何秦川

摘要材料科学与工程是世界各国重点发展的学科专业，“材料科学基础”作为此专业的基础课程，对学生的专業知识结构构建起到了极为重要的作用。在新工科背景下，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，提出了对材料专业人才培养的新要求。为了适应新工科背景下的发展要求，文章对“材料科学基础”这门学科的教学模式、教学内容以及考核方式进行了一些改革实践和思考，为“材料科学基础”课程教学改革以及培养新工科背景下的材料人才提供一些参考。

关键词新工科;材料科学与基础;教学思考;改革实践;教学质量

中图分类号：G424文献标识码：A          DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.06.031

Reflections on the Teaching of "Fundamentals of Materials Science" Course under the Background of New Engineering

HE Qinchuan

（College of Materials and Chemistry & Chemical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059）

Abstract  Materials science and engineering is a key development discipline in countries around the world， and "Fundamentals    of Materials Science" is the basic course for this major， which plays an extremely important role in the construction of students'    professional knowledge structure. In the background of new engineering， the new requirements for the training of materials    professionals are now proposed to actively respond to the new round of scientific and technological revolution and industrial    changes. Therefore， in order to meet the development requirements in the context ofthe new engineering， in this paper， we have    made some reform practices and reflections on the teaching mode， teaching contents and assessment methods of the subject    "Fundamentals of Materials Science"， which provides some references for the teaching reform of the course "Fundamentals of    Materials Science" and the cultivation ofmaterials talents in the context ofnew engineering.

Keywords  new engineering; Materials Science and Foundation; pedagogical reflection; reform practices; teaching quality

引言

自2017年 2月以来，教育部积极加强新工科建设，明确探索形成新工科建设模式，培养主动适应新经济，新技术，新产业发展的多元化、创新型卓越工程人才。[1-2]

成都理工大学作为国家首批“双一流”世界一流学科建设高校，入选“111计划”、卓越工程师教育培养计划、国家级大学生创新创业训练计划、中西部高校基础能力建设工程、国家建设高水平大学公派研究生项目、新工科研究与实践项目等。其材料科学与工程专业是教育部本科高等学校卓越工程师教育培养计划专业，旨在培养具有家国情怀、人文素养、科学精神与德智体美劳全面发展的社会主义事业建设者和接班人，系统掌握材料组成与结构、合成与制备、物化性质与使用效能及其相互关系，成为在材料科学与工程及其相关领域能够胜任技术开发与改造、工艺与设备设计、生产与技术管理、产品销售与咨询、科学研究等工作的高级工程技术人才。“材料科学基础”课程是材料科学与工程专业最基础的理论专业课，对培养该专业人才起着极为重要的作用，但该课程具有“四多一抽象”的特点，即内容头绪多、原理规律多、概念定义多、相关学科多以及微观结构抽象，教材难度相对较大，对于本科生理解也有一定难度。[3]因此教学内容、教学模式和考核方式就极为重要。本文结合“材料科学基础”这门学科的教学现状对此学科的教学模式、教学内容和考核方式进行了一些改革实践和思考，希望可以为培养新工科背景下的材料人才提供一些参考。

1 课程教学模式思考

21世纪的课堂教学条件是从一支粉笔、一本教科书、一块黑板到多媒體的转变过程，随着课堂教学条件的优化，课堂教学越来越被重视而成为教学组织的主要形式和活动方式，因此课堂教学的组织是提高教学质量的中心环节。[4] 目前的课堂教学模式普遍以老师讲，学生听为主，这种以老师为主的教学模式显得比较单一。而“材料科学基础”这门课程作为材料科学与工程一级学科的专业基础学位课，知识点复杂，内容抽象，这种单一的课堂教学形式不利于学生掌握这门课程。并且，新工科背景下要求要以技术发展为导向去改革课程教学模式。基于此，“材料科学基础”这门课程的教学模式做了一些改革实践。

1.1  学生自主探索，加深知识理解

新工科背景下培养未来多元化的工程人才，培养学生的自主探索能力是必要的。学习新知识的过程，是师生之间互动的活动，是掌握知识和基本技能的过程，也是主体的知识结构和学生的认知结构相结合的过程。[5]在这个过程中，不仅要强调学生的自主探索，还要让学生积极探索解决问题的思路。例如在“材料科学基础”第六章相图中涉及对低碳钢和铸铁的理解，为了加深学生对这两种材料的认知，引导学生用两种简单方法区分低碳钢和铸铁。第一种是用锤子对两种材料进行敲击，能敲碎的是铸铁，第二种是用锉子对两种材料锉一下，通过观察切屑的颜色区分两种材料， 切屑黑灰染手为铸铁，切屑亮白不染手为低碳钢，在这个过程中让学生去分析比较这两种材料的机械性能以及它们基体的成分。同时，材料来自生活，而生活充满了材料，在教学中，紧密联系学生的生活现实，在现实世界中寻找科学，使学生在生活中能够“看到”材料科学，“感受”材料。让学生能够运用科学的方法观察和分析生活中隐藏的各种材料。例如在教材第一章中涉及晶体和非晶体的概念，课堂上教师通过引导学生去观察并列举生活中的晶体和非晶体，然后通过对比分析引导学生理解晶体和非晶体的具体区别。通过学生自己实践观察，结合教师的引导解释加深对知识的理解。

1.2 创设课堂氛围，调动学生主观能动性

教师通过创设学习气氛鼓励学生参与到生动活泼的课堂中，运用多种学习方式，满足他们的内在需求。学生能否真正成为教学的主体和学习的主人关键在于教师能否有效调动学生学习的主观能动性。  [6] 因此在正式进入一节课的主要内容前，通过用多样化的教学方式创设一个生动有趣的情景去调动学生学习的主观能动性就显得极为重要。例如，在“材料科学基础”第二章晶体学基础中涉及空间点阵与晶胞，为了研究晶体内大量原子、离子、分子、原子集团等这些结构基元在空间的排列规律，让学生学会描述晶体结构的规律性，教师可通过实体原子排列模型和晶胞结构模型的展示创设情境，提出问题。同时通过多媒体构建一个具有立体透视感的空间结构模型，充分调动学生的主观能动性，在生动活泼的课堂上使学生能够容易地理解相关内容，提高“材料科学基础”课堂教学的质量与效率。

1.3 承上启下，寻找新旧知识结合点

在新工科建设背景下，教师应该注重学生对知识的掌握程度。学生学习新知识，是以已有的知识和经验为基础。教师在教学中必须定位新知识和学生已有的知识，对于与旧知识紧密联系在一起的新知识，教师可以在巩固旧知识的前提下让学生利用知识的正向迁移，完成认知冲突。“材料科学基础”课程前后章节的知识点具有关联性，因此教师在教学过程中要注重寻找新旧知识结合点。例如，教材第二章晶体学基础主要介绍晶体结构的规律性和对称性，让学生理解7 大晶系与14种布拉菲点阵，对晶体有一定的认识。紧接着在教材第三章就对晶体结构进行了进一步的阐述，让学生从晶体结构对材料性质有进一步的认识。因此，教师在对第三章内容讲解前，应充分衔接第二章的内容，在晶体学的基础上对晶体结构做进一步地讲解，让学生充分利用已有的知识体系提前对第三章内容进行预习，课堂上教师通过对晶体学基础知识再巩固的过程中转入晶体结构的讲解，完成知识的正向迁移。

1.4 学生自主，教师引导，从被动到主动

在新工科建设背景下，应建立以学生为主的新型教学理念，学习是一种活动，就像游泳和骑自行车一样，没有经验就不可能掌握。[7]因此，在“材料科学基础”中，教师要改变传统的教学和学生的学习模式，在教学过程的设计、安排和组织中要以学生为中心，老师为导向，变被动为主动，提高教学质量。以教材第六章相图为例，此章分为五节，要求学生掌握相图的基本知识以及二元相图和三元相图的分析与使用。教师可根据班级人数将其划分为学习小组，然后把每一节的课程内容分给这些小组，让学生自主预习课程相关内容并查阅搜集资料，制作课程 PPT，在每节课前十五分钟让学生进行讲解，并在小组内进行讨论，教师给予答疑解惑。这种变被动为主动的学习模式可以充分锻炼学生的自主学习、语言组织和 PPT 制作等能力，充分锻炼学生的自主学习和实践能力，提高学术的学习积极性，提升教学效果。[8]

1.5 媒体与板书结合，丰富教学手段

单一的教学手段已经不能满足新工科背景下培养未来创新型人才的要求。随着社会不断进步，多媒体教学已经在大学课堂中普及，多媒体能够在课堂上给学生展示有声有色的图文，将教学内容由抽象变为直观，激发学生学习兴趣，但过度依赖多媒体教学会引起学生课堂注意力不集中，不利于教学进度控制，降低教学效率。[9]板书作为传统的教学模式，不利于教师对一些复杂的三维结构和抽象概念进行讲解，但是对于一些具有推导性、连贯性的知识点，以及学生应重点掌握的知识点通过板书强调则有利于学生对知识点的理解，因此教师应合理有机结合板书和多媒体教学。例如教材第四章晶体缺陷中涉及位错的运动以及教材第六章相图涉及三元相图概念的理解，此部分内容抽象复杂，学生理解困难，在这里适当运用多媒体进行动画演示可以帮助学生理解。但在讲述二元相图时则可以利用板书画出相关相图，对结晶过程罗列板书，并推导相组成物，组织组成物含量的计算方法，帮助学生充分理解。通过多媒体和板书的有机结合加深学生对知识的印象，提高教学效率。

2 课程教学内容思考

结合专业培养目标，成都理工大学材料与化学化工学院选择北京大学付华主编的《材料科学基础》作为教材，该教材以材料结构和制备的理论基础为主要内容，强调材料类专业共性的基础知识与理论，教材编排新颖，论述清晰。但该教材将原子结构与结合键、无机非金属材料结构、高分子晶态结构以及无机非金属材料的液-固态相变和高分子材料的凝固等内容结合在一起，理论概念多，知识信息量较大，如果不考虑专业实际情况，在专业课时本就有限的情况下对所有内容讲解不仅会使教师难以讲透知识点，而且会增加学生的理解难度，不利于学生掌握知识点，降低教学效率。为了满足新工科建设背景下应对变化、塑造未来的建设理念，对课程的教学内容做出了一些思考。

根据《材料科学基础》的内容特点，对教学重点内容适当取舍，适当地降低课程难度，提高教学效率。例如绪论部分主要介绍关于材料的发展与分类以及材料工程的研究內容，对于这部分内容教师不必做重点讲解，可让学生自己去阅读整理并查阅相关资料完成课后习题。同时，对于第一章内容原子结构及结合键，其中原子结构模型、核外电子排布规律以及原子的电离能部分教师可做简要介绍，重点讲解结合键部分。在晶体学基础章节里，重点讲解空间点阵以及晶向指数与晶面指数，而舍去晶体的投影以及晶体的对称性等相对较为抽象的内容，该部分可在晶体结构学完后做系统讲解。在相图章节里，对于二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图以及铁碳相图的凝固过程做重点讲解，而舍去与凝固有关的动力学理论和相图热力学部分，该部分内容可在“材料热力学与动力学”课程中做重点讲解。在三元相图里，对三元匀晶相图和三元共晶相图的结晶过程做重点分析，对于后面一些更加复杂的典型三元相图，如 Fe-C-Si 、Fe-C-N 和 MgO-Al2O3-SiO2 可不必做进一步的分析讲解。课程教学中不能只追求大而全，而要根据课程实际情况做出一定的区分和取舍，只有这样才能在有限的课时下提高教学质量及效率。

3 课程考核方式思考

“材料科学基础”课程目前的考核方式与传统教学考试方式一样，即总成绩=平时成绩（30%）+期末笔试成绩（70%），其中平时成绩主要为出勤率，这种考核方式卷面成绩占比较大，导致学生不注重平时学习，对期末考试存在侥幸心理，不能体现全程化、多元化的课程考试，不利于新工科背景下的人才培养。为了取得更好的教学效果，对课程的考核方式做了一些改革实践，将平时成绩模块化，其中课堂笔记10分、课堂作业20分、课堂提问10分、课外作业-练习60分。对于期末考试试题，减少选择题的分值，增加分析计算和作图题的分值，其中名词解释10分、选择题 10分、分析题30分、作图计算50分。以此方式来提高学生对课堂的重视程度，增强学生自我修养意识，同时加强学生的专业课基础知识能力，使学生做到“知行统一”，从而提高教学效率。

4 结语

在新工科建设背景下，本文对“材料科学基础”这门课程的教学模式、教学内容以及考核方式等做了一些思考和改革实践，旨在提高该课程的教学质量和效率，从而满足新工科背景下培养未来多元化、创新型卓越工程人才的需求。在后续教学中，还需根据课程情况持续改进，积极创造教学条件，不断完善“材料科学基础”教学体系，全面提高教学质量及效率，为新工科建设背景下材料专业人才的培养贡献力量。

基金项目：2020-2022年度成都理工大学教师发展科研启动基金（10912-KYQD2020-08264）。

参考文献

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[2] 韦英哲“. 新工科”：依托产业优势，建设工科教育新范式[J].广东教育（综合版），2019（03）：26.

[3] 赵云霞，白佳海，周燕《材料科学基础》课程教学改革探索 . [J].教育教学论坛，2017（39）：112-113.

[4] ZHANGLQ. MultimediaTeachingof"FundamentalsofMaterialsScience"[J].ChinaMetallurgicalEducation，2008（5）：58-59.

[5] 赵洁婷.新工科背景下以学科竞赛为平台的学生能力及工匠精神培养[J].内燃机与配件，2020（16）：247-248.

[6] 陈瑶.如何营造一个良好、有效的数学课堂[J].基础教育论坛，2017（01）：16-18.

[7] 唐灯平，凌兴宏，魏慧.新工科背景下的计算机网络类课程实践教学模式探索[J].计算机教育，2019（01）：72-75.

[8] 张旭茗.新工科背景下材料实验课思政教学模式——评《材料力学实验教程》[J].中国科技论文，202015（02）：257.

[9] 张晓青.多媒体外语教学的优势、问题与对策[J].教学与管理，2012（33）：110-111.