材料科学与工程基础实验课程思政教学的实践与探索

廖成竹，章剑波，李慧丽，李艳艳，王海鸥，叶飞，田颜清

(南方科技大学材料科学与工程系，广东 深圳 518055)

0 引言

习近平总书记在2016年全国高校思想政治工作会议上强调，高校要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[1]。2018年教育部发布进一步强化课程思政和专业思政，形成专业课教学与思想政治理论课的教学紧密结合、同向同行的育人格局[2]。《高等学校课程思政建设指导纲要》提出全面推进高校课程思政建设，对理工科专业课程，要将马克思主义立场观点方法与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力[3]。

材料在人类发展历史中一直都发挥着重要作用，是现代科技发展的重要方向之一，因而培养高质量的材料专业新工科人才尤为重要。“材料科学与工程基础”是材料专业人才培养体系中一门主要专业基础课程，与其同修的“材料科学与工程基础实验”课程是学生理解和掌握理论知识的重要途经，是培养材料专业创新人才的必经之路[4]。

1 材料科学与工程基础实验现状

历经9年来的建设，南方科技大学“材料科学与工程基础实验”已形成包含晶体结构、力学性能、相图和化学性质等四个模块，涵盖金属、陶瓷和高分子材料，设置了兼具创新性和综合性的五个实验室[5]。教学团队对该实验课程进行了持续的教学改革，实验内容具有创新性、系统性、综合性和全面性等四个特点[6]。近年来，教学团队建设了课程慕课和虚拟仿真实验，均已在智慧树平台上线，结合现代信息化工具“微课”和“雨课堂”，逐渐形成了“慕课”和“虚拟仿真实验”深度融合的“虚拟学堂”[7]。课程教学采用线上线下混合式教学模式，取得了良好的教学效果。然而，与众多理工科课程相似，开展专业知识授课和实验实践教学的同时，缺乏思政教育的融入，不能达到良好的育人效果，不利于培养新一代德才兼备的新工科人才。目前课程已拥有完善的线上教学资源，教师如何在此基础上实施线下实验教学，如何发挥学生自主学习的能力，提高学生创新意识，提升实验教学质量，这给课程教师带来了很大的挑战。

2 融入课程思政元素的“材料科学与工程基础实验”

基于以上实验课程现状，实验教学团队始终坚持将能力培养、价值引领和知识传授相结合，深入挖掘课程和实验教学方式中蕴含的思想政治教育资源，将课程思政元素有机地融入实验教学全过程中，形成专业课教学与思想政治理论课教学紧密结合，同向同行，落实立德树人的任务，培养德才兼备的新工科人才。课程的思政建设内容包括教学团队共同深入挖掘课程思政元素，设计各实验项目思政教学内容及其切入点；与此同时，在“慕课”和“虚拟实验”深度融合基础上，结合现代化信息工具“微课”和“雨课堂”，以学生为中心，尝试翻转学堂，改变传统“教-学”的模式。

2.1 “材料科学与工程基础实验”课程思政设计

“材料科学与工程基础实验”包含了8个实验章节/项目，分别是绪论+安全培训及测试、金属晶体中的原子排列、金属热处理及硬度测试、热处理后金相样品制备与观察、金属的拉伸性能与加工硬化、聚合物链结构对拉伸性能的影响、聚合物的冲击、硬度及熔体流动指数测试、Sn-Bi/Sn-Zn合金二元平衡相图等实验。作为一门重要的专业基础课程，课程思政内容面广，包括实验室制度、实验室操作规范、实验室安全与环保、实验伦理及工程伦理、学术道德规范、工匠精神、科学素养以及创新实践科学方法等。课程将专业知识和思政育人元素贯穿于整个实验教学环节中，同向同行培养德才兼备的新工科人才。下面主要介绍其中三个实验的课程思政教学设计及实施方法。

2.1.1 金属晶体原子排列实验

在讲解晶体学相关概念之前，引入对晶体学作出巨大贡献的科学家如Weiss(韦氏晶带定律)、Miller(米勒指数)和Bravais (布拉维格子)，学习先辈们坚持不懈的科研精神。介绍材料非晶和晶体概念时引入碳的同素异形体，在此切入“无序到有序”“常见到罕见”的育人元素，教育学生由“质变到量变”的具体过程，需要特定的环境条件，应该付出努力，克服各种困难，迎接挑战，鼓励学生养成终身学习的习惯。

结合慕课和虚拟仿真实验，线下实验采用“翻转课堂”教学方式，以学生为中心，教师为引导，促进学生课上积极思考，参与课堂讨论，打破传统的实验“教－学”模式，有效地提升教学质量。在“金属晶体的原子排列”实验中，课前学生已经对晶体学的概念和背景知识有了一定的了解，结合虚拟实验完成情况，教师在课中强调重难点，和学生一起讨论，鼓励学生多提问，多思考，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，进一步培养学生的创新思维。例如：利用乒乓球在金属B板上堆垛面心立方(FCC)结构得到一个五面锥体，实验要求学生用晶体学知识标定这五个面的晶面指数。在晶面标定的教学环节中，教师需要通过引导，鼓励学生动脑筋，勤思考，进而加深学生对晶体学理论知识的理解。

2.1.2 金属热处理、硬度及金相样品观察实验

金属热处理、硬度及金相样品观察实验是课程中一项金属材料“加工工艺-性能-应用”的综合性实验，实验要求学生了解常见的热处理工艺、掌握显微硬度计的使用、熟悉金相样品制备和显微镜观察、学会分析材料加工工艺-性能的相互关系。实验课程中蕴含着丰富的课程思政内容，热处理学史、显微镜发展史、科学家精神、科研创新精神、探索材料内部组织，领略材料之美。

介绍热处理学史时，从学生感兴趣的“铸剑”画面引入，将铁件放入红通通的炉子加热，取出大力敲打，俗称“打铁”，不时还将红通通的剑放入冷水中，“嗤”的一声，还冒着“烟”。剑的制作与热处理紧密关联，受限于落后的科学，古时候人们对热处理知识和原理不了解，仅限于经验。科学发展归功于先辈科学家的无私贡献，铁碳相图给钢铁热处理奠定了理论基础。本实验设计使用生活中常见的锯条(T8钢)，在900 ℃高温炉加热转变为奥氏体组织，然后进行四种不同热处理方法制备得到不同的钢件。空气中冷却得到正火细珠光体组织，炉子里缓慢降温得到退火粗珠光体组织，水中快速降温得到淬火马氏体组织，将淬火钢在400 ℃回火得到回火索氏体。由于形成的金属组织结构不同，其力学性能也不同，因而得到的材料应用领域也不同，让学生充分领会“材料加工工艺-性能-应用”的关系。

我国著名的热处理专家雷廷权院士，亦是国际热处理协会主席，他是材料科学与工程领域著名学者，长期从事材料及热处理研究，奠定了形变热处理的理论基础，开创了形变化学热处理新领域，建立了双相钢强韧化新理论，提出了陶瓷相变韧化与复合韧化以及金属表面陶瓷化的新机制。雷院士治学严谨、勤奋刻苦、一丝不苟、坚韧如钢、身先士卒的科学家精神传承给下一代的材料人。

金相实验中，介绍显微镜的发展史，胡克利用凸透镜组合搭建了简易的显微镜，观察到细胞结构，从此发展了微生物学科，后来光学显微镜应用于各行各业。本实验利用金相显微镜观察了热处理后T8钢的显微组织，学生首次观察材料的显微组织，打开了学生探索材料微观世界之门，领略了材料之美。通过研磨抛光金相样品，培养了学生正确面对失败、持之以恒、坚持不懈的科学精神。鼓励学生参加校级、省级和国家级金相技能大赛和微观摄影大赛，近两年学生先后获得了省级和国家级金相大赛一、二等奖的优秀成绩。

2.1.3 高分子冲击、硬度及熔体流动测试实验

随着科技的日益更新，高分子材料的应用已经从人们生活的衣食住行拓展到航空航天和生物医药等高科技领域，对人类的生活产生了深远的影响。建国之初，我国高分子科学一片空白，远远落后于国外高分子科学。我国高分子化学事业的主要奠基者王葆仁教授带领科研团队率先在国内完成了聚甲基丙烯酸和聚己内酰胺的研制和工业化生产，在我国首次研制出了有机玻璃和尼龙6，同时他也是有机硅化学及聚合物的创始人之一[8]。王葆仁教授从国计民生出发选择科研课题，为高分子事业鞠躬尽瘁三十余年，学生深深地感受到老一辈科学家的家国情怀和科学品质。高分子材料行业的高速发展，离不开幕后的科研人员刻苦钻研的科研精神，科研团队共同协作、艰苦奋斗、精益求精的工匠精神。弘扬社会主义核心价值观，鼓励学生投入到我国高分子材料事业的建设中来，为国家的富强与民族振兴而奋斗。

讲述高分子的特性时，高分子的链运动具有温度依赖性特点，随着温度升高，聚合物经历玻璃态、高弹态到粘流态，不同温度下形变不同，运动的主体从键长键角改变到链段/长链的运动。由此给学生引入“环境适应性”育人元素，引导学生思考在社会不断进步的大环境下，应该成为怎样的人。虽然我国科技正快速发展，但是一些关键的核心技术受到遏制，因此如何培养学生成为有责任、有担当、有专业技能的未来接班人，面对前所未有的困难和挑战，教导学生将所学知识灵活应用、适应瞬息变化的社会，只有不断学习、改变自己、勇于挑战自我，成为新一代的材料工程新工科人才，解决更多的卡脖子技术，为社会作出更大的贡献。

高分子冲击、硬度和熔体流动指数测试实验中，材料的性能测试都有其特定的测试标准，例如美国材料实验协会ASTM标准和行业标准。依据标准制备测试样品，按照标准进行测试，所测数据才赋予一定的意义，可作为材料性能的参考数据。实验过程中，培养学生严谨的科学态度，如实记录实验数据，学习科学计数的方法。实验数据分析时，取平均值并计算标准偏差，掌握使用Origin软件进行绘图。用英文书写实验报告，学会查阅中英文文献，分析讨论实验结果。实验课程各个教学环节处处都蕴含着思政育人元素，教师应将思政教育融会贯通，恰如其分地渗透到课堂教学中，真正做到专业教学和思政育人同步同行，拓展专业教育的深度与广度，提升专业教学的水平，培养德才兼备的新工科人才。

2.2 “材料科学与工程基础实验”课程思政的教学方法

提高教学队伍的思想道德素养。师者，传道授业解惑也，必先明道、信道[9]。因而高等院校教师要坚持先接受师德师风教育，努力成为思想政治先进思想文化的传播者，言传身教，坚持教书和育人相统一，做到以德立教。

将思政教育与材料专业课程相融合，深入挖掘专业课程中思政元素，优化专业课程教学设计，培养学生的专业人文素养。实验课程的理论知识介绍部分，充分挖掘材料中包含的历史背景及现实意义，通过介绍和分析这些历史背景或经典人物故事，培养学生的人生观、价值观，学习材料先辈们的工匠精神、刻苦勤奋的意志力，引导学生们要有理想、有抱负，同时也要脚踏实地、勤奋学习，增长飞扬的动力。

在实验实践教学过程中，做到“全员育人、全过程育人、全方位育人”，多方面、多角度、多维度地对学生进行教育。实验安全教育及培训，增强学生对生命安全至上的意识，珍惜生命，规范实验操作。培养学生实验的条理性、合理性、团队合作精神、领导力、分析问题解决问题的实验素养。培养学生养成科学处理实验数据、规范书写实验报告的科学素养，杜绝纂改数据、学术造假等作弊现象。培养学生正确面对实验失败，找出问题，分析问题。

充分利用互联网+先进教育技术，结合当代大学生的特点，采取多元化的实验教学模式，提升实验教学质量。结合课程慕课和虚拟仿真实验，线下实验采用翻转课堂，以学生为中心，教师为引导，鼓励学生课上积极思考，参与课堂讨论，打破传统实验“教－学”模式，有效地提升教学质量，进一步打造“三全育人”模式。

2.3 “材料科学与工程基础实验”课程的考核评价

该课程考核评价分过程性考核评价和终结性考核评价。过程性考核评价包括安全测试、课前预习、实验操作、课堂讨论、“劳育”表现等。终结性考核评价由课程实验报告和一份课程思政报告组成，详细的考核评价标准见图1。学习实验安全知识，培养安全意识，通过院系实验室安全测试。课前学生完成慕课学习及虚拟仿真实验，课中雨课堂答题检查预习情况，引入思政教育元素，激发学生互动讨论。实验课上，学生积极完成实验，实验操作要有条理性、合理性，主动完成实验室公共卫生的清洁工作。实验报告的完整性、真实性、条理性和规范性将是课程终结性考核评价的重要组成。此外学生需完成“我心中的一名国内材料科学家”论文报告，介绍科学家典型事迹，以及他对学生产生的重要影响，学习材料学家大国工匠精神，弘扬中华民族文化精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

图1 “材料科学与工程基础实验”课程的考核评价

3 结语

专业教学是课程思政的重要载体，课程思政亦为专业教育注入了灵魂，使之更加生动易懂。在材料科学与工程基础实验课程中全面推进课程思政建设，深入挖掘专业课程中思政元素，优化专业课程教学设计，在实践教学过程中，做到多方面、多角度、多维度地对学生进行教育，构建真正的全员、全过程、全方位育人格局，为培养德才兼备的新工科人才作出更大的贡献。