理論與實(shí)驗(yàn)高度融合的教學(xué)模式改革探索

馬琛

[摘 要] 材料技術(shù)是推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動力，是我國高等院校教育的重要學(xué)科方向之一，而“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”這門課程在高等院校材料學(xué)專業(yè)教學(xué)中起著舉足輕重的作用。通過分析當(dāng)前“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式，指出該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及考核形式上關(guān)聯(lián)性弱的問題，提出理論課堂與實(shí)驗(yàn)課程融為一體的教學(xué)模式，通過打破理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的壁壘、合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)理論知識、建立理論與實(shí)驗(yàn)相融合的考核機(jī)制，讓學(xué)生能夠更有效地掌握課程知識體系，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

[關(guān)鍵詞] 材料科學(xué)與工程基礎(chǔ);教學(xué)改革;理論與實(shí)驗(yàn)融合

[基金項(xiàng)目] 2020年度華僑大學(xué)科研啟動費(fèi)項(xiàng)目“新型高性激光防護(hù)復(fù)合涂層研究”（20BS203）

[作者簡介] 馬 ?。?992—），男，江蘇徐州人，博士，華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事高溫高能熱防護(hù)涂層研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0045-04 [收稿日期] 2021-08-30

21世紀(jì)以來我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對人才的需求量激增。高校作為人才培養(yǎng)的主陣地，主要注重基礎(chǔ)教育和專業(yè)知識培訓(xùn)，但企業(yè)更加注重實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用以技術(shù)變現(xiàn)。因此，當(dāng)前社會上出現(xiàn)了“學(xué)生就業(yè)難，企業(yè)招工難”的問題，揭示了高校教育培養(yǎng)與企業(yè)需求對接時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)較大的供需差異[1，2]。材料技術(shù)是推動現(xiàn)代化社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動力[3]，而“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”是該專業(yè)的核心課程[4，5]。該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)雖然能夠滿足基礎(chǔ)專業(yè)知識的廣泛覆蓋，但隨著國家對于技術(shù)應(yīng)用的重視及新工科建設(shè)的提出[6]，傳統(tǒng)的理論講授已經(jīng)難以滿足新時(shí)代對人才的需求[7]，如何通過高校專業(yè)課的教育提升學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐，以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是當(dāng)前“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)亟待解決的難題。盡管高校配備了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置與理論課的教學(xué)內(nèi)容匹配度較弱，固定的實(shí)驗(yàn)流程和以演示為主的教學(xué)模式，限制了學(xué)生對理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的思考。因此，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度融合，不但能夠鞏固學(xué)生對于專業(yè)知識的理解，更對培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力、動手能力、分析能力、創(chuàng)造能力具有重要的作用。

一、“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程簡介

“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程創(chuàng)立于20世紀(jì)60年代初期，是一門研究材料共性規(guī)律的學(xué)科。該課程的內(nèi)容涉及金屬材料、無機(jī)非金屬材料，以及有機(jī)高分子材料的成分、制備加工技術(shù)、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠運(yùn)用理論知識解釋材料學(xué)相關(guān)科學(xué)問題，并解決一定的材料及其相關(guān)領(lǐng)域的工程問題。該課程涉及的材料知識范圍廣，以夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)為主要的教學(xué)目的，能夠讓學(xué)生對本專業(yè)有一個相對清晰的認(rèn)知，是本科生從通識教育走向材料學(xué)專業(yè)培養(yǎng)的橋梁。此外，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將首次接觸到材料學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，材料專業(yè)作為工科專業(yè)，實(shí)驗(yàn)操作是學(xué)生所必須具備的技能之一，該課程的有效開展，將對學(xué)生后期進(jìn)實(shí)驗(yàn)室打下良好的基礎(chǔ)。因此，該課程在材料學(xué)專業(yè)具有非常重要的意義，多數(shù)學(xué)校的材料相關(guān)專業(yè)研究生考試也把“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程作為專業(yè)課考核科目。

當(dāng)前，“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程通常設(shè)置為72學(xué)時(shí)，課程講授重點(diǎn)依據(jù)不同的系別有所區(qū)分，但整體都以物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識為基礎(chǔ)，通過從微觀到宏觀闡述原子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用及晶體結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識，讓學(xué)生首先理解材料的構(gòu)成，以此為基礎(chǔ)引申至材料內(nèi)部的晶體缺陷、固態(tài)擴(kuò)散、塑性變形等相關(guān)知識，以此為學(xué)生搭建出一個立體的知識體系。

（二）“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程存在的問題

“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展與更迭，教材也在不斷地完善，課程的理論教學(xué)已經(jīng)趨于成熟，但當(dāng)前高校的教育更加追求理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、能夠基于已知理論分析解決實(shí)際問題的人才，這使得已經(jīng)相對成熟的理論教學(xué)模式暴露出一定的問題，仍有進(jìn)一步改革的必要。

1.“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容相關(guān)性上較薄弱。該課程的理論教學(xué)，在機(jī)理探究方面具有涉及范圍廣、知識點(diǎn)基礎(chǔ)等特點(diǎn)，而相匹配的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通常以材料認(rèn)知為主要的教學(xué)目的，雖然能夠一定程度上增強(qiáng)學(xué)生對該專業(yè)基礎(chǔ)的理解，但由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論教學(xué)的相關(guān)性較弱，難以使學(xué)生主動地將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂理論知識點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，這是當(dāng)前“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課設(shè)置上所面臨的難題。例如，密度、吸水率、孔隙率的測試通常是“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，雖然該部分能夠助力學(xué)生理解材料的自身性質(zhì)，但該內(nèi)容并無法幫助學(xué)生理解該課程所涉及的相關(guān)理論知識。如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)用理論知識解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證理論知識，是當(dāng)前該課程的改革方向。

2.“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)模式上尚未實(shí)現(xiàn)融合。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離，且理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不同步，學(xué)生在接受理論知識點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可能還沒做到或者已經(jīng)做完了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這樣導(dǎo)致學(xué)生在接受知識的時(shí)候，無法實(shí)現(xiàn)同步接受，學(xué)生無法用已學(xué)的理論知識解釋接觸到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這會在一定程度上影響學(xué)生自身嘗試?yán)碚摻Y(jié)合實(shí)驗(yàn)的效果。此外，雖然理論課與實(shí)驗(yàn)課在名義上屬于同一門課，但通常是由不同教師去講授，授課教師之間連貫性的缺失，會弱化理論課與實(shí)踐課之間的關(guān)聯(lián)。

3.“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在考核形式上缺少關(guān)聯(lián)。通常理論考試以閉卷的形式進(jìn)行考核，主要考核學(xué)生對相關(guān)概念的理解，對相關(guān)理論的計(jì)算，通過理論解決典型問題的能力，以及對相圖內(nèi)部信息的提取與運(yùn)用。這種考核方式能夠比較全面地掌握學(xué)生對書本內(nèi)容的理解程度，是一種比較成熟的考核手段。該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核形式以實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主要考核形式，依據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況，對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行打分，綜合考量學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的理解與掌握程度。盡管在理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核上都已經(jīng)成熟，但如果考慮到理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，該考核形式并無法綜合考量學(xué)生對理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的應(yīng)用效果。

二、“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的改革方法

針對上述問題，需要有針對性地加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的聯(lián)系，通過打破兩種教學(xué)方式之間的壁壘，基于理論知識有針對性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將理論與實(shí)驗(yàn)的教學(xué)在形式上實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)，在內(nèi)容上融為一體，讓學(xué)生能夠透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)到理論本質(zhì)，基于理論知識解釋實(shí)驗(yàn)機(jī)理，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的相輔相成，才能讓學(xué)生真正消化理論知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

（一）打破理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壁壘

為了加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的聯(lián)系，真正打破兩門課之間的隔閡，可以將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合在一起，力求在理論教學(xué)過程中，出現(xiàn)知識點(diǎn)，便將相關(guān)實(shí)驗(yàn)以學(xué)生動手操作的形式，自行驗(yàn)證或觀察。使得理論教學(xué)不再局限在教室，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不再局限在實(shí)驗(yàn)室，通過將教室與實(shí)驗(yàn)室打通，讓學(xué)生能夠在吸收理論知識的當(dāng)下，用實(shí)驗(yàn)手段去證實(shí)。不同于傳統(tǒng)理論課與實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)授課的形式，這種將兩個課堂合二為一的方式能夠讓學(xué)生意識到自己在學(xué)以致用，同時(shí)能夠有效激發(fā)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提出相關(guān)疑問，尋找相關(guān)答案，獲取相關(guān)理論知識的自我學(xué)習(xí)意識。而教師，不僅扮演講授知識點(diǎn)的角色，還扮演了解決學(xué)生困惑、推動學(xué)生自我思考的角色。理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)合二為一的教學(xué)模式，能夠大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，改善學(xué)生對理論知識的吸收效果。

例如，在講晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅可以通過多媒體形式，以圖片和視頻的形式讓學(xué)生了解晶體的組成、分類，也可以在講解過程中，結(jié)合X射線衍射分析中所使用的布拉格方程，讓學(xué)生更加深入理解晶體及晶面間距的概念。此外，可以結(jié)合材料模擬軟件，讓學(xué)生根據(jù)晶體經(jīng)構(gòu)圖，模擬出或者直接通過實(shí)驗(yàn)得到已知材料的XRD圖譜，通過具體講解X射線衍射分析及XRD圖譜模擬以及測定過程，加深學(xué)生對晶體學(xué)理論知識的理解，以及對晶體分析等實(shí)驗(yàn)方面的認(rèn)知。

（二）基于理論教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的高度融合，教師需要依據(jù)理論教學(xué)有針對性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可涵蓋學(xué)生的實(shí)際操作、計(jì)算機(jī)軟件模擬、演示實(shí)驗(yàn)，甚至是涉及高精尖儀器的視頻內(nèi)容學(xué)習(xí)，基于上述理論課堂與實(shí)驗(yàn)課堂的融合，實(shí)現(xiàn)時(shí)刻將“理論解釋實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論”的教學(xué)思想滲入課堂。針對性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，需要教師能夠深入理解理論教學(xué)內(nèi)容，把知識點(diǎn)分散在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，以科研探究的方式，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所反映出的科學(xué)道理，從而在教學(xué)的過程中，不斷加深學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

例如，在講解“材料的形變和再結(jié)晶”章節(jié)時(shí)，低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線是該章節(jié)的核心內(nèi)容，為了讓學(xué)生能夠深入理解低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，教師可以在課堂開始前，向?qū)W生展示低碳鋼的拉伸試驗(yàn)，讓學(xué)生能夠直觀地觀察到材料在外力作用條件下出現(xiàn)的彈性形變階段、屈服階段、頸縮現(xiàn)象、斷裂現(xiàn)象，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)講解彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，以此引出該章節(jié)對材料形變規(guī)律及其微觀機(jī)制的探究。

（三）基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)理論知識

學(xué)生對于理論知識的理解，是一個循序漸進(jìn)的過程，需要由淺入深、由表及里地對某一具體理論系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知，這一過程中，始于對概念的理解，以應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題為學(xué)習(xí)目的。為了達(dá)到該目的，傳統(tǒng)的教學(xué)模式多以現(xiàn)有例題為分析對象，由于例題在長期的傳承過程中變化較小，學(xué)生通常在教學(xué)前就已經(jīng)對題目有所了解，使得該教學(xué)模式對于學(xué)生而言是帶著答案看問題，教學(xué)效果大打折扣。如果能夠重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或者根據(jù)現(xiàn)實(shí)已有的實(shí)際問題，切實(shí)地讓學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)過程中所出現(xiàn)的難題，自己依據(jù)課本中已學(xué)理論知識，嘗試解釋實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該方式有望激起學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提升學(xué)生分析實(shí)際問題的能力。

例如，在講解“材料的形變和再結(jié)晶”章節(jié)時(shí)，學(xué)生對于晶界的理解在該章節(jié)中起到重要作用。晶界自身具有協(xié)調(diào)、促進(jìn)、障礙和起裂作用，這是理論知識教學(xué)傳授給學(xué)生的，屬于概念知識。如果在教學(xué)過程中，教師能夠給出現(xiàn)實(shí)生活中所存在的實(shí)際問題，如航空發(fā)動機(jī)葉片通常采用的是單晶體，避免了晶界，通過拋出該問題讓學(xué)生去思考該問題的答案，并通過視頻資源讓學(xué)生了解葉片在航空發(fā)動機(jī)中的工作環(huán)境，通過這些周邊資料，讓學(xué)生討論分析航空發(fā)動機(jī)葉片采用單晶體避免晶界的原因。整個學(xué)習(xí)過程中，通過拋出實(shí)際問題，讓學(xué)生運(yùn)用理論知識解釋或解決該實(shí)際問題，不僅能夠加深學(xué)生對概念的理解，更能讓學(xué)生融會貫通，實(shí)現(xiàn)對理論的運(yùn)用。

（四）理論與實(shí)驗(yàn)相融合的考核機(jī)制

理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度融合，其目的是為了讓學(xué)生能夠在掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題，因此，單一的閉卷考試及實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式均無法達(dá)到該教學(xué)目標(biāo)考核的目的。為了考核學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，教師可以合理調(diào)整成績組成，通過給出課程相關(guān)的實(shí)際問題，設(shè)置實(shí)際問題的分析與考核，配合閉卷理論考試，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的綜合考核。

例如，最終的考核成績可以按照閉卷考試成績60%，實(shí)驗(yàn)技能20%，實(shí)際問題分析20%的權(quán)重來分配。首先，在考核模式上將理論教學(xué)考核與實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核融為一體，不再孤立，讓學(xué)生意識到實(shí)驗(yàn)在該門課程中的重要意義。其次，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核上，不再簡單以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過運(yùn)用課程相關(guān)知識解釋實(shí)際問題，具體考查學(xué)生分析問題、解決問題的能力，在考核環(huán)節(jié)讓學(xué)生理解理論與實(shí)際問題之間的聯(lián)系，加深對“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”這門課程理論知識點(diǎn)的認(rèn)知。

通過打破理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壁壘，基于理論教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)理論知識，并建立理論實(shí)驗(yàn)相融合的考核機(jī)制，有望進(jìn)一步增強(qiáng)“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”這門課對材料學(xué)專業(yè)學(xué)生的影響。不僅讓學(xué)生能夠擁有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，也能夠把學(xué)以致用融入專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，助力于解決當(dāng)前“學(xué)生就業(yè)難，企業(yè)招工難”的困境，為國家培養(yǎng)并輸送有用的專業(yè)人才。

結(jié)語

高校教育已不局限在傳統(tǒng)的理論教學(xué)當(dāng)中，提升學(xué)生基于理論知識分析問題、解決問題的能力是當(dāng)前教育努力的方向。本文提出的理論與實(shí)驗(yàn)高度融合的“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”課程改革方案，能夠通過打破理論教學(xué)課堂與實(shí)驗(yàn)課堂之間的壁壘，并有針對性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)理論知識，實(shí)現(xiàn)“理論解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證理論知識”的雙向教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，通過建立理論與實(shí)驗(yàn)相融合的考核機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生綜合能力的全面考核。本文所提出的課程改革方案，能夠適應(yīng)新時(shí)代高等院校的發(fā)展需求，對其他學(xué)科的教學(xué)改革具有重要的借鑒意義。

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Exploration on the Teaching Mode Reform with the High Integration of Theory and Experiment： Taking the Course of Fundamentals of Materials Science and Engineering as an Example

MA Chen

（College of Materials Science and Engineering， Huaqiao University， Xiamen， Fujian 361021， China）

Abstract： Materials science is a powerful driving force to promote social and economic developments. In addition， materials science is also one of the most important subjects in Chinese higher education. The course of Fundamentals of Materials Science and Engineering plays a significant role in the teaching of materials science major in colleges and universities. In this paper， the teaching mode of the Fundamentals of Materials Science and Engineering is deeply analyzed. The main problem is the weak connection between the teaching contents， the teaching mode， and the evaluation mode. In view of this problem， this paper puts forward a new teaching mode that can strongly combine the theory teaching and experiment teaching. The new teaching mode can help students to form a better knowledge system through breaking the barriers between the theory teaching and experiments teaching， designing the experiment contents reasonably， and building up a new evaluation mechanism of theory and experiment based on the experimental phenomenon summarizes the theoretical knowledge， so that students can more effectively grasp the course knowledge system， and truly realize the application of knowledge.

Key words： Fundamentals of Materials Science and Engineering; teaching reform; combination of theory and experiment