以科研促進(jìn)《材料科學(xué)導(dǎo)論》本科教學(xué)實(shí)踐的探討*

張鈞君，趙 光，呂建國(guó)，王 琳

(合肥師范學(xué)院物理與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

材料、能源和信息技術(shù)被譽(yù)為現(xiàn)代文明的三大支柱。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，材料，尤其是新材料的研究及應(yīng)用是人類文明、社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)[1]。在國(guó)務(wù)院提出的《中國(guó)制造2025》中新材料領(lǐng)域也被列為重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，可見材料科學(xué)的重要性。在材料科學(xué)教育行業(yè)，努力讓學(xué)生掌握材料科學(xué)基本知識(shí)，將其培養(yǎng)成將來在材料領(lǐng)域從事科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的高級(jí)人才或?qū)I(yè)技術(shù)人才是十分重要且必要的。于是，材料科學(xué)領(lǐng)域的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程《材料科學(xué)導(dǎo)論》就應(yīng)運(yùn)而生了。材料科學(xué)是一門多學(xué)科相互交叉與應(yīng)用型極強(qiáng)的新興綜合學(xué)科，是研究材料的成分/結(jié)構(gòu)、制備/加工、性能和使用性能的相互關(guān)系的一門學(xué)科，通常我們將這四點(diǎn)稱為材料科學(xué)與工程的“四要素”，這四個(gè)要素構(gòu)筑了整個(gè)材料系統(tǒng)，形成了材料學(xué)科與材料世界[2]?！恫牧峡茖W(xué)導(dǎo)論》是材料科學(xué)的基礎(chǔ)組成部分，也是合肥師范學(xué)院物理與材料工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)二年級(jí)本科生一門專業(yè)必修課程。課程旨在讓學(xué)生對(duì)材料科學(xué)有一個(gè)整體的基礎(chǔ)專業(yè)認(rèn)知，使學(xué)生掌握材料基礎(chǔ)理論和主要性能，并了解一些新材料的特點(diǎn)及其在高科技領(lǐng)域中的最新進(jìn)展，為以后專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，并在創(chuàng)新能力和綜合能力方面得到一定訓(xùn)練。本文將科研與課程實(shí)踐教學(xué)相融合，從多個(gè)方面具體論述了科研與教學(xué)相統(tǒng)一的意義以及促進(jìn)《材料科學(xué)導(dǎo)論》本科教學(xué)實(shí)踐的實(shí)現(xiàn)方法和路徑，進(jìn)一步豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。

1 科研與教學(xué)相輔相成

早在19世紀(jì)初，德國(guó)著名教育家洪堡率先提出了大學(xué)“教學(xué)與科研相統(tǒng)一”的原則，他認(rèn)為科研是最好的教學(xué)。合肥師范學(xué)院作為一所地方性本科院校，雖然主要目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才而非研究型或?qū)W術(shù)型人才，但是隨著當(dāng)下教育教學(xué)以及科學(xué)研究的發(fā)展，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)教學(xué)與科研兩者之間具有潛移默化的相互作用和影響，高等院校對(duì)于科研發(fā)展以及科研反哺教學(xué)的重視程度也越來越高，教學(xué)與科研也逐漸成為地方性本科院校的主要職能?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)新材料的快速發(fā)展，也對(duì)《材料科學(xué)導(dǎo)論》課程的教學(xué)提出了新的要求，這需要老師具有厚重的知識(shí)積淀和優(yōu)秀的科研文化素養(yǎng)?！恫牧峡茖W(xué)導(dǎo)論》這門課程的教學(xué)，也是傳統(tǒng)知識(shí)教育和前沿知識(shí)教育的結(jié)合，一方面是“基礎(chǔ)”，即對(duì)傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用知識(shí)的學(xué)習(xí)，例如材料的結(jié)構(gòu)及它與材料性能之間的關(guān)系——構(gòu)效關(guān)系，是課程的重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在；另一方面是“前沿”，即老師需要與時(shí)俱進(jìn)，抓住學(xué)科前沿，緊跟新型材料科學(xué)研究的發(fā)展，從科研中努力發(fā)掘出更多新穎的教學(xué)資源，為學(xué)生打開新材料精彩應(yīng)用世界的大門，讓他們領(lǐng)略到材料領(lǐng)域的多彩有趣性，激發(fā)學(xué)生愛科學(xué)、愛材料的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和知識(shí)水平。本文以我校應(yīng)用型本科教學(xué)情況為出發(fā)點(diǎn)，將科研與課程實(shí)踐教學(xué)相融合，把教學(xué)資源與科研資源統(tǒng)一規(guī)劃，豐富《材料科學(xué)導(dǎo)論》教學(xué)內(nèi)容，利用科研本身的嚴(yán)謹(jǐn)性和創(chuàng)新性激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者將從以下多個(gè)方面淺談科研反哺教學(xué)的方法和途徑。

2 科研促進(jìn)教學(xué)的方法和途徑

2.1 豐富課堂教學(xué)內(nèi)容

《材料科學(xué)導(dǎo)論》這門課程主要介紹了材料科學(xué)與工程的興起和內(nèi)涵，工程材料里的金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料和功能材料，新能源材料，材料的基本性能，原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵，原子的排列與缺陷，相圖以及擴(kuò)散等材料行為。學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)主要依賴高校使用的統(tǒng)編教材，然而隨著科技的發(fā)展，新知識(shí)與新技術(shù)也日新月異，這就使得教學(xué)產(chǎn)生一定的滯后。打破滯后，就需要教師緊跟本學(xué)科的發(fā)展前沿，不斷用新知識(shí)武裝自己，在教學(xué)中融入科技前沿案例。將教學(xué)與科研緊密聯(lián)系在一起，加快理論教學(xué)內(nèi)容的更新，更能激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)質(zhì)量[3]。例如，講述課程復(fù)合材料知識(shí)的時(shí)候，可以引用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士課題組2016年發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇利用仿生新策略人工合成貝殼珍珠層的論文，加深學(xué)生對(duì)復(fù)合材料的優(yōu)異特性的理解并了解仿生領(lǐng)域技術(shù)的新進(jìn)展[4]。講述到功能材料時(shí)，可以增加有趣的人造皮膚的介紹，引入世界杰出華人女性科學(xué)家斯坦福大學(xué)鮑哲南院士在新材料領(lǐng)域的重要成果，如電子皮膚、太陽(yáng)能電池等，用最新研究成果拓展學(xué)生的眼界。再比如，講述到原子的排列與缺陷時(shí)，可以結(jié)合筆者本人近期在電催化和光電催化領(lǐng)域的科研工作，擴(kuò)展缺陷的表征手段和缺陷對(duì)材料性能的重要影響，讓學(xué)生對(duì)缺陷具有更深入地理解[5]。再比如，講授到新能源材料時(shí)，筆者聯(lián)系自己的研究課題，闡述納米材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用原理、材料表征以及性能測(cè)試的方法手段，當(dāng)然，這里涉及到的知識(shí)已經(jīng)不再是單一方面的，而是多方面基礎(chǔ)知識(shí)的結(jié)合，如晶體結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散等等。還可以介紹鋰離子電池領(lǐng)域的著名科學(xué)家John B. Goodenough教授，鋰離子電池的研究推動(dòng)著人類社會(huì)的巨大進(jìn)步，他在2019年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他傳奇而又勵(lì)志的一生激勵(lì)著我們?nèi)松鷳?yīng)該不斷奮斗。

總而言之，教師需要精確地了解自己所授課程在整個(gè)領(lǐng)域及學(xué)科中的地位，與時(shí)俱進(jìn)，不斷挖掘與課程有關(guān)的科研團(tuán)隊(duì)或科研人物、文獻(xiàn)、科研動(dòng)態(tài)以及研究進(jìn)展等。在教學(xué)過程中及時(shí)將這些發(fā)現(xiàn)分享給學(xué)生，保證學(xué)生獲得的知識(shí)跟上技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)展課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，滿足學(xué)生旺盛的求知欲。

2.2 創(chuàng)新課程教學(xué)手段

科研有效反哺教學(xué)也需要教師不斷創(chuàng)新教學(xué)手段和教學(xué)方法[6]。在教學(xué)方式上開展更多的開放性教學(xué)，將講授與學(xué)生自主學(xué)習(xí)、集體討論和獨(dú)立思考結(jié)合，開展啟發(fā)式、研討式以及案例式教學(xué)方法，增加教學(xué)含金量。首先，課堂之中，教師可以先自身進(jìn)行示范，將一篇和課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行細(xì)致講解并具體分析和歸納，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組討論。例如以不同材料類型為主題，指導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)校圖書館提供的各種渠道查閱自己感興趣的并與該材料類型相關(guān)的中英文文獻(xiàn)，以PPT形式進(jìn)行歸納并在課堂上闡述自己對(duì)文獻(xiàn)的理解，開展學(xué)生互評(píng)互問，提高學(xué)生的分析能力。另外，教師可以將自己多年從事科研的體會(huì)與經(jīng)歷通過課堂討論傳授給學(xué)生，言傳身教，培養(yǎng)學(xué)生求真求實(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)科研品質(zhì)。例如，筆者常將自己的科研經(jīng)歷分享給學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)中要善于發(fā)現(xiàn)善于思考，多多查閱資料或與他人進(jìn)行積極討論和分析。羅丹說過：“生活中不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛”?？蒲幸彩且粯?。分析一些特殊現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因往往會(huì)有令人驚喜的發(fā)現(xiàn)或科研成果。

其次，課堂之外，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生參與到自己的科研項(xiàng)目中，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、資料整理、承擔(dān)部分實(shí)驗(yàn)工作以及數(shù)據(jù)分析，從而培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力和一定的實(shí)驗(yàn)技能，提升科研能力。另外，學(xué)生積極參加科研項(xiàng)目，也可以為申請(qǐng)各類課外科技競(jìng)賽做出充分的準(zhǔn)備，例如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃等。將科研有機(jī)結(jié)合到教學(xué)中，不僅可以有效提高學(xué)生的科研素質(zhì)，強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)掌握程度，而且能夠?yàn)閷W(xué)生后續(xù)深造或相關(guān)工作夯實(shí)良好的基礎(chǔ)。

最后，結(jié)合現(xiàn)在新冠疫情的特殊情況，為響應(yīng)“停課不停教、停課不停學(xué)”的號(hào)召，各高校已開啟線上教學(xué)模式，筆者也利用網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)如“雨課堂”結(jié)合QQ群屏幕分享直播的方式展開了線上教學(xué)，實(shí)現(xiàn)與學(xué)生之間良好的互動(dòng)。筆者認(rèn)為這種線上教學(xué)模式同樣也是一種很好的科研促進(jìn)教學(xué)的手段。教師可以充分利用線上教學(xué)平臺(tái)建立科學(xué)研究案例庫(kù)、科學(xué)研究討論區(qū)、科研人物訪談等諸多資源。教師可以選擇性地發(fā)布科研資源到課堂進(jìn)行教學(xué)，也可以在不占用課堂授課時(shí)間的情況下提前將其發(fā)布到學(xué)生端進(jìn)行預(yù)習(xí)，或者課后在平臺(tái)中進(jìn)行分析討論，方式靈活多變，增加了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。并且，教師可以在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)對(duì)學(xué)生的線上學(xué)習(xí)進(jìn)行監(jiān)督，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)手段和教學(xué)資源。

2.3 啟迪學(xué)生創(chuàng)新思維

科研本身是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，科研?dú)特的創(chuàng)造性和前沿性使其在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。2018年6月，教育部部長(zhǎng)陳寶生在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議中提出：“創(chuàng)新人才培養(yǎng)，要推進(jìn)科教融合，讓學(xué)生盡早參與和融入科研，早進(jìn)課題、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早進(jìn)團(tuán)隊(duì)，加大各級(jí)科研基地向本科生開放力度，提高學(xué)生科研實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[7]?！笨梢?，培養(yǎng)大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的需求和時(shí)代的主題。將科研引入教學(xué)的過程中，教師深厚的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)和不懼困難、勇于開拓創(chuàng)新的科研品質(zhì)在潛移默化中影響著學(xué)生，對(duì)學(xué)生實(shí)事求是科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)工作作風(fēng)的形成以及學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)非常重要。學(xué)生通過參與科學(xué)研究相關(guān)活動(dòng)如查閱資料、歸納總結(jié)、提出方案、解決問題等或者在教師的建議下多多聆聽學(xué)術(shù)匯報(bào)、專家講座或科普?qǐng)?bào)告等，能夠充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。通過這種創(chuàng)新訓(xùn)練的教學(xué)方式使得學(xué)生們能夠理論聯(lián)系實(shí)際，不僅可以獲得豐富的理論知識(shí)還可以形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲衅焚|(zhì)，為學(xué)生畢業(yè)以后的學(xué)習(xí)深造和科研工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

2.4 促進(jìn)課程思政教育

2016年，習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)?！罢n程思政”是指以構(gòu)建全員、全程、全課程育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念[8]。猶記得筆者參加高校新入職教師國(guó)培示范培訓(xùn)時(shí)中山大學(xué)王金發(fā)教授的關(guān)于“鑄魂立德，課程育人”的精彩報(bào)告，王教授一直堅(jiān)持讀報(bào)，看新聞，做讀報(bào)筆記，堅(jiān)持匯總社會(huì)時(shí)政要聞并將其融入課堂教學(xué)，做好非思政課程的價(jià)值觀引導(dǎo)。王教授堅(jiān)持不懈、孜孜不倦的學(xué)習(xí)精神也時(shí)刻激勵(lì)著筆者在自己的教學(xué)科研工作中要不斷奮斗，不斷提升自身的思想政治素養(yǎng)，善于發(fā)現(xiàn)并總結(jié)各種思政元素，做好學(xué)生“錘煉品格”、“學(xué)習(xí)知識(shí)”、“創(chuàng)新思維”、“奉獻(xiàn)祖國(guó)”的引路人。在《材料科學(xué)導(dǎo)論》課程教學(xué)中，教師可從材料學(xué)科多種多樣的知識(shí)中提煉大智慧，將教學(xué)內(nèi)容和思政教育元素巧妙結(jié)合，有意識(shí)的做好圖片、動(dòng)畫或視頻等預(yù)先設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生做到恰到好處的“引”，做好正確的政治引導(dǎo)，增進(jìn)課堂互動(dòng)的思想性。例如，引導(dǎo)學(xué)生用辯證的思維或科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S看待我們的教材或所學(xué)知識(shí)，在接收知識(shí)的過程中一定要加以思考，而非全盤接受。在課程概述內(nèi)容中，強(qiáng)調(diào)材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，是人類文明進(jìn)程的劃分依據(jù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科發(fā)展和科學(xué)研究的重要意義；金屬材料內(nèi)容中，延伸鋼鐵材料是國(guó)家工業(yè)水平的標(biāo)志，以國(guó)家體育場(chǎng)(鳥巢)、廣州塔(小蠻腰)、港珠澳大橋等為例了解我國(guó)鋼鐵行業(yè)逐漸變強(qiáng)的趨勢(shì)，同時(shí)也要看到其中和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情和奮斗決心；在新材料內(nèi)容中，說明新材料是國(guó)家大力支持的產(chǎn)業(yè)，引入最新的科研動(dòng)態(tài)，介紹新材料在國(guó)防、航天、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用，說明新材料的研究和開發(fā)對(duì)國(guó)家科技進(jìn)步的重要性。課程內(nèi)容中還可以結(jié)合材料學(xué)科著名的科學(xué)家、科研團(tuán)隊(duì)、科研院校等，以勵(lì)志人生故事或重要科研成果為切入點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生努力學(xué)習(xí)、不斷奮斗的工匠精神。

2.5 推動(dòng)學(xué)科專業(yè)英語(yǔ)學(xué)習(xí)

在課堂教學(xué)中，科學(xué)研究的引入還可以推動(dòng)學(xué)生學(xué)科專業(yè)英語(yǔ)的學(xué)習(xí)。教師可以針對(duì)性地輔以課件更多的專業(yè)英語(yǔ)詞匯、英語(yǔ)科研教學(xué)視頻，提高學(xué)生查閱英語(yǔ)文獻(xiàn)、閱讀英語(yǔ)原版書籍或者理解英語(yǔ)科研動(dòng)態(tài)相關(guān)視頻的能力，以幫助學(xué)生后期英文文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)和歸納。同時(shí)學(xué)生在參與文獻(xiàn)調(diào)研、資料整理等科研活動(dòng)的過程中不僅能提高學(xué)生的科研能力還能幫助他們進(jìn)一步增進(jìn)學(xué)科英語(yǔ)知識(shí)，提高外語(yǔ)應(yīng)用和外語(yǔ)思維能力，挖掘?qū)W生以英語(yǔ)為工具跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿的潛能。

3 結(jié) 語(yǔ)

陶行知先生曾經(jīng)說過：“學(xué)高為師，身正為范”。高校人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育的生命線。在人才培養(yǎng)的教育中，教學(xué)與科研是相互促進(jìn)、相輔相成的。高校教師要不斷加強(qiáng)自身的教學(xué)水平、學(xué)術(shù)水平以及個(gè)人修養(yǎng)，堅(jiān)持科學(xué)研究的同時(shí)還要不斷開拓新的教學(xué)方法，將科研成果融入到本科教學(xué)中，提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科研品質(zhì)，使學(xué)生成為具有前瞻性、創(chuàng)造性的復(fù)合型高級(jí)人才。