工科类专业基础课程“材料科学基础”的前沿研究引入与考核内容设置探讨

李文利 邢占文 刘卫卫

摘要：“材料科学基础”是材料专业的一门重要专业基础课，在专业知识构建中具有重要作用，且课程具有抽象概念多、内容量大、考核困难等特点。同时，随着材料学领域新的研究成果不断涌现，如何做好前沿研究与课程教学的衔接，是促进学生巩固基本理论，了解前沿动态，强化教学效果，实现基础能力与创新性的全面提升的重要途径之一。通过将前沿研究成果引入课程教学的教学实践，并从研究进展的多渠道获取、教学引入、考核内容设置三个方面进行了探索总结。

关键词：专业基础课;前沿研究;教学考核

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）42-0001-02

“材料科学基础”课程是相关专业最重要的学科基础课之一，目的是学习材料科学与工程学科的基本概念、基本原理和基础理论知识。在课程教学中如果能够做好基本知识框架与前沿研究进展及成果的衔接，不仅有助于增强学生的学习兴趣，巩固理论知识，而且也有助于培养学生的创新思维，提升预期的教学效果。针对这些问题，在教学过程中进行了较为深入的分析，进行了教学内容、教学方法、考核方法等方面的教学改革，取得了良好的教学效果。

一、调整专题设置，引入前沿研究

本课程教学实践过程中，在调查学生既有专业背景知识的基础上，结合授课对象具体专业或研究方向的特色，参照国内外相关教材和内容，将讲授重点以晶体学基础、材料的结构、材料的形变、扩散与凝固等基础理论专题的形式展开学习。

以晶体结构主题一讲为例，从晶体中的原子、离子、分子如何堆垛出发，学习各种堆垛原子、离子、分子的配位情况，堆垛后的各项结构参数与堆垛的关系，接下来讨论各类晶体中的常见晶体结构。但是，必须明确的是，尽管晶体学的大厦已经构建，随着实验及分析手段进步，突破传统晶体学的研究成果也获得学术界的认同。因此，最后引入准晶的概念及其研究过程，以及这一发现对于现代晶体学和固体物理框架的影响。在新概念的引入过程中，也涉及前期基本理论所需要掌握的周期排列规律的计算，并在此基础上引出科学家们提出的全新的解释，即准周期性，这些发现显著扩大了晶体学的平移堆垛和旋转对称范围。回过头来梳理晶体学理论发展的历程，可以发现基本概念也是一代一代晶体学家和数学家持续性研究的结果，这其中需要实验和理论的相互佐证，并结合实验和理论建立起完整的理论体系的大厦。只有这样的理论成果，才能成为后来科学发展的指路者。同时，新的研究成果的出现，有可能调整课程教材的经典理论，至于如何随着研究的推进来证实现有解释，并实现真正意义上的应用推廣，则是能够激起学生探索和创新的话题。

二、改革教学方法，提高学生的学习兴趣

在基于主题讲授的课堂学习外，适当增加专题讨论，在课堂和课下设置问题，让学生参与一起讨论，并分组查找文献资料，结合讲解与点评，使学生都能积极地参与到教学活动中，是目前广泛认同的教学方法之一。尤其对于材料科学基础，新的研究方法的应用使问题与结果的展示及提出形式均具有多样化，并易于让学生尽快接受并展开讨论[1]。例如，借用最新研究结果的各项原位测试动画、分子动力学模拟结果等，将理论知识生动形象地展示出来，一方面通过学生的归纳与讲解，可以将该领域最新的研究成果传递给其他人，增加了教学内容的科学性、先进性和趣味性，另一方面可以使师生双方得到该学科最新的优质教学资源，并有助于学习兴趣的提升。如对于材料的凝固这一主题，选取近期研究热点材料对象，采用数值模拟演示出的温度场、温度梯度、凝固组织生长过程等，使学生不但掌握凝固热力学和动力学条件等基本概念，并且了解了求解动力学方程对实际工程问题的重要价值与意义，对抽象枯燥的凝固形核与生长条件有了新的认识，激发了学习兴趣。理解了理论的具体体现，对于后续涉及这一类理论的各项技术/工艺细节所带来的结构与性能上的差异，也就更容易理解和展开分析。进而，当学生从事相关工作或研究时，将理论联系实际的方法贯穿其中。当面临新的技术问题时，借助这些基本理论的深刻理解，将能够快速找到切入点，抓住技术问题的关键，从而展现出优异的实践能力。

三、更新考核内容，引导研究型考核

课程考核环节也能够通过研究型问题设置，将基本知识点与最新发表的研究成果结合起来[2]。同样是对于晶体结构这一主题，本课程选择了近期一种新型金属间化合物的合成、表征以及性能评价研究成果，引导学生从如下三个步骤加深课程讲授知识，并实际运用这些重要知识点寻找研究答案的理论解释和运用分析：（1）涉及的金属间化合物的晶体结构属于哪种类型及有何特点;（2）研究者采用何种创新性的实验设计揭示该晶体结构的形成过程、具体形成步骤;（3）展开讨论该晶体结构的演变过程研究对于新的材料体系设计和合成有哪些参考意义。类似上述考核内容设置的模式，是从基本知识点出发启发、引导学生，使其掌握基本理论和学科方法，运用所学理论解决实际问题的一种考核方法，也是能有效促进课堂互动，进而提高教学效果的模式之一，不仅可以推动学生通过阅读近期的研究成果讨论自主解决问题，而且考核过程中加深了对专业知识的理解，最终达到教学目的。当然，通过考核内容更新引导方法的学习，同时也是一种研究方法和质疑精神的传播。在讨论和研究相关授课主题的重要文献的同时，无形可以中研究和领会前人的思想和方法。对于后续从事工程技术工作的学生而言，根据基础知识解读新的科学问题或分析新的关键技术，也是培养卓越工程师的基本途径之一。尤其对于工科类专业毕业生，借鉴前人研究成果综合分析工程问题或展开产品设计/变更，获取和分析能力是必须具备的基本能力。通过考核内容引导强化该能力的训练，不仅有助于达到本课程的教学目的，也促进了学生在校和终身学习的全过程能力培养。

当然，从最新研究成果出发展开前述教学内容和考核设置的改革，其中离不开最新的外语专著或期刊论文资料，这就涉及双语模式下讨论专业课的教学这一问题。在当今国际一体化背景的影响下，大量工科类专业课程教学过程中或多或少也会引入外语原版教材和专著、外语文献等形式。在准备和实施教学内容和考核内容的同时，也是借助材料学科国内外的最新研究进展、科技发展水平，并吸收本学科前沿的专业知识和理论，达到培养学生的全球化学术视野的目的，这对目前倡导的拔尖创新型人才的培养至关重要[3]。

四、总结

材料科学基础课程的教学改革需要紧贴教学目的和材料学科的发展趋势，紧跟科学前沿，提升学生对本课程的学习兴趣，发挥对基本理论运用的专业能力。通过前沿研究进展及成果与基本知识体系的结合，既可以让学生对专业知识学习充满兴趣，又能够在理解研究成果的同时加深基础概念和理论的理解，同时通过考核内容的适当调整，适应材料学科的迅速发展，提升研究素质，从教学内容和考核内容角度引导学生关注基本专业能力与创新能力的同步提升。最后，借助科研对教学的促进作用，增强对教学内容相关的前沿研究进展的敏感性，对于教师而言也是一个不断提升的过程，展开了多模式的教学与研究相互结合的实践，实现了教学相长。[4]

参考文献：

[1]宋贵宏，陈立佳.提高普通工科高校专业基础课教学质量的新尝试[J].教育教学论坛，2017，（3）：236-238.

[2]张海龙，程龄贺.“材料科学基础”课程教学改革和考核改革探讨[J].科教文汇，2014，（1）：58-59.

[3]陈洪美，张静，金云学，魏范松，王泽鑫.不同专业方向背景下的材料科学基础课程改革与实践[J].中国现代教育装备，2015，（12）：90-92.

[4]曾晓祥.本科低年级专业基础课研究型教学的探讨[J].教育教学论坛，2016，（1）：273-274.