本 科 課 程 建 設 的 思 考 和 實 施

戎 詠 華

(上海交通大學 材料科學與工程學院,上海 200240)

0 引 言

課程建設是教學改革的重要內容之一，其主要包括教學大綱的制定、教材的編寫、實驗課程的設置和教學網站的建立。教學大綱指明了課程建設的意義，確定了課程建設的目標和基本內容，為教材的編寫定下了基調。其中基于教學大綱的教材編寫是課程建設的核心。為此，上海交通大學根據國家教育部1998年調整的最新專業(yè)目錄和全國材料工程類專業(yè)教學指導委員會的精神，推出了上海交通大學“系列化優(yōu)質課程與教材建設”項目，這成為我校教學改革的重要組成部分。在教材內容的框架下建設相關的實驗課程和課程網站，實驗課程有助于學生對教學重點內容和相關實驗技術的理解和掌握，而課程網站有利于學生的預習和師生的溝通。教學大綱是教材編寫的基礎，而教材內容是實驗課程和課程網站建設的基礎，它們的關系如圖1所示。

圖1 課程建設四方面的內容及其關系

基于教材編寫是課程建設的核心，“材料科學與工程學院”圍繞學校的“系列化優(yōu)質課程與教材建設”項目，經過幾年的不斷努力和反復研討，最終確定了第一批本科教材的題目，共有15本教材，涉及材料科學與工程學科的不同領域，其中包括我和姜傳海研究員合編的“材料組織結構的表征”[1]。該教材歷經6年，于2012年面世。去年上海交通大學材料科學與工程學院成立了教學委員會，我被任命為該委員會領導下的教材建設組組長，負責學院的系列化優(yōu)質教材建設。許多正在編寫的老師希望我能談一些編寫本科生教材的體會，正值“材料組織結構的表征”的出版不久，本文借此主要對課程建設中的教材編寫及其后續(xù)工作談一些粗略的體會，同時也涉及實驗課程的設置，旨在拋磚引玉，望得到專家和讀者的批評與指正。

1 明確教材的編寫意義和特點

編寫教材首先要明確編寫的意義和教材的特色，緊扣基礎知識、重點與難點、新知識和技術三大要點展開，在筆墨多少和濃淡來處理好三者的關系，正如圖2所示。

圖2 教材撰寫應考慮的幾個問題

編寫教材遇到的首要問題就是為什么現(xiàn)在要寫這本教材。編寫教材的需求無非有兩種情況：一種最常見的情況是，科學技術的發(fā)展使目前已有的國內相關本科教材的部分內容陳舊，需要更新過時的內容，增加最新發(fā)展的理論和技術內容；第二種較少的情況是新興學科的出現(xiàn)，其預示著將來的發(fā)展方向，國內、甚至國外尚未相關的本科教材，而對于本科生畢業(yè)將會涉及該領域的研究，需要編寫相關的教材?！安牧辖M織結構的表征”教材的編寫就是第一種情況的需要。該教材由三篇組成，內容分別涉及金相顯微術，X射線衍射和電子顯微分析。6年前，國內相關的教材諸多內容陳舊，包括1992年出版由漆璿和我合編的《X射線衍射與電子顯微分析》[2]，許多新發(fā)展的技術尚未涉及，因此，急需有一本反映當前技術發(fā)展又適合本科生教學的教材，“材料組織結構的表征”教材就是在這種背景下應運而生的。又如，合編的“材料科學基礎”被評為2003年國家精品課程教材和新世紀網絡課程教材[3]，我們在1996年著手編寫該教材的國內外情況是，以金屬材料、無機非金屬材料(陶瓷材料)和高分子材料分別出版的本科教材為主流[4-9]，而將它們融合在一起，這是國際和國內材料發(fā)展的需要[10],但是作為一本“材料科學基礎”來寫的教材鳳毛麟角，而且三種材料通常是獨立成章[11-12]，因此急需要有一本將三種材料的理論有機結合的“材料科學基礎”教材，這是我們看到當時教材的問題而立項編寫的。

編寫教材的第二個問題就是，編寫的教材與已有的教材相比有什么顯著特色。沒有顯著特色的教材是沒有生命力的。至今已出版的材料組織結構的表征教材[13-15]對我國材料表征人才的培養(yǎng)產生重要的影響。但對于材料表征技術的快速發(fā)展，新技術的出現(xiàn)和陳舊技術的淘汰是必然的。為此，“材料組織結構的表征”的顯著特色正如我在該教材的前言所述：“本教材根據材料研究和技術的發(fā)展，摒棄和削減了現(xiàn)有教材中某些過時的內容，例如底片顯影、定影和印相原理、手工制備金相樣品詳細步驟等，增添若干新技術內容的章節(jié)，主要有共聚焦激光掃描顯微術、圖像處理及定量分析、 X射線衍射譜線形分析、三維應力及薄膜應力測量、會聚束衍射及其在點陣常數(shù)精確測定中的應用、形貌襯度改善的電子減速技術、二次電子和背散射電子信號的混合技術、掃描透射電子顯微術和電子背散射衍射技術等?！盵1]在前言中我也說明了為什么把金相顯微術，X射線衍射和電子顯微學結合在一起作為材料組織結構表征方法的理由：“盡管組織結構表征有諸多的物理方法，但鑒于組織結構表征技術發(fā)展的歷史和上述三種分析方法的諸多共同的物理概念以及至今它們在材料研究中相輔相成，將它們結合在一本教材中有利于教學學時的精減和學生對知識的融會貫通，這已被上海交通大學材料科學與工程學院近幾年的教學實踐所證明?！?這種有機的結合也可視為該教材的特色之一。

當作者在編寫前一定要反復問自己，是否明確了教材的編寫意義和特色，如果答案是肯定，則教材已成功了一半。

2 教材編寫應考慮的幾個關系

2.1 基礎知識與高新技術的關系

本科生教學注重基礎知識的傳授，包括基本理論，基本實驗和基本的應用。因此，教材也應圍繞這幾方面進行重點撰寫。對于高新技術的撰寫要考慮兩個方面：一是該高新技術所涉及的理論基礎是否超過了本科生已有的基礎知識，另一個是該高新技術是否成為今后主流技術之一。如果該高新技術所涉及的理論基礎超過了本科生已有的基礎知識，則不宜寫，最多在緒論中提及；反之，可介紹之。但介紹的篇幅視其重要性而定。例如，在“材料組織結構的表征”教材中增加了形貌襯度改善的“電子減速技術”、二次電子和背散射電子“信號的混合技術”，這兩種新技術原理簡單，而且它們只是一種形貌改善的方法，它們不是掃描電子顯微鏡的主流技術，因此分別用兩小節(jié)分別加以描述。但是對于電子背散射衍射新技術，其在晶體之間的位向和織構的快速測定上已開始成為主流技術，因此我從儀器、基本原理，數(shù)學推導及其應用給予詳細的介紹。這部分內容成為該教材的顯著特色之一。

另一個需要提及的問題是，在以前教材中的高新技術的內容可能成為當前編寫教材的基礎知識，這種情況是高新技術隨儀器的普及和本科生基礎知識的提升的條件下出現(xiàn)的。例如，透射電子顯微鏡的高分辨技術，這在以前的本科教材中僅僅作為一種新技術的簡單介紹，因為高分辨電子顯微鏡尚不普及，而且其理論涉及傅里葉變換和卷積的數(shù)學知識。但是，自10多年前納米材料的興起，我國高校與研究所大量購買了高分辨電子顯微鏡，使高分辨技術逐漸成為一個常規(guī)技術，同時高等院校，尤其是重點研究型大學重視數(shù)學基礎知識，相關的數(shù)學知識已具備，因此，我將該內容作為本科生應掌握的基礎知識給予詳細描述。又如，在“材料科學基礎”教材中，通常論述液-固相變和固-固相變，很少論述氣-固相變。但隨著氣相沉積新技術逐漸被廣泛用于制備各種功能性薄膜材料，材料的氣-固相變也日益顯示出其重要性，為此，我單獨寫了“氣-固相變與薄膜生長”一節(jié)，不僅作為氣相沉積新技術的基礎理論知識，而且完善了材料相變的基本內容。

2.2 本科課程內容與研究生課程內容的關系

本科教學傳授學生基礎的知識，如果我們把它稱之為ABC，那么碩士研究生相關課程的知識可稱之為EFG，其是在ABC知識基礎上的進一步的提高，這是一個共識。但是對于什么才是ABC的知識的認知，可能仁者見仁，智者見智。以本人的觀點看，基礎知識就是該課程的核心知識，沒有它就構不成該課程。而且課程的基礎知識應該是入門的知識，是通常應用最廣泛的知識。而研究生課程的基礎知識是在本科生的知識上的進一步深化和拓展。就知識應用的頻率而言，ABC知識的應用頻率應遠高于EFG的頻率，盡管ABC知識授課學時可能低于EFG。例如，在“材料組織結構的表征”本科教材中，電子衍射和衍射襯度成像是電子顯微學的基礎知識，因此，對于相關理論、物理概念、實驗方法和基本應用給予詳細的描述，而在我編著的“分析電子顯微學導論”碩士研究生教材中[16]，進一步通過一章的篇幅分別介紹“晶體衍射中的數(shù)學處理”和一節(jié)的篇幅介紹“衍襯動力學理論”，這些內容盡管需要較多的授課學時，但是它們的應用頻率相對較低，只是在解釋一些特殊的實驗現(xiàn)象和研究材料組織結構的深層次問題上才會被應用。鑒于上述的認知，我在本科生教材主要介紹ABC知識，對于EFG的知識的基礎理論不予論述，對于它們的基本概念和主要應用會給予簡單的介紹，這僅起到拓展本科生知識面和視野的作用。而在研究生教材中，簡單復習ABC的知識，有利于EFG知識的學習，也使教材知識系統(tǒng)化，便于學生和讀者閱讀理解。

2.3 教材內容與教學內容的關系

教材是為教學服務的，因此教材應涵蓋教學的主要內容。但教材為了保證自身的知識系統(tǒng)性和可讀性，它在內容順序的編排上通常根據編者自己的教學經驗來確定；而且在內容的深度和廣度上也是基于編者的認知來確定的。然而，使用教材的教師未必認同編者的這種編排和認知，完全可以根據自己的經驗來組織內容進行教學，僅把該教材作為主要參考書推薦給學生。鑒于不同學校的不同學時和深度的要求，編者在寫教材時，除主要滿足自己教學的要求外，同時還應該考慮不同學校的情況，因此，教材的內容應該更寬深一些，這樣有利于教材被更多的學校使用。例如，我們編著“材料科學基礎”本科生教材內容定位于我們學校授課是110學時，但是其他30多個學校中的不少學校使用該教材為80～90學時，他們選取認為最為重要的內容進行授課，這是我們在編寫時已考慮到的和所希望的情況。又如在“材料組織結構的表征”教材編著時已考慮到這種需求，正如該教材前言所說：“本書可作為54～90學時的教學用書，留有余地供授課教師選擇，也可供相關技術人員參考?！笨傊?，教材不僅要考慮教學的要求，而且要考慮教材本身知識的系統(tǒng)性和完整性；而教學完全可根據授課教師的經驗和知識面以及授課學時數(shù)來選取教材中的內容，甚至增加內容進行教學。

2.4 筆墨的重彩與輕描的關系

在撰寫教材前還必須考慮哪些內容需要重彩筆墨，哪些內容需要輕描淡寫。無疑基礎內容需要重點撰寫，尤其是重點中的難點更需重彩筆墨，具體包括物理概念的闡述、數(shù)學公式的描述及其應用的舉例等。例如，在“材料組織結構的表征”的教材中，由于電子背散射衍射技術是一種新技術，在材料織構測定中有廣泛的應用，故作為重點內容詳細描述，而且它涉及的物理概念和基于空間概念的數(shù)學推導較難理解，這就需要重彩筆墨。我通過對織構描述的三種方法(極圖，反極圖和由歐拉角描述的取向分布函數(shù)圖)的物理概念，數(shù)學推導，實驗測定方法，并通過例題說明三種圖的理論計算方法，最后通過實際例子來進一步說明如何通過這些圖來確定織構的類型。又如，在“材料科學基礎”教材中，正常凝固方程是凝固理論中的重要內容之一，我對正常凝固的物理概念，數(shù)學模型的建立與假設條件以及它的應用和局限性給予詳細的描述，最后通過正常凝固方程得到的溶質原子在凝固過程中偏析的逆向思考，引出區(qū)域熔煉的新穎方法及其數(shù)學方程的建立。通過這樣的描述或教學，不僅使學生掌握公式的運用和計算，更重要使學生了解公式的局限性以致認識到公式改進的可能性，這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思想和能力的基本教學。教材各章中非重點內容一般包括預備知識的復習，傳統(tǒng)技術的回顧，基礎知識的延伸，尚未普及應用的新技術的介紹等。例如，在“材料組織結構的表征”教材中，大學物理的幾何光學知識，金相樣品的傳統(tǒng)制備和照相方法，透射電子顯微鏡早期的復型制備方法，分析電子顯微術的進展等均作為簡單描述的內容。

3 教材出版后的后續(xù)工作

教材的出版只是完善教學工作的第一步，為了更好地發(fā)揮教材在教學中的作用，一些后續(xù)的工作仍需進行。首先是教學網站的建立，通過網站，學生可以預先看到教師的電子課件，有利于他們的預習和復習；通過網站可以在線答疑和看到學生對教學效果的意見和建議。除此之外，應根據教材中的重點和難點內容，不斷補充和完善相關內容的課堂練習和課外作業(yè)。對于尤為重要的課程，最好能出版的習題集和解答。例如，“材料科學基礎”是材料科學與工程專業(yè)的重點專業(yè)基礎課，并是碩士研究生入學的考試課程，因此，我們出版了“材料科學基礎輔導與習題”[17]，習題集包括各章的內容提要，重點與難點，重要概念，習題和習題解答，在附錄中給出了相關的參考資料和數(shù)據。最后，應根據教學的反饋，不斷改進教學內容，我認為一般教學5年左右，有必要進行再版。例如，“材料科學基礎”自2000年出版后已進行了3版的改動。在第2版中，除了改正第1版中的文字錯誤，主要增加了“材料的功能特性”一章和“氣-固相變與薄膜生長”一節(jié)，使教材從涉及“結構材料”擴展到“功能材料”，達到我們預期的目標。在第3版中，主要增加了各種材料制備的方法，使學生了解一些工程知識。為了使學生得到英文專業(yè)詞匯，還增加了目錄的英文翻譯和各章關鍵詞匯的中英對照表。對此，習題集也進行了3版的改進。

4 實驗課程的設置

在教材內容的基礎上設置實驗課程。實驗課程建設包含基本實驗和綜合實驗?；緦嶒炇箤W生掌握重要的單一實驗技術，綜合實驗培養(yǎng)通過各種實驗技術的綜合運用，了解各種技術的特點和材料表征在材料組織結構分析中的基本方法?；緦嶒灪途C合實驗的要求促進了實驗室的建設。實驗課程的建設的基礎和內容如圖3所示。例如，在“材料組織結構的表征”課程中，金相樣品的制備和常見組織的分析、X射線衍射的物相分析和宏觀應力分析、透射電子顯微鏡中的電子衍射和明、暗場成像、掃描電子顯微鏡中的二次電子和背散射成像屬于基本實驗。對于開設多個綜合實驗，讓學生分組自由挑選，我們學院正在制定和籌備中，這涉及大量的實驗課時和實驗人員的配備。例如，一個綜合設計的實驗樣品是高強度鋼，它是由馬氏體和殘留奧氏體組成，其中馬氏體是體心立方結構，奧氏體是面心立方結構，這兩種結構是材料中最常見的結構。高強度鋼的樣品由學生自己制備金相樣品，包括腐蝕劑的選擇，在光學顯微鏡下能辨別兩種組織的形貌，但不知道兩種組織的結構。然后學生通過X射線衍射確定兩種結構的存在，但無法知道兩種結構的形貌；最后學生通過電子衍射和明、暗場成像，不僅可以知道兩種結構，而且可觀察到它們的形貌。這種綜合分析的方法不僅使學生了解三種實驗技術的特點，也了解了科研中基本分析的方法。這個綜合實驗至今尚未實施，主要問題在于基本實驗課時外尚需安排出綜合實驗的課時以及配備相關實驗的人員。

圖3 實驗課程建設的基礎和內容

實驗課程的建設有效地促進了教學實驗室的建設。為了滿足基本實驗的要求，學院從985和211項目中獲得300萬元的資助，增補了金相顯微鏡和金相樣品制備設備，可滿足6人一組自己動手的實驗。對于大型設備，如X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，目前只能借用公共開放實驗室平臺中的儀器，作為實驗演示。對于簡易的X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡作為教學專用，能讓學生自己動手操作，學院正在醞釀之中。

5 結 語

課程建設是教學改革的重要組成部分，它從教學大綱的確定、教材的編寫，實驗課程的設置直至課程網站的建立，需要幾年的時間，甚至更長的時間。編寫具有特色的教材是課程建設的核心，需要編者花大功夫、大氣力，不僅要提煉章節(jié)內容，而且要精心錘煉文字。而實驗課程的建設更具困難，這需要大量的人力和物力的投入。

建設精品課程是我們所追求的，也是教學改革的重要舉措，但它不可能一蹴而就。因此，最后以32字來總結我的淺薄體會：

課程建設，欲鑄精品；

教材編寫，其為核心；
實驗改革，尤知艱難；
網站配套，最后一拼。

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