学科交叉背景下无机非金属材料工程专业课程教学改革刍议——以“无机材料科学基础”为例

马 妍，王周福，刘 浩，韩兵强，夏忠锋

（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081）

1 学科交叉背景下材料专业的科教融合

学科交叉不仅是社会发展的客观需要，也是科学技术发展的必然趋势，交叉学科建设已成为我国各大高校发展战略规划的重要目标之一，在高校教学与科研工作中发挥着举足轻重的作用。教学方面，多学科交叉是培养创新型人才的重要途径，拓宽学生的知识面、优化学生的知识和能力结构、强化学生综合能力、构建宽口径的培养模式有利于适应现代学生就业需求。科研方面，仅仅依靠单一学科的力量已难以解决某些重大科学问题，采取多学科交叉联合探究的方式许多科学难题可望取得突破性进展。

材料科学与工程学科是一门理工结合、多学科交叉的新兴学科，其发展关系到其他工程学科的进步。材料科学与工程包含丰富的内涵，具有多学科交叉渗透的特征，涉及化学、物理，数学、生物、医学、环境、新能源等诸多学科和领域。如何充分利用材料科学与工程学科自身的学科交叉特点，把材料科学与工程学科的前沿知识，特别是把具有当代科学发展特征的多学科交叉知识渗透反映到教学内容中，培养学科交叉型创新人才，一直以来都是高校材料专业教师的教学研究热点课题。

对于材料科学与工程学科的教师而言，搞好教学和科研是两个首要任务。处理好二者之间的关系，使教学和科研和谐发展，对于每位教师的个人发展都至关重要。青年教师是未来高校教学工作的主体，肩负着推进高等教育不断前进的重任。据了解，某高校无机非金属材料工程专业在职青年教师均为国内外知名高校的博士研究生，具有在国内外高校或科研机构从事博士后研究的经历。这些青年教师在硕士、博士、博士后期间都参与了不同领域的科研课题，在各学科交叉融合大背景下，他们如今所从事的科研课题大多仍具有学科交叉特色。以上科研经历使得无机非金属材料专业青年教师具有物理、化学、冶金、环境、能源、光电子信息技术、生物医药等多学科背景知识，这为他们丰富专业课教学内容提供了先天条件。可见，当前的学科交叉形势为无机非金属材料工程专业青年教师的教学和科研融合发展带来了新的机遇与挑战。

如何利用青年教师已有的学科交叉科研经历，合理设计所授专业课程教学方案、改进教学方法、实现科研教学融合共进，是一个值得探讨的问题。本文将以无机非金属材料工程专业核心课程——“无机材料科学基础”课程教学为例，探讨交叉学科背景下课程教学方法的改进措施，可为该专业青年教师教学科研互动提供有益参考。

2 “无机材料科学基础”课程教学中存在的问题

“无机材料科学基础”是无机非金属材料工程专业本科生的一门必修专业课程，开课目的是为学习后续专业课、从事无机非金属材料领域的科研和生产工作打下理论基础。学生通过本课程的学习可掌握无机非金属材料的工艺设计、制备及生产应用中涉及的基本原理，为后续专业课程的学习及毕业论文/设计等实践教学环节推进打下坚实理论基础。该课程教学内容繁多，包括结晶学基础、晶体结构与晶体的缺陷、熔体和玻璃体、表面与界面、热力学应用、相平衡、扩散与固相反应、相变和烧结九大章节。课程的每一章节都涉及诸多基本概念和经典理论。从历届学生反馈情况来看，学生普遍认为学习难度大，对于许多抽象知识点掌握不好，即使死记硬背应付了考试，但并没有深入理解。此外，学生对各个章节的理论知识相应的实际应用不清楚，分析问题和解决工程问题的能力不足，导致其在后期科研和工作中无法灵活运用已学的理论知识。

为了积极响应国家提倡的“实践与教育相结合”的方针政策，很多高校都在纷纷缩减专业课的学时，这无疑给以知识点多、概念多、理论抽象为特点的“无机材料科学基础”课程的教学带来更大的挑战。在有限的学时条件下，如要保证教学效果不打折扣，拓展学生的知识面以适应现代科学技术的发展，与时俱进地培养出学科交叉型复合型材料科学与工程人才，必然依赖于学生学习积极性的提高，需要督促学生自主学习以提高学习效率。

3 交叉学科背景下“无机材料科学基础”教学改革策略

3.1 融入思政元素的学科交叉式案例教学

为了提高学生理论联系实践的能力，在“无机材料科学基础”课程教学中，教师可将晦涩难懂的知识点巧妙地融入交叉学科特色的案例教学中，体现出该知识点在指导实际生产、科研实践中的重要性。这不仅可以激发学生的学习兴趣，也可引导学生利用多学科交叉知识解决实际科研和工程问题，有利于培养适应当下新工科背景下创新型和应用型工程技术人才的培养需求。与此同时，在案例教学中，可将思政元素润物细无声地融入，培养学生的爱国情怀、激发学生学以致用、振兴中华的壮志雄心。

例如，在讲授“晶体结构与晶体的缺陷”这一章节时，我们将“绿色建筑节能颜料的开发”这一科研案例引入到课堂教学中，讲解过程中涉及了环境工程、固体物理、无机化学、浆体流变学、传热学、新能源等多学科知识。学生在案例教学互动过程中可以从技术研发人员的视角进行思辨，了解颜料晶体结构对其光学、热学及化学稳定性等性质的重要影响，理解固溶掺杂是晶体材料改性的有效手段。在整个案例教学过程中，学生可以意识到晶体缺陷工程研究的重要性，深刻地感受到新材料的开发对人们生活水平提升的重要意义，同时培养了学生的节能环保意识。

3.2 学科交叉背景下以文献调研带动课堂讨论

检索并阅读科技文献、撰写文献调研报告，可为本科生毕业论文环节撰写文献综述打下坚实基础。例如在讲授“晶体结构与晶体的缺陷”这一章节时，我们要求学生查阅有关“固溶体在节能、环保及新能源领域中的应用”相关文献，每人撰写不少于800 字的文献调研报告。报告完成后，将教学班分组，每组组长代表组员做PPT汇报，开展学科交叉背景下的课堂讨论。其目的是在学生深入理解固溶改性在无机非金属材料结构设计中重要地位的同时，培养学生阅读文献和总结归纳的能力。

学生在完成文献调研报告的过程中，可了解无机材料领域常用数据库，掌握调研报告中参考文献正确的引用方法，学会如何避免对参考文献的简单堆砌，学会深入总结归纳以提出自己的学术观点。近几年，学生提交的调研报告中涉及诸多交叉学科领域，充分体现了无机材料科学基础知识在学科交叉研究中的重要作用，其中包括：固体燃料电池、纳米技术、航空航天用热障涂层、锂离子电池、高熵陶瓷、压电陶瓷、储能电介质、过滤陶瓷、生物惰性陶瓷等。在进行PPT 汇报和课堂讨论中，组长制作了内容丰富且逻辑性强的PPT，进行了简明扼要的讲解，学生的团队协助精神、演讲能力、应变能力都得到了全方位训练，有效地提高了教学效果。学科交叉背景下以文献调研带动的课堂讨论，涉及了前沿领域的研究热点，从近年来的实施情况来看，这种形式的课堂讨论气氛更为活跃，学生参与度明显提高。

3.3 开展学科交叉特色的科研实践

正所谓百闻不如一见，科研实践是学生消化理论知识的载体。在课堂之外,我们鼓励班里学生参与青年教师的交叉学科特色科研项目。近年来，专业青年教师带领有意向的学生积极申报大学生创新创业训练项目，参加大学生挑战杯等学术竞赛，开展了以本科生为主体的交叉特色科研实践活动。学生在进行文献调研、资料整理、实验方案设计、科研分工协作、实验操作、数据采集和分析处理中，不仅强化了对材料科学基础理论知识的掌握程度，还培养了实践动手能力，提升了科研技能和素质，这为学生后续研究生深造确定自己感兴趣的科研方向或从事材料研究开发工作夯实了基础。

4 学科交叉式教学方式对无机非金属材料工程专业青年教师科研工作的影响

目前，高校青年教师普遍存在科研创新意识不强的问题。由于材料科学发展速度迅猛，青年教师毕业后离开了原有的科研平台，入职后没有与时俱进，对本学科和专业的学术动态和前沿信息掌握不够，视野受限。在专业课教学当中，如果采用学科交叉式教学手段，将对青年教师的交叉学科知识储备提出新的要求。通过对无机非金属材料工程专业青年教师的访谈调研发现，他们在准备学科交叉特色的教学资料的过程中，多领域学科专业知识得到了完善。通过了解相关领域的最新研究现状激发了其科研灵感，许多青年教师提出了创新性的交叉学科特色的科研课题，获得了国家基金或省基金的资助，真正实现了以教促研、教研互动。

5 结语

学科交叉背景下“无机材料科学基础”课程教学改革已在无机非金属材料工程专业2016、2017、2018、2019 级共180 多名本科生中实施，今后还将继续推行、持续改进。教学改革激发了学生的学习兴趣和自主学习潜能，拓宽了学生的知识面，学生期末考试中相应知识点的得分率明显提高，已取得了初步成效。通过对“无机材料科学基础”课程进行学科交叉式教学设计，可发挥无机非金属材料专业诸多青年教师具有学科交叉特色科研经历的优势，以研促教，推进科教融合。不仅提升了本科生的综合素养，满足了新工科背景下材料专业创新型人才培养的需求，还提升了青年教师的教学科研水平。