新工科背景下的材料科学基础课程案例教学模式思考

凌意瀚 杨洋 牛继南 张平

[摘 要] 为积极应对新一轮的科技革命，对材料类专业的人才培养提出了新的要求。为适应新工科背景的发展需求，对“无机材料科学基础”课程教学中存在的诸多问题进行思考。结合新工科发展方向，以案例教学方式对新工科背景下的课程教学进行设想，以培养适应新工科下要求的创新型和应用型工程技术人才。

[关键词] 新工科;案例教学;材料科学

自21世纪以来，我国为面对新一轮的科技革命与改革浪潮，先后形成了“中国制造2025”和“互联网+”等重大战略，推进创新驱动蓬勃发展，促进先进产业转型升级，不断推动着科技革命和产业变革。然而，新产业的蓬勃发展需要创新型人才的支撑，因此，2017年2月以来，教育部积极加强产业发展对工程科技人才需求的调研，做好增量优化、存量调整，主动谋划新兴工科专业建设，并发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，明确探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展[1，2]。“材料科学基础”是研究材料的组成、结构、制备工艺、性能及应用之间相互关联的学科，是无机非金属材料专业的主要专业课程，具有较强的知识理论性，紧密联系先进材料科技的发展趋势，对新一轮科技革命过程中培养高层次创新型工科人才发挥着重要作用。

案例教学是在教学过程中加入案例分析，使学生在课堂上对案例情境进行分析、讨论以表达自己的观点，培养学生主动思考、创造能力，提升学生在现实生活中解决实际问题的能力[3]。案例教学最早在美国哈佛商学院教学中进行应用，目前，已在各类教育教学中得到广泛应用[4]。“材料科学基础”教学模式关系到学生的创新能力和科学素养，因此，本文结合我校中国矿业大学材料与物理学院材料科学与工程专业培养方案，从案例教学模式方面着手，对“材料科学基础”课程的教学模式进行探索，以适应当代新工科发展的趋势，着力培养具有新工科背景的人才。

一、课程教学现状

“材料科学基础”是材料科学与工程专业的核心专业课程，是衔接基础课程与其他专业课程之间的一门重要课程，起着承前启后作用。材料科学基础课程主要包括晶体结构、晶体缺陷、固体扩散、相图和合金相结构等，课程的知识点较为复杂，内容抽象，部分结构难以理解。在教学方法上大部分高校仍然采用以教师为主体的PPT满堂式教学，这样的教学模式下学生处于被动接受知识状态，缺乏独立思考，难以抓住课程的重点，不利于新工科发展下的创新型人才培养。在探索新工科发展模式和创新型人才培养的基础上，要求高校更新“材料科学基础”课程教学内容，向学生介绍先进材料科学研究的最新进展以及新的发展趋势[5]。使得教学课程有被动满堂灌式教学向主动的问题导向课程教学发展，着重对学生的主观创造性进行培养，以增强教学内容的兴趣，促进学生全面朝着新工科建设方向发展。

二、新工科背景下案例教学模式思考

在新工科建设背景下，要以技术发展为导向，改革课程教学模式，形成一批内容新、方法新的特色课程。作为核心专业课程，材料科学基础课程概念多，教学理论性和实践性较强，所以课程教学难度大、跨度大。由于该课程中一些微观结构以及过程是抽象又枯燥，学生难以去理解及学习。为了增大这一课程的趣味性及科学性，将传统理论教学与案例分析、实践相结合，从而增强学生在课程学习过程的兴趣，提高课程教学效果。与传统多媒体教学相比，案例分析与实践模式的加入能够将抽象事物变得直观化，简化复杂问题，能够让学生对一些结构或扩散过程等抽象知识有着深刻理解，这也为教学顺利进行打下坚实基础。因此，结合教师讲解+案例教学，对一些抽象和枯燥难以理解的知识点进行简化，更加直观地帮助学生理解复杂知识点，提高教学效果。要实现课程案例教学，需要课程教师培养起新工科建设理念，要做到以下几点。

1.课程教学理念转变。在新工科建设背景下，课程教师应树立“以学生为主体，教为学服务”的新型教学理念，而不是以教师为中心，忽视了学生的主体地位，教师应尽可能地通过多样创新的教学方式引导学生主动学习、主动思考、主动讨论、主动实践，调动学生学习兴趣。

2.豐富课程教学方法。“填鸭式”教学方法在新工科建设背景下已经无法满足创新型人才培养理念的要求，因此，在课程教学过程中，需要不断丰富教学方法，适应新工科建设条件。在课程教学过程中可以增加启发提问式教学部分，通过设计一些启发式的问题，使教学课堂变得趣味，比如在讲授同质多晶知识点时，可以向学生提问“为什么金刚石与石墨化学组成都是碳，但在性质上却有着天壤之别”来启发学生独立思考能力，让学生综合前期所学知识进行思考并发表见解，这也能让教师对学生知识掌握情况有着深刻了解，根据课上不同反应及时应对并调整教学方法帮助学生巩固知识点。此外，在课程教学过程中加入讨论式教学方法也可以使教学效率提高。教师在授课过程中，选取书本某些章节中部分问题，对学生进行分组安排，利用课余时间查阅资料，以PPT形式对问题进行回答讲解，在下节课堂上以小组代表形式上台讲授，台下学生就讲解的问题答案进行提问和讨论。在新工科背景下，教师在整个课程教学中应作为组织者，多培养学生换位思考的方式进行课程学习，这样的学习方式能够赋予学生的新鲜感，同时培养学生科学探索精神、团队协作以及语言表达能力，在掌握知识点的同时进一步提高分析和解决问题的能力。

3.创新课程教学模式——案例教学。材料科学基础的本质是结构决定性能，然而在课程教学过程中，材料内部的结构是抽象的，并不能直观地呈现在学生眼前，如各种扩散、晶体结构、位错及位错的运动等。针对抽象的知识点，多媒体教学能够使得抽象的问题直观化，一些晶体结构、晶格间隙、晶体缺陷运动、结晶过程等可以以flash动画形式展示，使学生有身临其境之感，有效传递信息。在学习三元相图的过程中，缺乏空间想象力的学生会觉得这一知识点晦涩难懂，难以弄清三元相图的形成过程，这就需要多媒体教学来以示例形式展示三元相图形成过程。此外，在材料科学基础课程授课时，可以多以生活中常接触到的实物为例，如“汽车”，让学生感受到材料科学如何影响人们的生产、生活和发展。在材料科学基础的课堂教学中，课程套路也是案例教学的一种手段，比如，以“先进汽车用钢的研究与应用现状”为主题，同时设计一些问题，如汽车用钢面临的挑战、车用齿轮钢、弹簧钢等的最新研究热点和发展现状，让学生在课外阅读文献资料，制作PPT，然后组织学生在课堂上进行探讨、研究。在探究中，学生对材料科学中有关材料的微观结构、组织性能及制备工艺等基础理论有着更深入的认识。这种新的案例教育理念下的探究式教学适应新工科建设背景下的要求，为创新型人才培养做出重要贡献。

三、结语

对于一门理论性及实践性较强的材料科学与工程专业基础课程，授课教师往往以板书和公式化的PPT为主导而进行课堂教学，课程教学质量以及效率无法满足新工科建设下的需求。立足于新一轮科技革命，对材料科学基础课程教学进行思考，通过对课程教学内容的系统分析，在此基础上引入案例教学，并结合多媒体技术、师生教学互动环节等多种丰富的教学手段，提高课程教学质量，增加课程教学的趣味性，以适应新工科建设下的发展需求。

参考文献

[1]曹婷，曹原.“新工科”背景下通信原理的课程优化[J].价值工程，2018（3）：258-259.

[2]姜晓坤，朱泓，李志义.新工科人才培养新模式[J].高教发展与评估，2018，34（2）：17-24.

[3]郝俊才，赵春香，盖芳芳.土木工程专业材料力学案例教材的编写方法探讨[J].价值工程，2013（23）：234-235.

[4]孙璐.案例教学法在社会工作课程中的运用研究[J].现代商贸工业，2018（35）：169-170.

[5]张代东，房大庆，宫长伟，等.材料科学基础精品资源共享课建设探讨[J].中国现代教育装备，2016（1）：64-66.