“材料科学基础”课程教学实践及改革与创新研究

鞠洪博，汪 然

（江苏科技大学，江苏 镇江 212000）

0 引言

材料科学技术与能源技术、信息技术并称为21世纪人类最为重要的三大支柱，而能源技术、信息技术的发展是以材料科学的发展为基础实施的，可以说材料学科是21世纪最基础的学科［1-2］。随着科学技术的发展，对于各种材料的性能也提出了新的要求，各种新技术、新材料逐渐被人们所发掘，而传统材料也逐渐得到了更深入的研究。

随着材料科学技术的迅猛发展，对于从事材料相关行业的人才也提出了更高的要求，高校作为培养高素质人才的主要基地，逐渐向着培养个性化、多样化、高素质化的综合创新型人才阵地转变。而作为材料学科最基本课程之一的“材料科学基础”也面临着新的要求，亟须进行教学方式的改革，探索出一条如何同时适用于新环境下材料科学应用、科研领域的培养方案，探索新的教学方式以缩小理论知识与实际应用之间的距离是十分必要的。

本文以江苏科技大学材料学院“材料科学基础”课程近几年的教学实践和课程改革体会为基础，对“材料科学基础”课程改革的认识与实践进行讨论。

1 课程的设置及历史渊源

从原始社会开始，人类的每一次进步都离不开使用材料的进步［1］。从石器时代、青铜器时代到铁器时代，从陶罐到瓷器，人类的发展史就是材料的发展史［2］。材料学是人类发展最为基本的学科，随着材料科学的发展，纳米材料、复合材料、薄膜材料、高分子材料等新型材料不断地被人们发现、发掘，为社会发展贡献了不可磨灭的力量［2-3］。随着技术的发展，对于材料理论的研究也越来越深入，正是基于这一点，从20世纪70年代起，材料科学与工程这一学科开始逐渐发展壮大，而“材料科学基础”作为材料科学的一门最基础的专业课程也就应运而生。

“材料科学基础”的教学任务主要是通过材料内部的结构理论知识来对材料的性能进行探讨，阐述材料结构与性能之间的关系，为材料的相关研究及应用提供必备的理论知识，使学生能够通过这门课程初步具有材料学科的基本理论储备。

2 课程的特点及要求

“材料科学基础”作为材料类专业必须掌握的一门基本专业课程，是一门具有实用价值的理论型通识课程。

该课程主要可分为三大方向:（1）材料的内部性能，主要对材料内部例如缺陷、固溶体等理论知识进行学习。（2）材料的外在性能，对材料所表现出的一些外部性能变化进行介绍。（3）材料结构的转变原理、转变方法等知识，了解在对材料进行处理过程中材料结构的转变原理和转变方法等相关知识。

3 教学实践中发现的不足

总体上来讲，作为材料学科最基本的一门专业课程，其内容繁多且具有庞大的知识体系，各知识体系之间有时并无关联，且理论知识较为枯燥，因此学生们在学习过程中需要花费很大的精力，同时也容易产生厌倦。由于教师的科研方向有所侧重，使得某些章节并不能很全面地阐述。上述问题使得“材料科学基础”这门课程在教学中存在着一定的不足，在一定程度上并不能完全符合开设这门课程的初衷［4］。

4 教学方法研究及教学实践中的改革与创新

基于以上问题，为了让老师和同学们更好地达到课程开设所期望的目标，对于“材料科学基础”课程教学的改革与创新就显得很有必要。

4.1 课堂教学的优化

4.1.1 选择合适的教材

教材对教学质量的高低有着很大的影响，目前“材料科学基础”的教材较多，但由于涉及知识点较多，对于一本教材，某些章节的知识并不全面。因此在实际教学中老师要做到取长补短，利用多本教材将知识补充完整。

4.1.2 教学方式的改进

“材料科学基础”作为一门含有较多知识点的课程，其重点难点多，理论知识较为枯燥，使得同学们在学习过程中不容易及时地吸收与理解，在平时的课堂中学生会提不起兴趣，课堂效率大大降低。在目前的授课方式中，以多媒体形式为主体的教学方式已经得到了广泛应用。基于动态演示的视频和动画等多种表达方式，对涉及的相关理论、结构模型等进行演示。例如，可以通过3D动画的形式对各种缺陷、固溶体的形成及凝固过程进行演示，利用图片、辅助文字的形式展示随着温度的变化铁碳相图中的物相变化情况等。上述方法的使用使得枯燥的知识转变成图文并茂的具体物象，提升了同学们的积极性，有效地提高了教学质量。同时，在授课过程中，教师要积极地与学生产生互动，在课堂上要经常提问，引发同学认真思考，循序善导，让同学们敢于提出问题，并及时解惑，让学生能够感同身受地参与授课过程。在课后，根据当天课上所讲内容布置对应的作业，使得所学知识能够及时巩固。通过对作业的仔细批改，掌握学生的学习情况并及时调整教学计划，对重点难点及时复习。由于课程各部分具有相对独立性，在完成某一章节后，可以给学生布置一个综述类的大作业，在加深同学们对知识掌握能力的同时，还可以锻炼学生在当前阶段所缺乏的文献检索及阅读能力。

此外，由于该课程是一门面向科研及实际工程应用的专业基本课程，因此在授课过程中也要注意与实际的联系。在实际授课过程中，可以对相关部分知识的一些最新研究结果和工程实际应用案例进行介绍，使得同学们能够做到学以致用，真正掌握所学知识的具体作用。例如，通过介绍材料形成置换固溶体所导致的材料相关性能变化让同学们理解结构决定性能的含义；通过对工程实际应用中相关热处理技术的具体工艺过程进行介绍，可以了解热处理知识在工程实际中的应用。

随着互联网技术的发展，网上课程已逐渐成为年轻人一种新型的学习知识的方法。基于互联网的广阔资源，人们可以足不出户地接收来自不同地区的信息，十分便利。因此，可以通过录制授课视频或选用其他人授课视频的方法使同学们在课后也可以再次学习课程，让同学们能够对未完全理解的部分再次进行学习。

最后，目前理论学习内容的考核方式为“期末考试成绩（70%）+平时课堂表现（10%）+作业成绩（20%）”，其中期末考试作为主要检测方式对学生综合掌握情况进行检测。通过这种方式，可以使同学们在学习完这门课程后对自己的学习情况有一个全面的认识，以便进一步加深同学们对于知识的掌握。同时，根据当前材料科学领域对人才所提出的要求，提升学生们的独立自主学习能力，具备能够根据理论知识解决工程实际应用和根据理论知识开展相关科学研究的能力。除期末考核外，实验课程和课后作业及出勤率等也要作为衡量学生综合能力的考核标准，以期得到最为公平的成绩。在平时授课中，充分激发学生们的主动性，通过对同学们提问、课前进行预习等方法使同学们能够参与授课。此外，还可以通过让学生们自己学习某些相对简单的章节，并由同学们轮流上讲台讲解的方式来进行授课。通过角色互换，使得同学和老师们能够互相体会对方的学习或授课状态，使得老师能够了解到学生在学习过程中容易出现的问题。此外，在每次授课后，适当地布置作业，使得学生们能够对所学知识进行复习。通过上述的授课方式，使得学生们在整个课程过程中都能够随时跟随着授课计划去进行学习，有效地提高了学生们的学习效果。

4.2 实验教学

为了让学生对“材料科学基础”课程中的理论知识进行形象地理解，此门课程也开设了数次实验课程，例如金相观察、热处理技术的应用等。通过上述实验课程，可以让学生们接触到所学理论知识的真正应用方法，能够有效地提高学生的学习兴趣。

传统的实验课程授课方法多为先由实验课负责教师对所要进行的试验进行理论知识、操作步骤和预期取得的结果进行介绍，随后由老师下达实验任务，每位同学按照老师的要求机械地进行实验操作，并得出类似的实验结果。这种形式的实验课程脱离了其本身开设的目的，学生们只是以一种填鸭式的方式完成了实验课程［5］。因此基于上述问题，需要对实验课程方法进行改善。

在实验课程中，老师要先根据本次实验学生们所需掌握的知识设置不同的研究课题，再将实验课题提前下发给学生，学生在进行实验课程前需要根据实验课题进行前期的理论知识查询和操作设备方法的了解。在实验课程开始前，老师对同学们的前期准备工作进行检查，确定学生所进行的实验准备工作是否正确、完善。在实验课程开始时，实验教师简单地对本次实验的实验目的及要取得的研究结果进行介绍，并讲解具体实验设备的操作方法及一些同学们可能无法自学掌握的理论知识。随后同学们需要根据前期准备和所讲解的知识独立地完成自己的课题，并根据实验过程和结果撰写一份完整的实验报告。通过对实验报告的批阅，了解同学们对于本次实验课程的准备和掌握程度。

4.3 实践教学

实践教学作为将所学理论知识向实际应用过渡的重要阶段，已经越来越受到重视，因此基于此环节的教学改革最为重要。通过实践环节，对调动学生的积极性、动手能力，培养创新思维具有十分重要的意义。该环节主要通过开放性选修实验、本科生创新计划和本科毕业设计来进行。

开放性选修试验是一门面向本科生的实验实践类课程，其主要是将各类实验室向学生们开放，学生们根据自己的兴趣选择相应的实验，然后在指导教师的指导下进行一些实际的实验设备操作和实验数据分析工作。在实验过程中，学生可以接触到相关的实验设备并进行相关操作，有效地加深了对所学知识的理解。

本科生创新计划（以下简称“本创”）是面向本科生开设的一门科研实践类课程。学生在指导教师的指导下，从前期准备、开展实验到后期的实验数据整理分析，全方位地对某一课题进行研究。通过本创可以使学生了解到材料科学这门学科所需要进行的科学研究的全面流程，锻炼学生的科研能力。

本科毕业设计是为对本科生整个大学阶段所学习的课程进行综合实践考察而设立的，是检测本科生培养目标的重要环节，一直被学院所重视。通过查阅文献、实验前期准备、开展实验、实验数据整理及分析和撰写论文的过程，培养了学生的动手能力、理论知识实际应用能力和独立工作能力，使得学生在面向工作岗位或继续攻读研究生学位前有了一次全面的锻炼。在本科毕设过程中，根据老师布置的课题，学生需要独立地设计实验思路，开展相关实验并对实验结果进行正确地分析，因此对学生所掌握的基本知识就有了更高的要求。在实验数据分析过程中，其大部分的理论知识来源都为“材料科学基础”等专业课程中的所学内容，这使得学生在毕业设计过程中也对所学的知识有了更深刻的理解、更全面的掌握。

5 结语

目前，基于上述教学改革方法所进行的教学改革已经取得了一定的成果，且相应的改革方法也开始在其他课程中推广。但是随着互联网技术、大数据和5G技术的发展，基于互联网平台的线上授课、模拟实验室等新型授课模式也亟须被引入“材料科学基础”等理论型专业课程的授课方法中。在吸收传统教学方法优点的基础上，不断地推陈出新，对教学方法不断进行探索改革，使得教学质量不断提高，是今后教学改革主要聚焦的方向。只有以教学改革为基础，不断地对教学方法进行改革，才可以培养出符合当前形势下国家所需要的材料科学领域的人才，才能实现中华民族的伟大复兴，实现“中国梦”。