《材料科学基础》教学改革初探

陆盘芳,朱树华,李厚深

(山东农业大学 化学与材料科学学院,山东 泰安 271018)

材料是人类文明进步的里程碑。纵观人类发展史，每一种重要材料的发现和利用，都给社会生产力发展带来巨大变革，把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平。当前，材料已成为与能源、信息并列的现代科学技术三大支柱之一[1]。随着材料科学与工程学科迅速发展，各高校深刻认识到现代社会对材料学方面人才的需求，纷纷设立材料学院或开设相关材料类专业，并开设材料相关课程，如：《材料科学基础》、《材料化学》、《材料结构与性能》、《功能材料》以及《材料合成与制备技术》等。在这些材料专业课程中，《材料科学基础》作为材料科学与工程类专业学科中一门重要的基础课程，是相关材料学学科的基础和媒介，起着公共基础课与专业课程之间的纽带作用，不仅得到了广泛开设，而且随着各学科相互交叉融合，其地位更加凸显。

山东农业大学作为山东省首批五所应用基础型特色名校之一，2002年10月成立了化学与材料科学学院，2004年开设了材料化学本科专业。近年来，学院以培养适应化学与化工行业发展要求的复合型、应用型人才为目标，深入调整了材料化学专业的课程设置和培养方案。特别是对作为主干课程的《材料科学基础》，从教学内容、方法和手段等方面提出了新的更高要求。笔者在多年从事《材料科学基础》教学工作中，围绕实现该课程教学目标，立足更好适应材料科学发展现状、学校培养方案变化和学生实际需求，从教学内容、教学方法、教考结合等方面，进行了一些积极探索和实践，并取得了一定成效。本文在充分进行文献调研的基础上，结合多年教改工作实践，对材料科学基础课程教学工作进行了认真梳理和深入思考，并提出了一些对策，以便为改善材料科学基础课程的教学质量、提高教学效果和学生动手能力提供指导[2]。

1 《材料科学基础》教学改革的必要性

1.1 适应该课程的发展变化和现实需求，迫切需要进行教学改革

《材料科学基础》是一门传统又新兴的课程，主要阐述固体材料的结构和性能以及它们之间的相互关系，主要包括材料的质点间结合方式及相互作用、质点的空间排列特点及规律、典型固体聚集态结构、结构缺陷及运动规律、表面与界面相关的理论和现象、固体的扩散和相图与相变等内容，属于典型的交叉学科范畴，涉及数、理、化、生等多个领域，基础性、理论性强，知识点多。同时，随着科技的不断进步，各种新材料、新工艺、新技术、新理论的不断涌现，都需要及时纳入新的教学内容[3-5]。因此，为了兼顾好教学内容的新颖性、理论性和教学方法的不定期变革性，迫切需要对该课程进行教学改革。

1.2 破解教学内容多、授课时间少的矛盾，迫切需要进行教学改革

由于材料学专业涉及面广，材料科学基础内容多且抽象，学生在学习过程中普遍反映不易理解，抓不住重点，是大家公认的高校中比较难学习的专业和课程之一。同时，由于受大学学时所限，各高校在材料学专业课程设置时，普遍存在"内容多、课时紧"的矛盾。《材料科学基础》课程，按许多教材编写内容来看，授课时间一般不少于120学时，而纵观全国各大高校材料学专业设置，《材料科学基础》通常为54学时，个别为72学时。山东农业大学材料化学专业的《材料科学基础》设置为56课时。但这并不意味着材料化学专业对《材料科学基础》的要求低，而是由于材料化学专业课程多、学时紧等原因导致的无奈之举。学时少造成学生对《材料科学基础》的知识掌握比较肤浅，很难系统掌握材料科学基础的本质，也在一定程度上影响了后续相关材料学专业课的学习。与此同时，材料科学基础相关实验课时，也需要精简和压缩，导致学生的动手能力得不到有效锻炼。

由于《材料科学基础》课程教学面临的诸多矛盾，严重影响到了该课程教学目标的实现和材料学专业学生基本知识的掌握，对该课程教学进行适当改革，不仅势在必行，而且迫在眉睫。

2 《材料科学基础》教学改革的探索与实践

2.1 改革教学内容，优化课程设置

《材料科学基础》经过几十年的发展，内容已经相当丰富，而且还在不断更新。如此庞大的内容，要通过短短的56学时来完成全部教学内容几乎是不可能的。因此，精简教学内容是《材料科学基础》教学改革必须进行的环节。我们结合材料化学专业对《材料科学基础》课程的要求，结合本专业其它课程设置，按照"精简内容、突出重点、强调相关"的思路，对材料科学基础教学内容进行了改革。

所谓“精简内容”，主要是针对材料化学专业特点，将总体教学内容精简为“三大模块”，并将相关内容进行了量化。第一模块为晶体结构和结构缺陷，包括各种晶体的空间结构和缺陷形式。这部分是材料科学的基础知识和基本理论，也是材料科学基础学习的重点，通过学习可以使学生初步了解固体材料的本质。同时，为了配合学习，适当增加了材料科学基础的X衍射、透射电镜等基本表征手段的学习，这一模块内容约占总学时的30%；第二模块为金属、无机材料和高分子材料结构，包括基本理论知识和典型材料实例的介绍，通过三大材料的实例阐述材料的制备、化学组成、结构、性能之间的关系，从而为材料的开发、生产和使用提供理论基础，本模块内容约占总学时的40%；第三模块为表面结构、扩散和相图，包括材料表面与界面的结构与性质、固体中的扩散、相平衡与相图等。本模块内容约占总学时的30%。

所谓“突出重点”，就是突出抓好材料四要素教学，即讲授清楚材料“组成、结构、性能与效能”以及它们之间的关系。以材料四要素为主线索，对各个知识点进行深入浅出地讲解，使学生能够由点及面地理解每一个"概念"，触类旁通地认识每一种“材料”。例如，在讲解单质碳的晶体结构时，列举富勒烯、碳纳米管、石墨和金刚石等不同碳结构的材料，介绍在不同热力学条件下石墨和金刚石晶型的转变，以及晶型转变对材料结构和性能的影响。

所谓“强调相关”，就是在教学中适当引入相关的前沿新知识，扩充学生对新材料、新工艺的认识面，并给学生一个正确的方向进行独立思考，以便于在进一步的学习中做到事半功倍。例如在讲授表面概念时，引入纳米的概念以及纳米材料表面的性质，介绍纳米材料的起源、结构、性能等知识，让学生了解目前国内外相关领域的最新发展研究状况。通过相关的最新研究成果引发学生学习材料科学基础的兴趣。

2.2 改革教学方法，提高教学效果

《材料科学基础》看似宽泛简单，但全面掌握起来难度相当大。特别是在有限的教学时间内，要让学生跟上上课节奏、领会知识要点，必须改革传统的灌输式教学方法。

(1) 充分利用多媒体教学手段，化抽象为形象。《材料科学基础》具有内容多、概念多、理论抽象的特点，依靠传统的"粉笔加黑板"的教学方法，教师讲清楚、学生听明白都比较费力。如何改进教学手段，把课程内容更形象更生动地展示出来，化抽象概念为形象描述，提高直观性、增强吸引力，成为该课程教学改革的一个重点。随着多媒体技术的快速发展和教学设施的不断完善，为我们提供了事半功倍的途径。通过制作简单易懂的多媒体课件，利用形象逼真的动画形式，将抽象复杂的材料内部结构形态，从静态到动态、从平面到立体、从单色到彩色地进行变化演示，不仅极大的丰富了《材料科学基础》课程的教学信息量，扩充了教学内容，而且有利于帮助学生迅速建立空间概念，正确理解材料微观结构的特点和性能之间的关系[6]。比如，晶体的空间结构、位错的复杂形态、扩散的动态变化、相图的空间模型等，我们通过计算机丰富的色彩、图像和动态演示功能，可以方便地展现并区分，非常直观、简便，既节约了大量课堂时间，又提高了教学效率和学生的学习积极性，取得了显著的教学效果[2]。

(2) 充分利用雨课堂教学模式，让教与学全程在线。当前，正在蓬勃发展的雨课堂教学模式，具有教学过程数据化、学生学习过程化、教学资源存储化的特点，不仅能够实现"课前预习-课上参与-课后复习"的全方位教学，而且可以实现课堂签到、随堂测试、课堂互动、实时教学反馈、过程考核、翻转教学等独断功能。为了破解该课程“课时紧、任务重、互动少”的问题，我们充分利用雨课堂教学模式，采用“讨论式”、“参与式”、“研究式”等方法引导学生学习。讲授新课之前，结合与理论相关的名人典故、科研成果以及实际产品，提出需要解决的问题，提前通过雨课堂推送到学生手机，引导学生对授课内容进行课本预习和网上检索，提高学习兴趣。比如，引入"美国大学生发明的不留污渍的新型T恤衫"案例，引导学生积极探讨该产品的创新点是什么？不留污渍的原理是什么(用到《材料科学基础》中第六章的"表面与界面"的基本知识)？解决了什么问题？使学生学会在学习中提出问题、分析问题、解决问题，让课堂互动永不下线，提高学习实效。

(3) 坚持理论联系实际，更加注重实验教学。《材料科学基础》课程是一门与实验和工程实践紧密相联的学科。强化课程实验和实践环节教学，可帮助学生巩固和加深对理论知识的理解，掌握基本实验技能，培养理论联系实际，自己动手分析、解决实际问题的能力。但长期以来，《材料科学基础》开设的实验，大多是一些验证性实验。为了培养学生的动手能力，我们在加强实验实践的教学改革中，采取实验教学课程建设与学院平台实验室建设和教师科研实践相结合的方式，推进了课程实验实践教学的全面提高。将实验内容进行了扩充。一是保留了部分验证性实验，培养学生掌握材料科学的基本实验技能和相关基础知识，学会观察实验现象和分析实验数据[6]；二是增设了部分科研型实验、开放型实验。"科研型实验"，就是让学生跟随老师进行科研项目的研究，在科研中体会消化所学的理论知识。例如，结合教学科研实践，我们让部分学生参与了"农作物秸秆可降解膜的研制与性能研究"，并让其在课堂上与大家进行了交流。通过探讨，大家对生物质资源，秸秆薄膜的成膜性和耐水性，以及在食品及农业领域的广泛应用前景都有了深入理解，既让学生了解了前沿科学，又让学生加深了材料科学基础理论知识。“开放性实验”，就是让学生自主选择与课程相关的实验，自行设计实验方案，完成实验报告[7]。例如，我们开设的“层状双氢氧化物的制备与性能研究”，涉及到粘土的晶体结构、阴离子交换容量、膨胀性、热性能、有机改性等。在教师指导下，学生首先合成粘土，然后通过分析粘土的结构与性质、并对改性前后的粘土进行结构性能分析和对比，最后对实验结果进行数据处理等，加深了材料的成分、组织结构、材料制备工艺、材料使用性能之间有着相互依存、彼此影响的复杂关系的理念，有效地调动了学生的主观能动性，激发了学生的创新意识，使学生在提高实验动手能力的同时，又进一步巩固了课堂教学内容。我们还注重指导学生积极申报创新创业项目和承担相关科研项目。如，2018年，我们指导学生申报的“肥料的新衣：可降解的剩饭菜包膜材料”项目，获得了省级奖励。目前，我们材料化学专业的学生，参与申报科研项目的热情越来越高，项目质量也越来越好，部分同学还发表了较高质量的科研论文或者申请了相关专利。

2.3 改革考试方式，坚定育人方向

课程成绩考核，既是对学生学习成果的检验和评价，也是课程教学改革的风向标和指挥棒。但是光靠传统的、单一的期末考试，也容易让学生临阵磨枪、死记硬背，“走捷径、吃巧粮食”，往往试卷的完成情况不能全面客观地评价学生的学习成效。因此，考试方式因循守旧，教学改革也只能是纸上谈兵。为了改变这一状况，我们针对《材料科学基础》的教学特点和内容，尝试推进考核方式的多元化。在考核中，把材料科学基础的总成绩分为三部分。一是期末闭卷考试，占总成绩的60%，主要突出课本的基本内容，通过相当数量的客观题，来考察学生对所学基本理论的掌握情况，通过一些主观题，来考察学生对材料科学基础知识点的应用情况；二是平时成绩，占总成绩的20%，主要考核平时学习参与度，包括到课情况、课堂笔记、回答问题情况、作业完成情况和单元测试等；三是实验实践情况，占总成绩的20%，主要是在实际操作中，考察学生的动手能力和对课本内容的理解能力、应用能力。通过这种考核模式的改革和调整，既注重学生日常课堂学习，更注重培养学生的创新能力和综合应用能力。