《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革初探

陸盤芳,朱樹華,李厚深

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,山東 泰安 271018)

材料是人類文明進步的里程碑。縱觀人類發(fā)展史，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都給社會生產(chǎn)力發(fā)展帶來巨大變革，把人類支配和改造自然的能力提高到一個新的水平。當(dāng)前，材料已成為與能源、信息并列的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)三大支柱之一[1]。隨著材料科學(xué)與工程學(xué)科迅速發(fā)展，各高校深刻認識到現(xiàn)代社會對材料學(xué)方面人才的需求，紛紛設(shè)立材料學(xué)院或開設(shè)相關(guān)材料類專業(yè)，并開設(shè)材料相關(guān)課程，如：《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《材料化學(xué)》、《材料結(jié)構(gòu)與性能》、《功能材料》以及《材料合成與制備技術(shù)》等。在這些材料專業(yè)課程中，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作為材料科學(xué)與工程類專業(yè)學(xué)科中一門重要的基礎(chǔ)課程，是相關(guān)材料學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)和媒介，起著公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課程之間的紐帶作用，不僅得到了廣泛開設(shè)，而且隨著各學(xué)科相互交叉融合，其地位更加凸顯。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作為山東省首批五所應(yīng)用基礎(chǔ)型特色名校之一，2002年10月成立了化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，2004年開設(shè)了材料化學(xué)本科專業(yè)。近年來，學(xué)院以培養(yǎng)適應(yīng)化學(xué)與化工行業(yè)發(fā)展要求的復(fù)合型、應(yīng)用型人才為目標(biāo)，深入調(diào)整了材料化學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置和培養(yǎng)方案。特別是對作為主干課程的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，從教學(xué)內(nèi)容、方法和手段等方面提出了新的更高要求。筆者在多年從事《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)工作中，圍繞實現(xiàn)該課程教學(xué)目標(biāo)，立足更好適應(yīng)材料科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀、學(xué)校培養(yǎng)方案變化和學(xué)生實際需求，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教考結(jié)合等方面，進行了一些積極探索和實踐，并取得了一定成效。本文在充分進行文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年教改工作實踐，對材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)工作進行了認真梳理和深入思考，并提出了一些對策，以便為改善材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量、提高教學(xué)效果和學(xué)生動手能力提供指導(dǎo)[2]。

1 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革的必要性

1.1 適應(yīng)該課程的發(fā)展變化和現(xiàn)實需求，迫切需要進行教學(xué)改革

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是一門傳統(tǒng)又新興的課程，主要闡述固體材料的結(jié)構(gòu)和性能以及它們之間的相互關(guān)系，主要包括材料的質(zhì)點間結(jié)合方式及相互作用、質(zhì)點的空間排列特點及規(guī)律、典型固體聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)缺陷及運動規(guī)律、表面與界面相關(guān)的理論和現(xiàn)象、固體的擴散和相圖與相變等內(nèi)容，屬于典型的交叉學(xué)科范疇，涉及數(shù)、理、化、生等多個領(lǐng)域，基礎(chǔ)性、理論性強，知識點多。同時，隨著科技的不斷進步，各種新材料、新工藝、新技術(shù)、新理論的不斷涌現(xiàn)，都需要及時納入新的教學(xué)內(nèi)容[3-5]。因此，為了兼顧好教學(xué)內(nèi)容的新穎性、理論性和教學(xué)方法的不定期變革性，迫切需要對該課程進行教學(xué)改革。

1.2 破解教學(xué)內(nèi)容多、授課時間少的矛盾，迫切需要進行教學(xué)改革

由于材料學(xué)專業(yè)涉及面廣，材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容多且抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映不易理解，抓不住重點，是大家公認的高校中比較難學(xué)習(xí)的專業(yè)和課程之一。同時，由于受大學(xué)學(xué)時所限，各高校在材料學(xué)專業(yè)課程設(shè)置時，普遍存在"內(nèi)容多、課時緊"的矛盾。《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程，按許多教材編寫內(nèi)容來看，授課時間一般不少于120學(xué)時，而縱觀全國各大高校材料學(xué)專業(yè)設(shè)置，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》通常為54學(xué)時，個別為72學(xué)時。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》設(shè)置為56課時。但這并不意味著材料化學(xué)專業(yè)對《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的要求低，而是由于材料化學(xué)專業(yè)課程多、學(xué)時緊等原因?qū)е碌臒o奈之舉。學(xué)時少造成學(xué)生對《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的知識掌握比較膚淺，很難系統(tǒng)掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)的本質(zhì)，也在一定程度上影響了后續(xù)相關(guān)材料學(xué)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。與此同時，材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)實驗課時，也需要精簡和壓縮，導(dǎo)致學(xué)生的動手能力得不到有效鍛煉。

由于《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)面臨的諸多矛盾，嚴(yán)重影響到了該課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)和材料學(xué)專業(yè)學(xué)生基本知識的掌握，對該課程教學(xué)進行適當(dāng)改革，不僅勢在必行，而且迫在眉睫。

2 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革的探索與實踐

2.1 改革教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程設(shè)置

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》經(jīng)過幾十年的發(fā)展，內(nèi)容已經(jīng)相當(dāng)豐富，而且還在不斷更新。如此龐大的內(nèi)容，要通過短短的56學(xué)時來完成全部教學(xué)內(nèi)容幾乎是不可能的。因此，精簡教學(xué)內(nèi)容是《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)改革必須進行的環(huán)節(jié)。我們結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)對《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的要求，結(jié)合本專業(yè)其它課程設(shè)置，按照"精簡內(nèi)容、突出重點、強調(diào)相關(guān)"的思路，對材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容進行了改革。

所謂“精簡內(nèi)容”，主要是針對材料化學(xué)專業(yè)特點，將總體教學(xué)內(nèi)容精簡為“三大模塊”，并將相關(guān)內(nèi)容進行了量化。第一模塊為晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷，包括各種晶體的空間結(jié)構(gòu)和缺陷形式。這部分是材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本理論，也是材料科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的重點，通過學(xué)習(xí)可以使學(xué)生初步了解固體材料的本質(zhì)。同時，為了配合學(xué)習(xí)，適當(dāng)增加了材料科學(xué)基礎(chǔ)的X衍射、透射電鏡等基本表征手段的學(xué)習(xí)，這一模塊內(nèi)容約占總學(xué)時的30%；第二模塊為金屬、無機材料和高分子材料結(jié)構(gòu)，包括基本理論知識和典型材料實例的介紹，通過三大材料的實例闡述材料的制備、化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，從而為材料的開發(fā)、生產(chǎn)和使用提供理論基礎(chǔ)，本模塊內(nèi)容約占總學(xué)時的40%；第三模塊為表面結(jié)構(gòu)、擴散和相圖，包括材料表面與界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、固體中的擴散、相平衡與相圖等。本模塊內(nèi)容約占總學(xué)時的30%。

所謂“突出重點”，就是突出抓好材料四要素教學(xué)，即講授清楚材料“組成、結(jié)構(gòu)、性能與效能”以及它們之間的關(guān)系。以材料四要素為主線索，對各個知識點進行深入淺出地講解，使學(xué)生能夠由點及面地理解每一個"概念"，觸類旁通地認識每一種“材料”。例如，在講解單質(zhì)碳的晶體結(jié)構(gòu)時，列舉富勒烯、碳納米管、石墨和金剛石等不同碳結(jié)構(gòu)的材料，介紹在不同熱力學(xué)條件下石墨和金剛石晶型的轉(zhuǎn)變，以及晶型轉(zhuǎn)變對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。

所謂“強調(diào)相關(guān)”，就是在教學(xué)中適當(dāng)引入相關(guān)的前沿新知識，擴充學(xué)生對新材料、新工藝的認識面，并給學(xué)生一個正確的方向進行獨立思考，以便于在進一步的學(xué)習(xí)中做到事半功倍。例如在講授表面概念時，引入納米的概念以及納米材料表面的性質(zhì)，介紹納米材料的起源、結(jié)構(gòu)、性能等知識，讓學(xué)生了解目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展研究狀況。通過相關(guān)的最新研究成果引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)的興趣。

2.2 改革教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》看似寬泛簡單，但全面掌握起來難度相當(dāng)大。特別是在有限的教學(xué)時間內(nèi)，要讓學(xué)生跟上上課節(jié)奏、領(lǐng)會知識要點，必須改革傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法。

(1) 充分利用多媒體教學(xué)手段，化抽象為形象?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》具有內(nèi)容多、概念多、理論抽象的特點，依靠傳統(tǒng)的"粉筆加黑板"的教學(xué)方法，教師講清楚、學(xué)生聽明白都比較費力。如何改進教學(xué)手段，把課程內(nèi)容更形象更生動地展示出來，化抽象概念為形象描述，提高直觀性、增強吸引力，成為該課程教學(xué)改革的一個重點。隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展和教學(xué)設(shè)施的不斷完善，為我們提供了事半功倍的途徑。通過制作簡單易懂的多媒體課件，利用形象逼真的動畫形式，將抽象復(fù)雜的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)，從靜態(tài)到動態(tài)、從平面到立體、從單色到彩色地進行變化演示，不僅極大的豐富了《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)信息量，擴充了教學(xué)內(nèi)容，而且有利于幫助學(xué)生迅速建立空間概念，正確理解材料微觀結(jié)構(gòu)的特點和性能之間的關(guān)系[6]。比如，晶體的空間結(jié)構(gòu)、位錯的復(fù)雜形態(tài)、擴散的動態(tài)變化、相圖的空間模型等，我們通過計算機豐富的色彩、圖像和動態(tài)演示功能，可以方便地展現(xiàn)并區(qū)分，非常直觀、簡便，既節(jié)約了大量課堂時間，又提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了顯著的教學(xué)效果[2]。

(2) 充分利用雨課堂教學(xué)模式，讓教與學(xué)全程在線。當(dāng)前，正在蓬勃發(fā)展的雨課堂教學(xué)模式，具有教學(xué)過程數(shù)據(jù)化、學(xué)生學(xué)習(xí)過程化、教學(xué)資源存儲化的特點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)"課前預(yù)習(xí)-課上參與-課后復(fù)習(xí)"的全方位教學(xué)，而且可以實現(xiàn)課堂簽到、隨堂測試、課堂互動、實時教學(xué)反饋、過程考核、翻轉(zhuǎn)教學(xué)等獨斷功能。為了破解該課程“課時緊、任務(wù)重、互動少”的問題，我們充分利用雨課堂教學(xué)模式，采用“討論式”、“參與式”、“研究式”等方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。講授新課之前，結(jié)合與理論相關(guān)的名人典故、科研成果以及實際產(chǎn)品，提出需要解決的問題，提前通過雨課堂推送到學(xué)生手機，引導(dǎo)學(xué)生對授課內(nèi)容進行課本預(yù)習(xí)和網(wǎng)上檢索，提高學(xué)習(xí)興趣。比如，引入"美國大學(xué)生發(fā)明的不留污漬的新型T恤衫"案例，引導(dǎo)學(xué)生積極探討該產(chǎn)品的創(chuàng)新點是什么？不留污漬的原理是什么(用到《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中第六章的"表面與界面"的基本知識)？解決了什么問題？使學(xué)生學(xué)會在學(xué)習(xí)中提出問題、分析問題、解決問題，讓課堂互動永不下線，提高學(xué)習(xí)實效。

(3) 堅持理論聯(lián)系實際，更加注重實驗教學(xué)?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》課程是一門與實驗和工程實踐緊密相聯(lián)的學(xué)科。強化課程實驗和實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，可幫助學(xué)生鞏固和加深對理論知識的理解，掌握基本實驗技能，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，自己動手分析、解決實際問題的能力。但長期以來，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》開設(shè)的實驗，大多是一些驗證性實驗。為了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，我們在加強實驗實踐的教學(xué)改革中，采取實驗教學(xué)課程建設(shè)與學(xué)院平臺實驗室建設(shè)和教師科研實踐相結(jié)合的方式，推進了課程實驗實踐教學(xué)的全面提高。將實驗內(nèi)容進行了擴充。一是保留了部分驗證性實驗，培養(yǎng)學(xué)生掌握材料科學(xué)的基本實驗技能和相關(guān)基礎(chǔ)知識，學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象和分析實驗數(shù)據(jù)[6]；二是增設(shè)了部分科研型實驗、開放型實驗。"科研型實驗"，就是讓學(xué)生跟隨老師進行科研項目的研究，在科研中體會消化所學(xué)的理論知識。例如，結(jié)合教學(xué)科研實踐，我們讓部分學(xué)生參與了"農(nóng)作物秸稈可降解膜的研制與性能研究"，并讓其在課堂上與大家進行了交流。通過探討，大家對生物質(zhì)資源，秸稈薄膜的成膜性和耐水性，以及在食品及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景都有了深入理解，既讓學(xué)生了解了前沿科學(xué)，又讓學(xué)生加深了材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識?！伴_放性實驗”，就是讓學(xué)生自主選擇與課程相關(guān)的實驗，自行設(shè)計實驗方案，完成實驗報告[7]。例如，我們開設(shè)的“層狀雙氫氧化物的制備與性能研究”，涉及到粘土的晶體結(jié)構(gòu)、陰離子交換容量、膨脹性、熱性能、有機改性等。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生首先合成粘土，然后通過分析粘土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、并對改性前后的粘土進行結(jié)構(gòu)性能分析和對比，最后對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理等，加深了材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、材料制備工藝、材料使用性能之間有著相互依存、彼此影響的復(fù)雜關(guān)系的理念，有效地調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生在提高實驗動手能力的同時，又進一步鞏固了課堂教學(xué)內(nèi)容。我們還注重指導(dǎo)學(xué)生積極申報創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和承擔(dān)相關(guān)科研項目。如，2018年，我們指導(dǎo)學(xué)生申報的“肥料的新衣：可降解的剩飯菜包膜材料”項目，獲得了省級獎勵。目前，我們材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，參與申報科研項目的熱情越來越高，項目質(zhì)量也越來越好，部分同學(xué)還發(fā)表了較高質(zhì)量的科研論文或者申請了相關(guān)專利。

2.3 改革考試方式，堅定育人方向

課程成績考核，既是對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的檢驗和評價，也是課程教學(xué)改革的風(fēng)向標(biāo)和指揮棒。但是光靠傳統(tǒng)的、單一的期末考試，也容易讓學(xué)生臨陣磨槍、死記硬背，“走捷徑、吃巧糧食”，往往試卷的完成情況不能全面客觀地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。因此，考試方式因循守舊，教學(xué)改革也只能是紙上談兵。為了改變這一狀況，我們針對《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)特點和內(nèi)容，嘗試推進考核方式的多元化。在考核中，把材料科學(xué)基礎(chǔ)的總成績分為三部分。一是期末閉卷考試，占總成績的60%，主要突出課本的基本內(nèi)容，通過相當(dāng)數(shù)量的客觀題，來考察學(xué)生對所學(xué)基本理論的掌握情況，通過一些主觀題，來考察學(xué)生對材料科學(xué)基礎(chǔ)知識點的應(yīng)用情況；二是平時成績，占總成績的20%，主要考核平時學(xué)習(xí)參與度，包括到課情況、課堂筆記、回答問題情況、作業(yè)完成情況和單元測試等；三是實驗實踐情況，占總成績的20%，主要是在實際操作中，考察學(xué)生的動手能力和對課本內(nèi)容的理解能力、應(yīng)用能力。通過這種考核模式的改革和調(diào)整，既注重學(xué)生日常課堂學(xué)習(xí)，更注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。