教学相长，与时俱进

朱熠民　杨振国

[摘 要]材料科学导论是复旦大学面向材料科学系及上海第二军医大学临床医学专业二年级本科生的一门专业必修课，2015年被评为上海市精品课程。该研究探讨了目前材料科学基础类课程存在的问题，结合某教学评价与教学成果，总结了在教学方法、课程设置、课外实践等方面的探索。

[关键词]材料科学；交互式教学；案例教学；教学相长；与时俱进

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）11-0004-04

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，它是被用来制造一切有用制品的物质。新材料则是人类社会发展和文明进步程度的标志，纵观人类使用材料的发展历史，从上古石器时代到20世纪末的信息时代，每个时代的变革无一不是由于发现并广泛利用了某种新材料，提高了人类征服及改造自然的能力，从而促进了社会生产力水平的快速提升。如今的社会正处于新一轮科技革命和产业变革的大环境中，新材料正是高新技术的一个重要组成部分，它是该领域中的基础和先导，因而在国务院提出的《中国制造2025》中被列为十大领域之一。

复旦大学材料科学系现有三个本科专业：材料化学、材料物理和电子科学与技术。2010年起首次开设了材料科学导论这门面向三个专业的平台基础课，2011年起上海第二军医大学临床医学专业也将其列为必修课。该课程旨在以交互式教学的模式，通过系统的教学和实验演示，使学生掌握材料的基础理论、基本方法和主要性能；教学中结合实际材料案例吸引学生兴趣，鼓励他们探索并了解新材料的特点、特征和特性及其在高科技领域中的应用，有利于为材料专业学生今后设计、研发、推广基础材料和新材料在国民经济各个领域中的应用提供重要基础，并在创新能力和综合能力方面得到有效的训练和培养。对于七年来的建设与改进成果，本文做了总结，以期为提高材料科学基础类课程的课堂教学效果提供借鉴。

一、课程内容设置

材料科学导论授课内容大致分为四个部分。第一部分为现代材料科学的基本概念、学科特点和发展趋势，包括金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体等五大基础材料所共有的基础知识和概念，即材料的组成、结构、组织与其性质及性能的相互关系。第二部分为固体材料的原子结构、晶体结构、缺陷类型、热力学与相图、凝固与结晶、扩散与迁移、显微组织与性能等一些基本原理和概念。第三部分为固体材料的基本性能，同时安排三个与其相配套的综合实验的观察和操作[1]：1.磁控溅射法制备透明导电氧化物ITO薄膜。2.橡胶材料的拉伸试验。3.偏光显微镜法观测聚苯烯的球晶形态。第四部分为八类新材料的特点及其在高科技领域中的应用。

我国许多高校都设立了材料科学基础类课程，普遍认为材料科学入门容易深入难[2][3][4]，其特点表现为概念多、内容广、涉及面宽，同时也存在概念抽象、内容缺少连贯性、材料之间缺少必然联系的特点，尤其是材料性能繁琐枯燥，缺乏理论依托，因而学生在学习材料科学过程中普遍存在学得快、忘得快的现象，甚至不知学后究竟有何用。故本课程的重点和难点在于让学生理解基础学科与材料科学的有机衔接，明确基础材料的分类，掌握材料的结构与性能间内在的相互关系。针对这些重点与难点，教师强调在讲授过程中始终保持理论与实际相结合，讲解材料科学的各个知识点时均选用实际材料案例来分析和解释，以此加深学生对材料属性的理解和知识点的把握。对于仅用语言无法描述准确的新材料，利用三维动画视频，从三维视角理解新材料的特性，进一步激发学生对新材料的兴趣。

二、课程教学的创新

本课程教学的创新包括：1.教学相长，将引导性教学和自主性学习相结合。2.与时俱进，开展丰富生动的实时案例教学。3.走出课堂，近距离观摩与操作综合实验。4.富有激情，开展寓教于乐的交互式讲解。5.慕课教学，创建完善的数据化资源共享平台。从教学方法、教学内容、教学实践、讲授方式及教学手段等方面进行全方位研究和革新，充分借鉴国内外相关课程教学经验，取长补短不断完善，同时追踪材料领域的研究动态，保持课程的前沿性。另外，让学生接触实验设备，激发学生的科研兴趣，探索培养创新复合型专业人才的有效模式。

（一）教学相长，将引导性教学和自主性学习相结合

在传统的课堂教学与学习过程中，教学方法相对单一，通常以教师讲授为主，单方面向学生灌输知识，大致表现为“多教少学”甚至“多教不学”的特点。[5]对于一门理工类专业基础课来说，这种教学方法主要存在两个问题：1.学生的知识积累仅限于数学、物理、化学等基础学科，初次接触专业课程往往难以消化大量专业知识，他们的学习积极性很容易被打击，从而对整个课程失去兴趣。2.学生学习积极性不高，课堂的氛围必然死气沉沉，教师会感到索然无味，这就会导致授课的过程越发枯燥单调，同时得不到学生的反馈，教师也就无从改进，从而陷入恶性循环。

本课程的主讲教师早在2003年就在材料化学专业开设了必修课材料科学基础，无论是其教学内容還是其教学效果，均获得学生的一致好评，正是在此门课程的基础上，教师对课程内容进行了大幅改进，开设了材料科学导论课程。基于此前七年的教学经验，教师提出了采用“引导性教学和自主性学习相结合”的教学方式，除了讲授材料科学的基本内容外，适时提出一些与讲授内容相关的专业知识让学生在课堂上讨论，或让学生课后查阅相关文献再给出回答。这既促进了学生学习的主动性，培养了学生的综合分析能力，又保证了教师所“教”的内容更易被学生接受，而不是学过就忘，同时也能从学生给出的解答中“学”到自己疏忽的知识内容，在今后的授课中可以再度完善。在这样教学相长的教学方式下，教师从被动的“教”转变为主动的“导”，学生从被动的“听”转变为主动的“取”，大大提高了学生对专业知识的兴趣与接受程度。

（二）与时俱进，开展丰富生动的实时案例教学

材料科学基础类课程是材料专业学生接触的第一门专业课，是一门研究材料的成分、结构与性质相互关系的学科。它从化学的角度，研究材料的化学成分与原子结构、原子键合及微结构的相互关系；从晶体学和固体物理学的角度，研究材料的组织形态、微结构、内部缺陷与性质、性能的相互关系。同时，材料研究还是面向工程实际应用的，必须从工程应用的角度研究材料的制备方法、加工工艺等问题。通过工艺和技术的开发，制备具有特殊性能的、可批量生产的、满足工程应用要求的工程材料。因此，材料科学具有三个基本特点：1.学科交叉。它是物理、化学、金属学、陶瓷学、高分子化学、计算科学等基础学科相互交叉、融合和复合的结果。2.应用性强。它与工程应用密切相关，发展材料科学的目的在于研制新材料，改进材料的性能，满足工程实际的需要。3.不断发展。它是一门不断发展的学科，随着各个分支学科的发展而不断地完善、充实、丰富和提高。基于这些特点，此类课程往往涉及数量庞杂的原理、概念和定义，且描述材料的宏观结构易，讲解微观结构难，在授课过程中普遍存在内容抽象、难理解，学生较难掌握等问题。endprint

面对这些普遍存在的问题，材料科学导论课程教学不仅兼顾了基础理论体系的构建，而且做到了知识结构的与时俱进。教师瞄准最新颖、最前沿的材料领域发展方向，每年都对课件进行适当的补充、充实和拓展，及时反映五大基础材料和八类新材料的研究现状。例如授课时必定会结合每年10月份公布的诺贝尔物理学奖、化学奖等所涉及的新材料进展成果，即时制作课件讲解新材料的特点、制备和应用，比如2010年的二维石墨烯材料、2011年的准晶体铝合金材料等。同时，主讲教师每年都有国内外学术会议的大会报告，会直接把邀请报告的内容有选择地讲授给学生听，使学生对新材料、新工艺、新方法、新技术等取得的新进展有比较清楚的了解，既增长学生的见识，又开拓学生的视野，促进他们的自主思考和探索，使他们的创新能力得到有效激发和培养。

此外，主讲教师非常注重理论联系实际，将材料应用与经济社会密切联系在一起。教师授课时会讲述自己实际的研究课题，将一些关键的知识点串联起来，辅以一批重大项目的案例分析如秦山核电站[6]、嘉兴火电厂[7]、上海石化[8]、汕头印制电路板厂[9]等，让学生直观地了解到材料知识的合理运用和恰到好处的分析方法，不仅为国民经济重大工程解决了关键技术问题，也为社会公共安全与生产提供了坚实保障。除了这些实时案例的分析，教师还会结合历史上著名的案例来引起学生的共鸣。例如在讲述固体材料的基本性能时，具体分析了泰坦尼克号沉没的案例，配合丰富的图例展示，形象生动地讲解金属的断裂韧性和脆性断裂现象，使学生对抽象的材料性能有更为直观的认识，在课后巩固复习的时候也更容易记住这个知识点。

（三）走出课堂，近距离观摩与操作综合实验

材料科学是一门实践性很强的学科，如果仅仅通过理论教学，专业知识只是以文字的形式展现在学生面前，学生的接受必然存在一定的困难。另外，学生对“摸不着”的内容只能死记硬背，即便背熟了所有内容，这些知识在学生的脑中必然是以一个个原理、一个个定义或一条条公式的状态呈现，与掌握知识相去甚远，更别提融会贯通、学以致用了。面对这个问题，本课程首先在课件中加入三维动画视频[10]，使学生可以从三维立体的视角观察和认识材料的特性和特点，例如碳60、碳纳米管和原子构型、量子点内电子波函数等，这在一定程度上解决了讲解过程中生硬枯燥的问题。

但是材料科学作为一门实验学科，实验才是它的灵魂所在。所谓“百闻不如一见”，材料科学导论课程为学生提供了走出课堂、走进实验室的机会，近距离观摩教师操作仪器演示实验，甚至允许学生亲手尝试做实验。这种“走出去”的教学模式，极大地提升了学生的探索兴趣，让学生不仅可以提前感受做科研的氛围，也可以在参观过程中与教师更近距离地讨论学习过程中的困惑。学生通过亲眼看、亲手做的实践过程，加深了他们对抽象知识的具象化理解。例如在橡胶拉伸试验中，学生可以直观地观察材料拉伸时的过程和现象，此时课本上只有一根曲线的固体拉伸过程一下子就能被理解了。另外，学生对理论与实际相结合的概念有了初步认知，有利于激发他们对新材料研究的向往，同时训练他们的动手能力、观察能力、理解能力、分析能力及创新能力。

（四）富有激情，开展寓教于乐的交互式讲解

如前所述，作为一门理工类课程，且包含数量庞杂的概念和公式，学生普遍认为材料科学基础课程难懂、沉闷。教师如果只是照本宣科，将课件上的概念复述一遍、公式推导一遍，没有轻重缓急、抑扬顿挫，那么整个课程就会索然无味，无法吸引学生，学生不会敬佩教师，对教师所讲的也不会信任。因此，感情的投入对于一名教师来说至关重要，也就是需要在讲课过程中释放激情。激情主要來源于两个方面：一是教师对教学工作的热爱，包括对自己职业的热爱和对学生的信任。二是教师对教学内容的自信。[11]教师只有动真情，才能引导学生成才。材料科学导论课十分注重课堂氛围，其讲授方式正具备了这几大特点。主讲教师时时刻刻都激情洋溢、胸有成竹，从来不照本宣科，而是联系实际侃侃而谈，非常能吸引学生的注意力，也很有感染力。教学能达到这个效果主要取决于教师做到以下三个方面：一是讲课全神贯注，一个人的精神饱满程度取决于他投入了多少。二是热爱教学工作，这样才能每时每刻都微笑着对待学生。三是课前认真备课，心中有数，讲话才能有底气。虽然本课程已经开设多年，但每堂课前主讲教师都会认真备课，否则如果对自己讲的东西不太熟悉，那在讲台上教学情绪是无论如何激昂不起来的，学生也一定会感觉得到。

此外，主讲教师也探索了新颖的讲授方式。一个特点是交互式授课。主讲教师讲课特别贴近生活，帮助学生从熟知的事物中联想到抽象的概念，加深对材料属性的理解和知识点把握。例如，讲解聚合物材料特性时，特别举出生活中无处不在的、常用的七种塑料即1号PET、2号HDPE、3号PVC、4号LDPE、5号PP、6号PS、7号PC，以及为何不同的塑料品种必须选用不同的塑料种类的原因，并从塑料的力学性能、热性能及性价比，讲解材料选用的基本依据和设计方法。为了增加与学生之间的互动，教师还会携带并展示各种不同材料做成的实物，如矿泉水瓶是PET，盖子是PP等，然后让学生推测实物所对应的塑料种类并结合之前所讲授的知识点说明原因。通过这种授课方式，既可以鼓励学生独立思考，加深他们对知识点的理解，也加强了课堂上师生之间的互动，活跃了课堂氛围。另一个特点是英文讲解。凡是涉及英文缩写，教师必在黑板上展开其全称；凡是涉及有趣的字词，也必讲其英文。这样通过两种语言的对比让学生对所学知识的含义有了更加准确的认识。对于要出国的学生，这对他们背诵托福和GRE单词都有好处；对于以后要继续做科研的学生，相当于提前教授专业词汇，为他们以后阅读文献、写文章打好了基础。学生在这个过程中感受到自身知识水平的提升，自然对课程内容保持浓厚的兴趣和高涨的热情。

（五）慕课教学，完善的数据化资源共享平台

利用复旦大学新一代互联网课程平台，为材料科学导论这门课程建立了精品课程网站[12]，包括教学大纲、教学课件、教学视频、参考资料、拓展阅读等，并按知识模块设计分成了41个教学视频短片，全部公开共享，充分满足了学生课前预习和课后复习的需求。近年来，慕课在国内高校迅速兴起[13][14]，本课程也探索了这种教学方法。慕课视频的长度一般在10分钟左右，因而材料专业大量的理论和概念可以分段讲述，学生在学习每个知识点的时候都可以保持高度集中，而且可以将这种“碎片化”的学习分散到日常学习中，相较于在课堂中长时间持续接受知识点，慕课在学习效率上更占有优势，在未来材料科学基础类课程的发展中必然是越来越重要。endprint

三、教学效果与评价

材料科学导论课程自开设以来，得到了校内外专家的肯定评价。参照学生每年的盲评与评教结果，本课程的教学质量和主讲教师都获得了学生的一致好评。学生在盲评部分需要回答对本课程的满意度与改进这两个问题，绝大多数学生都做出了非常详细且正面的评价。例如：“杨老师在课堂上思路清晰，设计了很多互动性的问题，每个人都能积极地参与到课堂中，课堂效果较好。”“杨老师教学认真，治学严谨，讲课生动，思路清晰，注重理论与实践相结合，注重学生能力的提高。”“杨老师上课激情澎湃，绘声绘色，还穿插许多有趣小故事，即便每周三节课也会印象深刻！课程内容丰富，涵盖面广，时效性强”。

在教师和学生助教的努力下，材料科学导论课程于2015年被评为上海市精品课程。另一门由本课程主讲教师开设的课程材料失效分析也于2013年被评为复旦大学校级精品课程，2015年被评为上海市本科重点建设课程，2016年被评为上海市精品课程。这两门课程都获得了学生的普遍欢迎。

四、结语

材料科学导论课程构建了比较完备的材料科学教学的知识体系，其在教学上所取得的成果主要归结于以下三点：首先，通过引导性教学和学生自主性学习相结合的教学方法提升课堂教学效率，在有限的学时中充分带动学生利用课前课后的时间强化教学效果。其次，通过改革教学内容，结合前沿的实际案例纵深拓展，以基础课带动未来专业课程的学习。最后，进一步改革教学实践和讲授方式，加强师生间的互动讨论，将教学空间从教室延展到实验室，激发学生对材料科学研究的兴趣和向往，培养学生具有分析解决实际问题的综合能力。

[ 参 考 文 献 ]

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[3] 张瑞英，刘慧敏，许萍，等.配合网上教学教好材料科学基础课程[J].中国现代教育装备，2016（1）：70-72.

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[13] 王勇，孙丽丽，谭秀娟，等.慕课（MOOCs）背景下材料类专业课教学理念和模式研究[J].时代教育，2015（4）：7-8.

[14] 张春艳.“慕课”应用于材料工程类课程教学改革探讨[J]. 学周刊，2015（34）：219-220.

[责任编辑：庞丹丹]endprint