《材料科学基础》课程教学改革的创新性探索

王乃光，王湾，刘菁菁，陈锦鹏，张伟成，施志聪

摘要：《材料科学基础》是各大高校材料类专业的必修课，也是学习其他专业课程的重要基础。新工科背景的教育模式要求高校培养适应企业发展需求的创新型人才，但目前《材料科学基础》的课程教学仍以金属材料为主要内容，缺乏对最新研究动态的跟踪，且课程考核过于单调。本文从拓宽教学知识面、将国内外最新研究动态引入课堂着手，通过开放式课堂探讨激发学生的学习和探索兴趣，促进新工科背景下的教学发展。

关键词：材料科学基础；新工科背景；教学改革

随着科学技术的不断发展，各国相继提出新工科的教学理念。我国教育部高教司经多次讨论和酝酿，已确立推进新工科建设和发展的规划，指出培养适应新工科发展的人才是突破核心技术的关键[1]。因此，针对相关专业课程的教学进行改革，提高各大高校培养符合新工科需求人才的能力，为我国新时期发展服务是目前高校的重要责任和使命。

人类的发展与材料密切相关，人类文明史就是对材料开发和应用的历史。基于此，目前国内外很多高校都开设了材料学院以及与材料相关专业，目的在于培养从事材料生产、研发和管理的创新型人才。《材料科学基础》作为材料类专业的一门专业必修课，主要以固体材料为研究对象，属于物理、化学和工程学的交叉学科。此外，《材料科学基础》也是公共通识课程和专业核心课程之间的桥梁，具有承上启下的重要作用[2]。然而，随着国家深入推进新工科建设发展，传统的《材料科学基础》课程教学模式已无法满足学生对多元化学习的需求，严重影响学习质量且难以对培养目标提供有效支持。因此，在新工科教学理念的迫切要求下，对《材料科学基础》课程的教学进行改革具有重要研究意义和实际价值。

1. 现状分析

目前《材料科学基础》课程教学存在以下几方面不足：

1.1内容方面

首先，主要内容都与金属材料相关，未能融入目前先进材料设计和发展理念。例如，教材中提到的晶界、位错、层错、凝固、变形和再结晶等，都是金属材料领域的概念，而无机非金属、高分子、能源材料则很少提及；教材中的材料设计主要还是基于“炒菜式”原则，像第一性原理和多通道计算、材料基因工程等先进设计和发展理念几乎没有。

其次，教学内容更新缓慢，缺乏对最新研究成果的吸收和更新。目前教材中很多章节都跟钢铁等传统材料有关，而新材料的发展日新月异，像高熵合金、3D打印、大尺寸非晶、镁基生物医用材料等早已出现在一些权威期刊报道和实际应用中。很多教材中这部分内容缺失严重，无法反映材料科学突飞猛进的发展。

第三，教学手段比较陈旧，课程知识大水漫灌。现如今的课堂都是以老师直接讲授为主，每页PPT上都呈现出满满的知识点，整个课堂枯燥乏味，难以激发学生的兴趣，“老师一人累、学生集体懵”的现象仍频繁出现。

1.2实验和实践方面

材料类专业偏重于实际应用，因而对实验、实践教学要求很高。然而，目前《材料科学基础》课程几乎都是理论讲授，缺乏实验和实践的教学环节。另外，教材中所涉及的内容具有理论性和抽象性强的特点[3]，学生对很多专业术语、概念和现象缺乏直观认识(如动态再结晶、交滑移、孪生变形等)，纯粹的理论讲解效果较差。

1.3思政方面

《材料科学基础》教材中涉及的材料发展史其实也是人类发展史，有大量知识点可融入思政元素[4]。在这些思政元素的作用下，不仅能提升课堂教学的趣味性，还有助于拓宽学生的眼界。然而，目前《材料科学基础》课程的教学一般只注重理论知识的传授，新工科背景下的思政育人功能较为薄弱甚至严重缺失[5-6]，因而很难引领学生正确的价值观和人生观。

1.4课程考核方面

目前《材料科学基础》课程的考核方式主要是试卷考试和平时成绩(如课后作业)，形式较为单一且考题很少涉及实际工程应用。学生为了应付考试往往死记硬背，并没有完全掌握所学的知识。因此，该考核不符合新工科教学理念的要求，很难真实反映学生的创新能力和实际解决问题能力。

2. 课程教学改革的创新性探索

为满足新工科背景下的教学要求，《材料科学基础》课程的教学改革应从以下几方面进行创新性探索：

2.1教学内容改革

根据教材各章节内容，适当扩充新能源、电池材料、陶瓷和高分子材料相关知识，而不是仅仅局限于金属材料，以此增大学生的知识面。此外，以图文并茂的简洁方式向学生灌输第一性原理计算、材料基因工程等材料设计和发展理念，使他们懂得传统“炒菜式”的材料设计很难适应当前工业生产需求。为了让学生熟悉材料领域的发展动态，可利用学校数据库查阅最新文献，将其核心部分与涉及的前沿问题以简洁的文字和图片形式渗透到教材的各章节中。材料领域最注重实际应用，因此可通过网络并亲自到企业调研不同的工程案例，将工业生产中出现的各种问题和解决方法在课堂上向学生展示。

2.2授课方式改革

为了让《材料科学基础》中抽象难懂的概念、理论变得通俗易懂，可利用逻辑学的相关知识重新组织教材中的各种概念和理论，并以通俗形象的方式展现在教学PPT中。此外，可基于网络搜寻和企业调研获取的实际工程问题进行案例式教学，并借助“云课堂”平台开展混合式/融合式教学应用实践，实现微信签名和问题抢答，以及学生对教学的建议和反馈。为了让思政元素充满课堂，可利用师昌绪、黄伯云等材料领域院士的先进事迹开展思政教育，引领学生正确的价值观。

2.3实验和实践教学改革

充分发挥学院实验室和设备的作用开展实验教学，内容涉及动态再结晶与静态再结晶、固溶-时效过程中第二相的析出规律、充放电条件下电极材料晶体结构的演变行为等，均由学生在老师的监督下独立完成。此外，在大学生创新创业活动和毕业论文中增加与《材料科学基础》教材和电池材料密切相关的课题供学生选择(如镁合金热处理、电极材料制备等)。以上均能锻炼学生的创新思维、动手能力和科研能力。

2.4考核方式改革

期末考试可压缩卷面考试所占比重，减少死记硬背，考题尽可能以实际工程应用为出发点。平时成绩方面，针对近几年材料科学的一些前沿领域(如3D打印、大尺寸非晶、高熵合金、海水激活电池等)，让学生查阅文献并撰写课程论文。另外，要求学生根据上述领域做PPT并以组为单位进行开放式课堂探讨、提问和辩论，老师作点评。以上均能考查学生的团队合作能力、搜集信息能力和分析解决问题能力。

3. 结语

综上所述，教师可在教学内容、授课方式、实验和实践教学以及考核方式等方面对《材料科学基础》这门课程进行教学改革的创新性探索。利用通俗形象的教学方式，将材料领域的工程应用展示给学生，同时向学生灌输国内外最新研究动态，培养他们的动手能力并引领正确的价值观。以此激发学生的好奇心，调动他们的学习积极性，为企业培养实用的创新型人才，推动国家新工科教育改革工作的发展。

参考文献：

[1] 张克营, 张娜, 王红艳, 王聪, 李发骏. 新工科背景下《材料科学基础》课程项目化教学的探索[J]. 宿州学院学报, 2022, 37(9): 81-84.

[2] 田相鑫, 章强, 李传明, 刘伟, 苗欣. 材料科学基础课程的“四重构”与“两创新”教学改革[J]. 高教学刊, 2022, 8(33): 152-155.

[3] 臧千昊, 陈洪美, 黎文航, 陈夫刚, 冯迪, 耿遥祥, 祁凯. 先进测试平台在材料科学基础课程教学中的辅助作用[J]. 中国现代教育装备, 2020, (11): 126-128.

[4] 谢长征, 张天文, 鲁海胜, 孟影, 马小航, 訾振发. 《材料科学基础》课程教学改革探索与实践[J]. 广东化工, 2023, 50(484): 204-205.

[5] 张尧成, 郭国林, 卢斌峰. “材料科学基础”课程思政实践策略的探索[J]. 教育教学论坛, 2022, (47): 121-124.

[6] 代卫丽, 刘彦峰, 宋月红, 韩茜, 杨超普, 张美丽, 罗翔祥, 李晓龙[J]. 广州化工, 2022, 50(19): 248-250.