，傳統工科課程教學資源匱乏、考核方式單一、學科交叉不足，難以培養學生創新實踐能力[2]，因此，需要在教學資源、課程內容設計、教學模式及考核機制等方面進行改革，推動材料類課程教學向新工科范式變革。為提高工程人才的培養質量，2022年，棗莊學院聯合棗莊市政府和山東欣旺達新能源有限公司等地方企業成立了鋰電產業學院，整合多主體創新要素和資源，在人才培養、資源共享、校企聯合教學等方面進行了深度產學研合作，為“材料表面與界面”課程的教學改革提供了契機。文章結合棗莊學院教學改革實際和教學團隊的教學實踐，對近2年“材料表面與界面”課程的教學改革經驗與成效進行了總結。

二、“材料表面與界面”課程教學現狀與存在問題

目前，“材料表面與界面”課程在教學中存在學生創新能力培養不足和學科交叉欠缺等諸多問題，影響對學生專業知識和實踐能力的培育及學生職業規劃和實踐創新的指導[3]。棗莊學院“材料表面與界面”課程定位為材料專業選修課，是“大學物理”“大學化學”“材料科學基礎”及“材料類實驗”課程的銜接和深化。由于課程設置、教學資源、教學模式及考核方式的限制，學生在學習過程中側重前五章的基礎知識，輕視后五章的應用知識。實際教學中多以課堂講授為主，且講授內容多數聚焦在知識點本身，缺乏案例導學，導致學生容易產生惰性或慣性的思維，難以在課程學習的過程中運用發散思維和開展創新嘗試，這也進一步導致學生難以將基礎理論知識與新材料產業發展建立有效聯系，學生所達成的知識目標無法支撐應用創新能力培養的目標。此外，傳統考核方式一般包括過程考核（占比50%）和期末考試（占比50%）。但從考核方式和內容上看，現行考核方式聚焦在基礎知識上，對學生的學習成果仍基于理論知識的掌握情況進行評價，這種考核方式缺乏創新元素和多學科交叉。學生更多以機械記憶的方式對基礎理論知識進行學習，不能充分理解不同課程間的關聯，也無法取得與新材料產業發展相匹配的學習成果，不符合以成果為導向的工程教育新理念。

三、“材料表面與界面”課程教學改革對策

根據新工科建設的基本要求和“材料表面與界面”課程教學實踐中存在的問題，文章從校企合作、課程內容設計、教學模式創新及考核評價方式等方面提出教學創新實踐探索的改革對策。

（一） 深化基礎理論與新材料產業發展的聯系

鋰電產業學院的合作企業——山東欣旺達新能源有限公司主要發展鋰電新材料產業，企業建有欣旺達大學，并與棗莊學院共建科研教學平臺和大學生實習實訓基地。以該企業的鋰電新材料為例，鋰離子電池通常以正極材料作為鋰源，以能容納鋰原子的石墨材料為負極，電能的存儲和轉化主要通過電子及離子在正負極之間遷移而實現。鋰電新材料的制備和性能研究涉及從宏觀到微觀的多種表界面效應，如電極材料晶粒之間的晶界及其脫嵌鋰過程產生的兩相界面等固固界面、液態有機電解質在正負極表面反應形成的固液界面，而“材料表面與界面”課程中的液體界面、固體界面及固液界面知識為理解這些界面作用提供了重要理論依據。

改革示例：以“材料表面與界面”課程第三章《固體表面》和第四章《固液表面》教學為例。首先，結合企業生產實際，以“磷酸鐵鋰（LiFePO4， LFP）材料的制備”為導學案例，在課程教學前拋出問題“磷酸鐵鋰材料的制備方法有哪些，涉及哪些材料表界面的知識？”，引導學生課前自主查閱資料，同時，借助欣旺達大學發布的《磷酸鐵鋰材料的制備與表征》，讓學生在課前深刻體會表面與界面知識在鋰電新材料產業發展和技術升級中的重要性。其次，在課程教學中圍繞磷酸鐵鋰材料的2種制備方法——液相法和碳熱還原法，引出液相法中碳酸鋰Li2CO3和磷酸H3PO4等組分在水熱反應釜中界面相互作用及碳熱還原法中磷酸二氫鋰LiH2PO4和生物質碳源混合燒結過程中固體表面形貌的調控過程。如圖1所示，由不同制備方法得到的LFP材料表面形貌具有較大差別，液相法得到的磷酸鐵鋰顆粒細致均勻且比表面積較大。2種方法得到的LFP材料形成的表界面缺陷、化學反應活性位點及表界面應力積累也有較大差異，而這些差異會進一步影響鋰電材料的物理化學特性。但從技術難度上看，碳熱還原法更適合企業規模化生產。“材料表面與界面”課程的理論知識是理解和分析電極表界面性能的基礎，電極表界面結構的微觀尺度分析是揭示電化學反應機理和性能演化規律的基礎，由此可以建立“材料表面與界面”課程與鋰電新材料研發之間的關系[4]。最后，在課下自主學習環節，將企業發布的《新能源智能制造行業分析》視頻資源作為課后學習資源，引導學生將基礎理論學習和職業素養培育融合，充分理解新材料技術的內涵及外延，培養學生理論結合實際并用于案例分析和對專業技術探索的能力，引導學生積極思考專業教育與產業興國的辯證關系，培養學生誠實守信和愛崗敬業的職業素養，使學生樹立國家意識、政治認同及科技強國等理念。此外，還可以通過產學研合作項目，引入企業資源和工程人員的產業經驗，對高校教師進行系統化指導和培訓，彌補教師在產業化理論方面的不足，促進教師隊伍基礎理論和產業化應用理論的全面發展。目前，該改革方案已取得初步成效，山東欣旺達新能源有限公司與棗莊學院材料科學與工程專業聯合組建了鋰電卓越工程師班。在“材料表面與界面”課程的教學中，企業工程師會基于鋰電產業發展與表界面的關系開展系列講座。在該教學改革實踐下，學生對鋰電新材料產業產生了更大的興趣，目前，材料科學與工程專業2024屆畢業生中已有7人選擇就職于棗莊市本地的鋰電相關企業，是上一屆人數（2人）的3倍多。

（二）以大學生創新創業大賽促進課程內容的設計與改革

教師是課程教學中的引導者和教學活動的設計者。基于OBE（Outcome Based Education，成果導向教育）教育理念，形成“助學、導學、樂學”的教學思路，達成“記住、理解、應用、分析、創造”的高階學習模式[5]。大學生創新大賽既是課程學習的補充，又是應用基礎理論知識實踐創新的過程。“材料表面與界面”課程涉及多種材料科學理論，在教學過程中應根據學生參與大賽的情況對學生進行分組，并根據大賽選題進行課程內容的設計。

改革示例：以“中國大學生材料熱處理創新創業大賽”為例。巴氏合金（Babbitt metal）在加入微量元素后得到的表界面顯微組織及這些顯微組織對巴氏合金力學性能具有重要的影響。如鋅（Zn）的添加導致銻（Sb）在錫（Sn）基體中的固溶度降低，更多的網狀銻化錫（SnSb）顆粒沿晶界析出，對蠕變變形過程中晶界滑動起到了釘扎效應。然而，銅（Cu）含量的增加對 Sb在Sn基體中的固溶度沒有明顯影響。這些內容與“材料表面與界面”課程第三章《固體表面》和第八章《金屬材料的表面》教學內容密切相關。因此，在課程內容設計中，首先，可以由參加“中國大學生材料熱處理創新創業大賽”的學生小組在課前搜集金屬材料表面處理的應用案例，以案例導學，提煉知識點，養成學生自主思考的學習習慣。教師在案例導學的基礎上，根據教學內容提出延伸問題，如“金屬表面改性的方法有哪些，如何正確表征金屬表面改性的效果？”，并開展專題

作者簡介：萬玉勤，男，講師，博士，研究方向為表面界面自組裝、功能材料;劉泳，男，副教授，博士，研究方向為化工安全、功能材料。

通信作者：叢興順，男，教授，博士，研究方向為分子煤化學及低碳煤化工。

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“面向高端化工產業的‘材料表面與界面’課程建設與師資培訓”（221000454070513）、“師生共育新模式下創新型化工人才培養探索”（220806655030037）;棗莊學院教改重點項目“‘師生共育’新育人模式的創建及其在‘卓越本科生’培養中的實踐探索”（202205）