浅谈培养应用型创新人才的材料科学基础教学思考与探索

何 斌 孔令兵 刘凯歌

（深圳技术大学新材料与新能源学院，广东 深圳 518118）

0 引言

材料是社会文明和国民经济的三大支柱之一，是社会进步的物质基础，新材料产业也是国家战略新兴产业领域。近年来材料行业对应用型人才的需求持续增加，然而由于设置材料专业的高校大幅增加，学生数量的上升也增加了就业竞争压力。为了更好地满足社会需求并提升竞争力，需要培养学生具备相应的知识、技术和能力，尤其是应用思维和实践能力，这也是应用型大学的教学目标。深圳技术大学是国内新成立的一所独具特色的应用型技术大学，学校借鉴和引进德国、瑞士等国家的技术大学办学经验，其教学目标和教学形式有其特点与特色，需要深入实践和探索，而培养应用型创新人才是高校核心的教学任务和目标。

材料科学基础是一门重要的专业基础课，以材料的成分、结构、工艺和性能为研究分析对象，认识材料的分类、特性及应用，它以物理、化学、数学为基础，同时又是后续专业课的基础，对培养学生的应用和创新思维、自主探索的能力有重要作用，良好的材料科学基础教学有助于培养高质量的应用型创新人才。如何在应用型大学做好材料科学基础的教学，体现一流技术大学的特色，满足各专业的不同需求，是需要思考和实践探索的课题。笔者近三年先后为三个本科年级的不同专业讲授材料科学基础课程，总结了课程教学实践，探讨课程设计、教学方式的优化与探索，为相关教学提供参考。

1 课程分析与教学内容优化

深圳技术大学新材料与新能源学院现有半导体光源与照明、新能源材料与器件、材料科学与工程、微电子科学与工程专业，材料科学基础是各专业的专业基础课，也是研究生入学考试的重要课程。课程开设在大二下学期，对学生的理论学习和专业学习有承上启下的作用，既具有很强的应用性，又需要很好的理论基础。

笔者2019 年开始承担2017 级半导体光源与照明专业的材料科学基础课程，之后两年继续承担了2018 级和2019 级半导体光源与照明、 新能源科学与工程两个专业的课程，教学时间均为1 学期，72 课时。2017 级学生是本校的首届本科生，本课程也是首次开课。随着教学的开展，授课过程中的问题逐渐显现，笔者开始思考并根据学校的培养目标，对课程内容和教学方式进行了选择和改变。

材料科学基础课程已在很多高校开设多年，有多部教材并多次再版。根据知识框架的编排，这些教材大致分为两类，一类强调基础理论，如清华大学、上海交通大学、北京科技大学等组织编著的教材。这些教材对晶体学、材料热力学、扩散、相变等进行了详细深入阐述，构建了完整的理论体系，侧重以共通的基础理论去理解不同材料的结构及性能。第二类教材主要依据材料的分类，即金属材料、无机非金属、高分子、复合材料，将各类材料分别讨论，着重阐述它们的不同特点、发展和应用，进行一定的理论阐述和讨论。第二类教材包括材料概论、材料导论、材料科学与工程导论等。

经过分析，笔者认为采用理论性教材有两方面问题。一是难以达成教学目标。根据本校的教学目标，期望学生能更多地认识和体会材料的性能与应用，而理论性教学主要讲解共通的基础理论，难以充分阐述材料的用途，不适合应用型人才的培养。二是学生的理论基础不足。材料科学基础是典型的交叉学科，课程基础包括基础物理、化学、固体物理、量子力学等，固体物理和量子力学等课程目前没有开设，导致学生的理论基础知识薄弱，课内也无法进行补充，因此深入学习材料科学相关理论有困难。

最终笔者认为第二类教材更符合应用性教学需要，着重讲述各类材料在成分、结构和性能的特点，以及加工和用途，侧重让学生理解不同材料的特征性能和主要的应用方向与场景，以及在应用中需要考虑的问题，对相关理论进行辅助阐述，力求使学生对材料的特点与选用、材料科学的发展有全貌性认识，有意深入学习的学生也可以通过本课程的学习找到思路和途径。

根据以上分析，最终选定了教材。材料科学的基础理论是相对稳定的，而新材料技术和产业的发展却日新月异，因此应用型教材必须选用近年出版的新教材，以体现新发展。笔者在教学中先后选用了《材料科学概论》（北京大学，2013 年）、《材料概论》（科学出版社，2018 年）作为教材。这些教材的知识体系符合应用型教学需求，重点阐述不同材料的特点和应用，对基础理论做了概述，对新材料发展也做了介绍，如纳米材料、能源材料、生物材料等，这些可根据不同专业来选择讲述。为了补充理论基础，以上海交通大学编写的《材料科学基础》（第三版）作为教学参考书。

2 对教学方式的思考

本课程教学初始时基本是传统方式，关注教学内容的完整性，希望将教材的内容完整地呈现在课堂上。尽管花了大量时间备课，也基本完成了教学内容，但课堂效果并不理想，没能很好地引导和激发学生们的学习兴趣。笔者深刻体会到教学内容在教材中的呈现与课堂上的呈现有巨大差别，要将教材上的知识在课堂上生动地展现出来，教学方法和教学设计非常重要。

在讲课过程中，笔者也多次体会到，学生对不同材料的实际应用有明显兴趣，如果能和生活、学习中接触到的应用相结合，则更容易引起共鸣。另外，材料科学的历史进展和科学家的事迹也很有吸引力，自己在备课和学习时也往往被吸引。因此深刻体会到，学生们其实有很强的求知欲，只是需要好的方式给予引导和激发，要更直观地表现所学有所用，当明白了知识的实际用途和重要性，同学们就会表现出兴趣和主动性。相信在这种状态下，也更容易记住相关的知识点和知识脉络。只要激发出学习兴趣，同学们就会主动地去继续思考和学习，这也是应用型创新人才所需要具备的素质，从而培养出高质量的创新人才。当然这也要求教师有更丰富的知识储备和更高的教学水平，需要不断学习先进的教学经验，并思考优化教学内容和方式。

3 转变教学方式的探索实践

根据以上体会和思考，在教学过程中对相关的教学方式进行了学习，参加了相关的教学培训，并在教学中尝试实践了不同的教学方式。其实如今已有大量的教学研究，提出了不少新型的教学方法，如目标教学法、翻转课堂、BOPPPS 教学模式、问题教学法等。这些方法虽然实施过程不同，但共同点就是要改变僵化的教学过程，通过灵活设计教学环节对学生进行引导和启发，增强师生之间、学生之间的互动，就是要让教学从“我教你学”变为“我带你学”。

结合教学的体会和思考，借鉴教学培训和学习中的收获，并阅读了相关的教学论文，笔者在近两年的教学中主要从以下几个方面进行了改革尝试，取得了良好的效果。

3.1 “探索式”教学实践

材料科学是一门交叉学科，涉及物理、化学、数学等学科的知识，因此材料科学的发展史包含了大量生动有趣的科学成就和科学家事迹，探索材料科学的发展历程本身就是引人入胜的。笔者尝试以材料科学的发展脉络将教学内容和知识点串联起来，并在其中融入重要的科学成果和科学家的故事。比如晶体学中的点阵和布拉菲，群伦和伽罗瓦，对称性与埃舍尔，XRD和布拉格父子，有机化学与贝采里乌斯和维勒，高分子材料与“高分子之父”施陶丁格，尼龙与华莱士，复合材料与撑杆跳高，混凝土的发明与莫里哀，石墨烯与诺贝尔奖。

通过讲述这些科学进展及科学家故事，很好地说明了相关知识点的来龙去脉，学生们也兴趣盎然，教师也体会到分享的快乐。学生们在加强记忆的同时也引发了好奇心和求知欲，课堂反映非常好。这样带领学生们一起，将课堂讲授的“你讲我听”转变为对科学发展的共同探索，应该是一种理想的教学状态。

3.2 借鉴“翻转课堂”模式

翻转课堂教学模式自诞生以来，很快成为全球教育的热点。然而真正的翻转课堂是整个教学过程的翻转，工作量大，需要录制大量视频，教师备课和学生课下需要花费大量时间，因此人们对此也是褒贬不一的。在本课程的教学中，考虑到难以适应完全的翻转课堂，如果花费大量的课下时间也会影响其他课程的学习，因此采用了翻转课堂模式的一部分，与传统教学相结合进行了尝试。

在教学中进行了两次翻转课堂的尝试，方式是在课堂中提出一个课题，安排学生分组讨论，通过参考教学课件，主动进行查阅和收集资料，提出方案或设计，进行理论分析，在课堂上以报告形式进行讨论和交流。例如，其中一个题目是自行指定一种先进材料，讲解其成分、结构、性质，分析其结构与性质、应用的关系，说明相关的应用和技术领域。将全班同学分为6个小组，每组2～4 人，由一人担任组长，负责规划和分工，大家合作完成课堂报告，由组长在课堂进行讲述。同学们选的题目有石墨烯复合材料、碳纳米管、超导磁体、锂离子电池材料、镁合金、钛合金。这样的形式有助于深入理解材料科学，并锻炼了研究、组织、写作与报告的综合能力，对培育应用型创新人才非常有益。学生们对这种形式也表现出很好的积极性，自发组成小组并选定题目，课堂报告也达到了要求。实践表明翻转课堂模式对提高学生学习兴趣、改善教学效果、锻炼创新能力有很好的作用。

3.3 教具的制作与使用

材料科学基础课程的概念较多，对学生而言很多都比较抽象，如晶体结构、微观组织等。为了调动学生的积极性和思维训练，在课堂中适当引入工具软件和部分教具辅助，如对于晶体结构和对称性的讲解时，利用SHAPE 软件展示晶体外形和对称性，利用3D打印技术制作晶体模型，利用矿物样本讲解晶体学的提出与发展。在更直观地讲解晶体结构的同时，也让同学们学习了矿物、地质、3D 打印技术等相关知识和技术。

4 结语

作为新时代的应用型技术大学，教学目标和教学形式独具特色，要完成应用型创新人才的培养目标，必须根据自身特点和需求，对教学内容和教学方式进行探索与实践。材料科学基础作为专业基础课，对学生就业或继续深造都可能产生影响。在教学上对于应用型培养而言，更重要的是要让学生认识到不同材料的特点、应用和重要性，培养主动学习的兴趣和能力，这样既对就业有益，也可引导学生深入学习或深造。

本文根据材料科学基础的教学体会和思考，实践了“探索式”教学、“翻转课堂”，并利用软件技术、3D打印技术等增强可视化，以提升讲解效果。实践表明改变教学方式激发了学生学习兴趣，培养了主动性、创新思维和研究能力，在今后的教学中将继续采用，并予以优化和强化。