“五位一体”创新教学模式在材料科学与工程基础教学中的应用

摘  要：材料科学与工程基础是材料学专业的一门重要的专业基础课。作者针对当前学生思维活跃，接受能力强，但理论基础较差，偏好实践性、互动性、多样性教学过程的现状，对该课程采取融合实物演示、趣味课堂活动、科研工具软件演示、趣味实践作业和实物激励法的“五位一体”创新教学模式，从而在课程教学中做到以学生为主体，注重与学生的互动，提升学生学习热情和兴趣，让重难点知识点变得通俗易懂，充满趣味，还有效锻炼学生的动手能力，提高学生思考创新能力，激发、巩固、提升学生对专业的学习兴趣和综合素质。

关键词：材料科学与工程基础；实物演示；趣味课堂实验；科研工具软件；趣味课外实践作业；实物激励法

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）07-0061-04

Abstract： The Fundamentals of Materials Science and Engineering is an important professional basic course for the major of materials science. In view of the current situation that students are active in thinking and receptive but have poor theoretical basis， and prefer practical， interactive and diversified teaching processes， the author has adopted a "five in one" innovative teaching mode that was combined with physical demonstration， interesting classroom activities， scientific research tool software demonstration， interesting practical work， and physical incentive method. Thus， in the teaching process， the author regardsstudents as main body， focuseson interaction with students， enhancesthe enthusiasm and interest of students in learning， ensures the key and difficult knowledge points easy to understand and full of interest. At the same time， the author effectively exercisesstudents' practical ability， improves students' ability to think and innovate， stimulates， consolidates and enhancesstudents' interest in learning the major and their comprehensive quality.

Keywords： Fundamentals of Materials Science and Engineering; physical demonstration; interesting classroom activities; scientific research tool software; interesting practical homework; physical incentive method

材料科學与工程基础是材料科学与工程学院高分子材料与工程专业的一门重要的专业基础课[1-2]，在学生学完高等数学、大学物理、无机化学、有机化学和物理化学等基础理论课程后开设。本课程主要从微观角度阐明材料基本组成及结构，包括原子结构与键合、固体结构、晶体缺陷、固体中原子及分子的运动和材料的形变等内容，为后续专业课程例如高分子化学、高分子物理及相关实验课程提供基础理论知识。通过该课程的学习，使学生深入认识材料微观组成和结构的基本原理及规律，进而深刻理解材料的组成和结构与材料性能之间的关系关联，从而学会表述和解决高分子材料相关的工程问题，增强其创新能力。

教学对象为材料科学与工程专业大学二年级本科生，学生共性特征为：思维活跃，接受能力强，具有大学化学、大学物理、专业导论等基础课知识，但对材料科学与工程的认识尚处于一知半解的阶段，本课为其实际接触的第一门专业基础课。理论学习主动性较低，但偏好实践性、互动性、多样性较强的教学过程。授课教师在讲授该门课程前曾经讲授多门类似课程，材料科学与工程基础课程覆盖范围广、理论性较强、教学内容多，而初步接触材料学的本科学生无论是对材料学的认识还是学科基础均处于较为浅薄的阶段，因此常规的课堂教学往往会陷入教师简单在台上讲解，台下学生感觉枯燥无味，难以理解的循环，不仅效果不佳，也容易使学生产生厌学情绪。

授课教师根据多年实践经验积累，课程教学中做到以学生为主体，注重与学生的互动，采用启发式与提问式的教学方法，同时对理论性较强的材料科学与工程基础应用融合实物演示、趣味课堂活动、科研工具软件演示、趣味实践作业和实物激励法“五位一体”创新模式进行教学改革，以提升学生学习热情和兴趣，让重难点知识点变得通俗易懂，充满趣味，还有效锻炼学生的动手能力，提高学生思考创新能力，激发、巩固、提升学生对专业的学习兴趣和综合素质。

一  “五位一体”创新模式及其应用

（一）  实物演示

在多媒体（包括PPT、视频等）设置情景式讲解的基础上，融合商品化教具和以日常生活用品构建的教具组合（如磁贴、水果、飘带等）让重难点知识点变得通俗易懂，充满趣味，大幅度提升学生学习热情和兴趣。

例如，在讲解金属晶体结构“面心立方堆积（FCC）”知识点时，学生难以理解为何该类堆积为最密堆积，此时可以使用磁贴模拟原子，在黑板上进行平面演示（图1），让学生直观感受二维平面最密堆积恰好为FCC或HCP的“一球切六球”的堆积模式，从而能立即深刻理解密堆积结构的本质，大大提升了学习效果。

（二）  趣味课堂活动

在利用黑板板书或多媒体课件讲解等传统教师授课模式基础上，设定特定课堂小实验、小游戏等趣味课堂活动环节，如组织学生以金桔等水果制作金属原子堆积模型等，做到以学生为主体，注重与学生的互动，大幅度提升学生学习热情和兴趣，还有效锻炼学生的动手能力。

例如，在讲解金属晶体三种典型堆积结构（BCC、FCC、HCP）时如果使用通常的课堂教学模式，教师简单利用黑板板书或多媒体课件讲解，难以让学生获得直观、深刻的认识，不仅效果不佳，也容易使学生产生厌学情绪。而立体的实物模型能够在教学中给予学生以直观精确的认识。然而，通常的塑料或木制的教学模型不仅市场价格昂贵，且种类和来源都非常有限，即使可以购买少量相关模型，在近百人的学生课堂中，仅仅依靠教师展示手中的模型，难以做到每位同学都能有效掌握实物模型所包含的知识点，教学效果也非常有限。

为了能够有效地改进该知识点的教学，笔者考虑使用价格低廉的水果制作金属原子堆积模型[3]（图2）。经过探索和教学实践，笔者总结出了以金桔等水果果实为原料，在牙签的辅助下制作教学模型的方法，该方法不仅可以快速获得用于教学的模型，还可以在课堂教学中，让学生也可以参与动手实践，从而让学生能够有效掌握该知识点，同时还锻炼了动手能力，活跃了课堂气氛，获得了良好的教学效果。在实际教学活动中，采取老师与学生联动的方式，如100人左右的课堂教学时，将学生分为4人一组，每组学生发约20个金桔和相应的牙签（总体原料成本不超过50元），然后让学生随着教师的讲解，在座位上自行利用金桔和牙签制作模型，学生通过此实践环节，能够清楚地认识到四种堆积模式的特点和区别，深入理解该知识点，同时还有效锻炼了动手能力，大大活跃了课堂气氛，根据课后对学生的问卷调查，几乎100%的学生对此环节的教学效果表示满意。有趣的是，在教学过程中还发现，部分学生还发挥创造力，对教师的结构模型制作方法加以变动和改进，从而获得更为符合实际的结构模型。这种以水果金桔制作的结构模型应用于课堂上，能够大大提高学生的动手能力、思考能力、创造思维，具有较好的现实意义。

（三）  科研工具软件演示

结合研究方向，以Diamond等科研工具软件现场演示，让重难知识点变得通俗易懂，提升学生学习效果，提升学生对专业的学习兴趣和综合素质。例如，Diamond软件是德国波恩大学Crystal Impact GbR公司开发研制的一个化学专业软件，利用该软件不仅能创建晶体模型，还能以各种形式（线、球棍状、空间堆积和多面体形式等）展示晶体模型，而且模型可以根据用户的需要自由旋转、移动、缩放，可以用着色方案对原子进行强调和渲染[4]。在讲解金属和离子晶体结构知识点中，由于晶体结构为三维扩展的，如果教师简单利用黑板板书或多媒体课件以平面图片讲解，难以让学生获得直观、深刻的认识，不仅效果不佳，也容易使学生产生厌学情绪。而使用Diamond科研工具软件（图3），现场导入教师事先准备好的结构建模，可以实现该结构的实时三维动态旋转、放大、平移，并且可以根据需要显示多面体、配位环境等操作，让学生获得沉浸式的学习体验，从而大大降低了对重难点知识点理解和分析的难度，获得深刻感受，大幅度提高学习效果。

（四）  趣味实践作业

布置如晶体摄影探索、手绘元素周期表、自制戒指等趣味作业，有效锻炼学生的动手能力，提高学生思考创新能力，激发、巩固、提升学生对专业的学习兴趣和综合素质，提高学生分析与解决材料科学与工程领域问题的能力。笔者将这些趣味作业和文献检索等作业结合，自制方便学生完成的作业册，作为平时成绩的重要组成部分（学生作业册部分扫描图如图4所示），最近一年授课作业册趣味实践作业内容见表1。此类作业不仅充满趣味和挑战性，让学生认识到材料学与日常生活息息相关，更能培养学生自主探索学习的科学精神，理论联系实际和严谨的科研作风，提升学生在环保意识、人文情怀、工程伦理方面的认识。

（五）  实物激励法

实物激励法在课堂上的应用很少有人研究。当前的大学生思维活跃，眼界较为开阔，且多数在初高中时期就经历过精神激励式的教学，因此在大学的课堂上，单纯以言语赞赏、成绩加分等方式激勵学生学习和活跃课堂气氛的效果越来越差，为了探索实物激励法在高校课堂教学中的应用，笔者以近年负责教学的多门课程作为试点，总结在课堂设计中融合实物激励法的方案[5]，获得了以糖果和3D打印钥匙扣[6]作为主要实物激励源的新型激励法。在材料科学与工程基础和相关课程课堂教学中，课程教学环节以问题探究为导向，融合实物激励法，注重与学生的互动，大幅度提升学生学习热情和兴趣，让课堂充满情感温度，可以有效活跃课堂气氛，强化学生自主思考和探索的能力，有效加深学生的理解和认识，有效提升教学效果。

二  教学效果分析

经过2020—2022年的教学创新和持续改进，课程的整体设计、授课模式、考核方式等已经日趋成熟，学生对该课程的教学表示满意，2020—2022年学生评教得分均在90分以上。如图5所示，对学生综合成绩考核结果表明，大部分学生（60%以上）综合成绩均能达到良好或优秀的水准。课程还有效激发高分子专业学生在本专业领域的学习兴趣，自教师接手该课程以来，2020—2022年专业毕业生一次性就业率均在95%以上，专业考研录取率平均达到32.7%，专业学生积极参与学科竞赛和科技活动，专业学生主持国家级、区级、校级大创项目100余项，在“挑战杯”“互联网+”“创青春”等国家级或省部级学科竞赛中，荣获30余项省部级以上奖项，参与发表学术论文50余篇，获得授权国家发明专利20余项，成果产出显著。

三  结论

笔者在材料科学与工程基础课程教学中，根据当前学生思维活跃，接受能力强，但理论基础较差，偏好实践性、互动性、多样性教学过程的现状，在传统教学模式基础上，采取融合实物演示、趣味课堂活动、科研工具软件演示、趣味实践作业和实物激励法的“五位一体”创新教学模式，从而课程教学中做到以学生为主体，有效提升学生学习热情和兴趣，让重难点知识点变得通俗易懂，充满趣味，还有效锻炼学生的动手能力，提高学生思考创新能力，激发、巩固、提升学生对专业的学习兴趣和综合素质，取得良好效果。

参考文献：

[1] 吴红娥.高分子专业材料科学与工程基础课程教学初探[J].广州化工，2021，49（6）：138-139.

[2] 骆昱晖，刘霖，张东恩.《材料科学与工程基础》课程设置与教学改革探讨[J].广州化工，2021，47（23）：197-198.

[3] 陈硕平.金属原子堆积的金桔模型制作及其在教学中的应用[J].课程教育研究，2015（13）：2，7.

[4] 杨建会，范强，尹绍全.Diamond软件在“材料科学基础”课程教学中的应用[J].乐山师范学院学报，2015，30（4）：108-110.

[5] 熊英，陈硕平.实物激励法在《材料学概论》教学中的应用[J].科技·经济·市场，2017（11）：120-122.

[6] 陈硕平，易和平，罗志虹，等.高分子3D打印材料和打印工艺[J].材料导报A，2016，30（7）：54-59.

基金项目：2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“新工科背景下地方院校高分子材料与工程专业人才培养体系创新与实践”（2020JGA194）

作者简介：陈硕平（1985-），男，汉族，广西南宁人，博士，研究员，高分子教研室副主任。研究方向为餐饮废弃物回收利用。