新能源材料与器件专业《材料科学基础》教学探讨*

李 伟，展东红，梁 玮，法文君

(1 许昌学院新材料与能源学院，河南 许昌 461000；2 许昌学院国际教育学院，河南 许昌 461000)

新能源作为战略性新兴产业，已经成为世界主要国家抢占新一轮经济与科技发展制高点的重要战略之一，也是应对日益紧迫的环境污染和能源紧缺的必由之路。新能源材料与器件专业是国家为支撑新能源、新材料、新能源汽车等战略性新兴产业发展于2011年新增专业，是材料学与电子科学、化学、物理学、能源技术、机械、管理等多学科相互交叉的一门现代化综合性学科；涉及新能源材料的制备、能源存储与转换、新能源器件的设计与制造、新能源系统的开发与管理等方面的知识，是培养适合我国新能源产业发展所急需的高素质专业技术人员，是我国新能源产业战略闭环的关键支撑[1-3]。

新能源材料的研究和开发是实现新能源转化与利用的技术核心与物质基础。《材料科学基础》是新能源材料与器件专业学生在大学期间的一门系统性阐述材料的结构、组成与性能之间关系的专业必修课，对学生材料领域的专业知识结构搭建及公共课程与专业课程过渡具有承上启下的桥梁作用[4]。因此，《材料科学基础》课程内容体系的设计对构建学生材料学科知识体系，培养学生科学的思维方法、创新能力及运用基础理论解决实际问题的能力具有极为重要的奠基作用。然而，新能源材料与器件专业设置时间较短，因此针对性探讨该专业的《材料科学基础》课程教学内容及模式的报道较少[5-6]。本文结合许昌学院新材料与能源学院两届该专业《材料科学基础》课程的教学经验，通过探讨课程结构、课程内容、教学手段与考核方式等方面的优化调整，对该课程教学内容及模式进行探讨。

1 结合新能源专业背景，优化课程内容

经过多年发展，目前用于本科教学的材料科学基础课程教材种类丰富，我校目前所采用的是张联盟等编著武汉理工大学出版社出版的《材料科学基础》，在知识体系构建方面，教材内容较全面地覆盖了材料科学与工程专业一级学科的基本内容[7]。新能源材料涉及材料种类繁多，包括无机非金属、金属及高分子三大类材料，而我校新能源专业的主要立足于光伏材料、储能材料、催化材料及特色陶瓷等领域，内容多以无机非金属材料为主，而所选教材虽然在举例方面涉及无机非金属材料较多，但更侧重硅酸盐材料，而目前偏重新能源材料方向的《材料科学基础》教材几乎没有。结合我校新能源材料与器件专业的培养方案与专业特点，既要体现材料科学基础课程的基础性特点，始终围绕材料组成-结构-性质之间的关系的教学主线，同时也要突出新能源专业特色。因此，遵循厚基础、强实践的培养理念，对课程教学内容进行科学调整与合理取舍，从而在有限的课时内达到理想的教学效果显得尤为必要。在基础理论方面，加强学生对材料共性知识如晶体结构及缺陷、相变、扩散、相平衡等重要内容的理解；在实践应用环节，应结合新能源专业培养特色，适度提高教学内容的深度和难度，着重培养运用材料科学基础知识分析解决材料制备及测试过程中存在问题的能力。

如介绍常见晶体结构及晶体缺陷时，举例过程应尊重认识规律，由简入繁，侧重新能源材料具体应用案例的介绍，如从典型金刚石结构引出硅、锗等半导体材料晶体结构，进一步延伸至掺杂、空位等缺陷对半导体性能的影响；由钙钛矿结构引入钙钛矿太阳能电池材料介绍等；由尖晶石结构引入锰酸锂电池材料等。通过从材料内部原子的空间排列、组织结构方面论述材料的组成-结构-性质三者之间的相互关系，将晶体结构、晶体结构缺陷与新能源材料性能紧密联系，揭示其结构、组成与性质关系。在习题设计中，突出新能源材料的晶体结构参数计算与性能预测，加强实践与理论的联系。在介绍固溶体时，引入锂离子电池三元材料的发展过程及最新研究成果介绍，加深学生对固溶体中的组成、结构调控对材料性能的影响，让学生了解锂离子电池及太阳能电池等领域的最新研究成果；将固溶体章节内容与析晶过程、相图分析有机结合，让学生认识到各个章节在材料制备及分析过程中并非相互独立，而是同时存在相互影响。在介绍扩散章节时，引入锂离子在电极材料中的扩散速率对储能性能的影响等；在固相反应及烧结。通过大量的新能源材料应用实例加深学生对课程目标的认识，明白课程学习的目的与意义，能够应用课程基础知识对材料制备测试过程中存在实际问题进行分析，增强课程内容与实际应用的紧密联系，激发学生学习兴趣。

另一方面，在课时有限的情况下，较多内容的加入势必影响教学进度，故对教学内容进行适当删减或选讲显得尤为重要。以许昌学院新能原材料与器件专业《材料科学基础》教学为例，结合专业特点与我校新材料与能源学院研究特色，在晶体结构章节对高分子材料结构进行删减；对非晶态结构与性质章节常见硅酸盐玻璃类型进行删减；对表面结构与性质章节对固体表面成分和结构测定方法相关内容进行删减；在相变章节重点讲述液固转变、马氏体相变两节内容。同时在相平衡与相图章节，减少硅酸盐相关相图的讲解与分析，引入功能材料及新能源材料相图讲解与分析。另外对腐蚀与防护、疲劳与断裂两章内容作为选讲内容，鼓励学生自主学习。结合专业特点，通过对各章节内容的科学优化调整，有利于合理安排课时，突出重点教学内容，提高课程效率与教学效果。

此外，新能源材料发展迅猛，日新月异。在课堂教学过程中引入新能源材料的科学研究前沿报道，利用已学课程章节内容对学生解读分析最新研究成果，有利于加深学生对材料科学基础知识应用的理解与新能源专业兴趣，让学生感受新能源科技的发展与材料科学的魅力，改善课堂氛围，提高教学效果。

2 结合课程内容特点，丰富教学方法和手段

随着信息技术的发展，多媒体教学可以通过图片、声音、视频、动画等使抽象理论的文字描述形象化、生动化的展现，可起到化繁为简，为教学内容提供清晰准确的表达工具，已成为高校教学过程的主要手段，同时也是高等教育发展的必然要求。特别对学生的想象力和理解能力要求较高的部分教学内容，如晶体结构、密堆积原理、晶体缺陷运动、三元立体相图与其投影图的关系等，通过二维、三维动画或视频进行展示，可明显提高教学效果，降低对学生想象能力与教师描述过程的要求。相对于传统板书教学，多媒体教学的信息量大大增加，对扩大课堂内容，提高课堂教学效率，缓解有限课时与课程内容量之间的矛盾。同时，也应注意到短时间内课程内容速度加快，对于学生理解和自我消化知识的能力提出挑战。故教师在授课过程中需根据学生理解程度，调整授课节奏，同时严格要求课后练习与课堂笔记，避免学生学得快忘得快，知识掌握不扎实等情况出现。

另一方面任课教师可将教学过程中的重点、难点知识进行碎片化处理，通过录制小视频、语音、微课等线上形式对知识点进行2～5 min的归纳讲解，学生通过线上学习对课程要点提前预习，可以在有限的学时内大大提高课堂效率。学生也可以借助国家精品课程网络视频教学对不熟练的内容进行自主学习，提高自学能力。同时借助微信、QQ等社交软件进行师生互动，收集整理教学过程中存在的问题，在课堂教学过程中及时解决，避免问题堆积。

同时，改变教师讲课为主的教学模式，每学完一章内容，以学习小组为单位设置课程讨论小专题，各小组通过分解任务、规划实施、课堂演示讲解及归纳总结的方式，加深学生对所学章节基础知识的熟悉度，训练学生对问题分析、知识运用、解决方案提出到最终的归纳总结的能力，使枯燥的专业基础课教学变得活泼生动，充满乐趣，又紧密贴合应用型人才培养的目标。

3 改革考核方式，培养学生分析解决问题的能力

改革目前的“考勤+课后习题作业+考试”的传统式评价模式，加大平时成绩在综合成绩中的比例。材料科学基础不仅是材料类专业的基础知识课程，也是学生掌握发现新材料，优化材料性能的重要方法论课程。课程的考核形式不应仅仅关注学生对课程理论知识的重现与回顾，也应对学生利用所学的方法对实际问题进行分析解决的过程与能力进行评价。因此，作业的形式不应仅停留在课后习题的解答，也应注重能力训练的考核。以我校新能源材料与器件专业为例，任课教师将班级学生分成若干小组，当结束一章内容的学习，结合所学内容，布置相应专题调研，并在课堂进行演示与讨论，通过各学习小组互评结合教师评价的方式将专题小组讨论纳入考核内容，按照比例计入平时成绩，增加学生对平时成绩评定的参与度，在完成专题讨论的过程中训练学生对章节内容知识的掌握及方法的灵活运用，实现由关注材料科学基础知识本身逐渐向重视分析解决实际问题能力培养的转变，同时也锻炼了学生分析解决材料科学问题过程中严谨的逻辑思维能力。经过一个学期的实施，学生在该专题讨论过程中表现出极高的积极性与活跃的讨论氛围，对材料科学基础知识有了更加深入的理解。课程教学的参与度显著提高，教学效果较理想，演讲与逻辑思维等综合素质也明显提高。

4 配合课程章节内容，引入实践教学环节

新能源材料与器件专业是一门实践性非常强的学科，针对《材料科学基础》课程中章节学习内容，针对性的配套新能源材料相关的验证性实验或实践课程，有益于课程内容与实践的紧密联系，深化学生对材料基础科学原理的理解，同时提高学生对实验实践过程中材料中存在的科学问题的分析解决能力，也是对厚基础、强实践的培养理念的重要支撑。如配合晶体结构章节内容，引入新能源材料的晶体结构球棍模型的搭建与分析；配合晶体结构缺陷，引入掺杂对硅基半导体太阳能电池的效率影响；配合扩散章节内容，结合锂离子电池中锂离子在负极材料的扩散等验证性实验内容；配合固相反应章节，结合磷酸铁锂电池材料的高温固相反应制备等实验内容，通过这类实验实践课程的引入，既能加强学生对材料科学基础理论与材料实际应用相互之间的紧密联系的认知，又能加深学生对所学材料科学基础知识的了解，同时还能增加学生对专业培养目标的理解，对于激发学生求知欲望，增强学习兴趣，提高动手能力具有显著效果。

5 结 语

随着我国社会经济建设的迅猛发展，新能源材料与新能源技术日新月异，《材料科学基础》课程本科教学应与时俱进，不断创新适应时代变化，不断创新完善教学体系。在新能源材料与器件专业人才培养过程中，《材料科学基础》是连接公共基础课与专业课程的重要桥梁，具有承上启下的关键作用，对学生的后续专业课程、工作及学术研究具有重要影响。在新能源材料与器件专业的《材料科学基础》课程教学改革过程中，要勇于实践，不断改革与调整，为我校“新专业”的“老课程”探索一套有特色、可持续、紧扣时代发展的《材料科学基础》课程的教学内容体系。