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摘要:新工科已成為改革話語中最為醒目的詞語。對于本科教育來說，材料工程基礎在材料類專業(yè)培養(yǎng)中占有極其重要的地位。該文在新工科建設背景下，對目前材料工程基礎課堂面臨的挑戰(zhàn)進行探討，并提出通過優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學方法和評價方法等措施來提高教學質(zhì)量；通過激發(fā)學習興趣、挖掘潛力、改革考核體制等措施提高學生學習的主動性、積極性、創(chuàng)造性，培養(yǎng)出適用于材料行業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才。

關鍵詞:新工科；材料工程基礎；課程改革

1前言

當前，世界經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)格局正在經(jīng)歷大調(diào)整、大變革和大發(fā)展的新歷史時期。一方面，全球金融危機的影響導致經(jīng)濟增長步伐緩慢，發(fā)展的不確定因素增多；另一方面，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革醞釀新突破，特別是新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，加上新能源、新材料、生物技術等方面的突破，正在引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革。因此，各國都紛紛制定相關政策加以應對。美國提出將互聯(lián)網(wǎng)、高級計算機等應用于工業(yè)生產(chǎn)中；德國政府則提出充分利用物聯(lián)信息技術將工業(yè)化生產(chǎn)中的多個復雜工程問題進行有效融合，從而達到快速、便捷的目標；而中國政府提出“互聯(lián)網(wǎng)+”、“一帶一路”倡議等重要決策，預示著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)技術將從低端人工化走向高端智能化、從依賴進口到自主創(chuàng)新。面對全球產(chǎn)業(yè)競爭局面的變化和搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點的新挑戰(zhàn)，我們必須前瞻布局、主動應對，在新一輪全球競爭格局中贏得主動權。因此，在知識經(jīng)濟、新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命快速發(fā)展的局勢下，傳統(tǒng)的工科教育在很大程度上已經(jīng)無法滿足當前經(jīng)濟和科技的發(fā)展需求，國家亟須建設新技術和發(fā)展新工科。為此，自2017年2月以來，教育部力推新工科建設，相繼促成“復旦共識”“天大行動”以及“北京指南”的問世，構(gòu)成了新工科建設的“三部曲”，拉開了人才培養(yǎng)改革的新篇章，促使全國高校在工程教育領域掀起了一場教學模式的改革風暴。我國要想在世界高等工程教育中占據(jù)一席之地，就要始終堅持走創(chuàng)新之路，在“空白區(qū)”勇往直前、開拓創(chuàng)新，以技術創(chuàng)新及顛覆構(gòu)筑先發(fā)優(yōu)勢，切實提升我國新工科在國際中的影響力和學科競爭力[1]。當前，許多高校均存在一個顯著的共性問題：辦學現(xiàn)狀與行業(yè)、產(chǎn)業(yè)需求不相適應。具體表現(xiàn)為：首先，人才培養(yǎng)特色不明顯，許多進入工程崗位的畢業(yè)生能力不足。其次，學科基礎過于薄弱，協(xié)同創(chuàng)新與服務社會能力不足。最后，課程體系與教學模式、知識體系建設不完善[2]。因此，新工科建設為高校的發(fā)展指明了方向，即要求高校以產(chǎn)業(yè)需要為導向，定位相應的卓越工程人才培養(yǎng)目標，構(gòu)建以成果為導向的本科教育新模式，這對工程教育質(zhì)量的提高、助推經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、應對未來新技術和新產(chǎn)業(yè)競爭都具有重要的現(xiàn)實意義，為把我國建設成為引領世界制造業(yè)發(fā)展的制造強國做出重大貢獻。

2新工科背景下材料工程基礎課程教學面臨的挑戰(zhàn)

材料工程基礎是材料學科的一個重要組成部分，主要介紹了各種材料的共性規(guī)律及金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料的個性特點和多種組分復合體系的基本特征[3]。隨著新材料和新技術的不斷發(fā)展，人們對材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間關系的研究不斷深入，加之測試表征技術的迅猛發(fā)展，科研工作者對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的關系也有了更深層次的了解。材料工程基礎著重研究以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎，闡述原子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用和結(jié)合的方式，與材料內(nèi)部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律之間的相互關系，闡明了在應力、熱、電、光、磁、化學介質(zhì)、氧等外界因素的作用下，各類材料所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。此外，還學習材料的制備原理和主要方法。因此，在材料類相關專業(yè)中，材料工程基礎作為一門專業(yè)基礎課，越來越受到大家的重視。該課程可以提升學生的理論水平和分析問題的能力。因此，材料工程基礎課程建設對材料學科發(fā)展具有重要的作用。蘇州科技大學材料科學與工程學院是新成立的學院，學院瞄準材料科學與工程前沿，緊密結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求，注重學科交叉，致力于培養(yǎng)具有廣闊視野、堅實理論基礎、較強創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。因此，為響應國家新工科政策的號召，為國家培養(yǎng)高素質(zhì)人才，對材料工程基礎進行課程改革刻不容緩。

2.1教學內(nèi)容亟待改革

材料工程基礎是材料專業(yè)學生的專業(yè)基礎課，起著聯(lián)系材料基礎類課程與材料設計和應用類課程的紐帶作用，在培養(yǎng)學生綜合設計能力、產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工程實踐能力方面占有重要地位。該課程主要以材料組成與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系為基礎，還包括各類材料的加工行為和主要加工方法。單獨來看，材料工程基礎存在“內(nèi)容多，難度大，學時少”的現(xiàn)狀，如何保質(zhì)保量地完成教學大綱要求，是任課教師必須面對的問題。然而，材料工程基礎的部分內(nèi)容與材料科學基礎、材料物理性能等課程的部分章節(jié)存在交叉，因此，難免會出現(xiàn)重復講授的現(xiàn)象。例如，這三門課程均涉及晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷方面的內(nèi)容。教學內(nèi)容的交叉反映了這幾門課程在基礎知識和理論方面存在較大關聯(lián)，但重復教學一方面會造成課時浪費，另一方面會使得學生產(chǎn)生厭學情緒，導致教學效果不理想。此外，該課程部分章節(jié)內(nèi)容比較難理解，會導致學生喪失學習興趣，大大降低教學質(zhì)量。因此，必須對教學內(nèi)容進行改革。

2.2教學方法改革

傳統(tǒng)的理論教學主要還是以板書、多媒體課件為主，其優(yōu)點是便于學生理解理論公式的推導過程。然而，對于一些抽象晶體結(jié)構(gòu)模型的講解則顯得較為困難。此外，在課堂上往往是“教師講、學生聽”的教學模式，教師對學生的知識掌握程度無法做到實時監(jiān)督，無法給出客觀正確的評價?，F(xiàn)代教學并不是一個“教師教、學生學”的單一過程，而是以學生為主體、以教師為主導，師生共同參與的過程。同時，材料類專業(yè)是實踐性很強的專業(yè)，理論教學的同時往往與實踐相脫離，根本無法達到開設該門專業(yè)基礎課的目的。在這樣的教學模式下，學生把主要精力都集中在專業(yè)理論知識的學習上，通過死記硬背知識點來應對課程的考試，從而忽視了對實踐應用技能的鍛煉，導致不會靈活運用理論知識來解決實際問題，這與新工科背景下的培養(yǎng)目標并不一致。因此，為了響應新工科政策的號召，我們須對“講授式”教學模式進行必要的改革[4]。

2.3考核方式改革

在課程考核方面，依然延續(xù)著傳統(tǒng)的閉卷考試模式，學生的課程成績主要由期末考試卷面成績和平時成績按一定比例組成，考試只是對該課程所學的總結(jié)，無法客觀評價學生學習和對課程的實際掌握情況，而平時成績與教學環(huán)節(jié)設置和課堂教學情況有關，難以給出合理的評價標準。此外，期末考試往往只側(cè)重于對學生的理論水平進行考核，而忽略了學生獨立思考問題、分析問題、解決問題以及應用知識的能力。

3材料工程基礎教學改革的著力點

3.1優(yōu)化教學內(nèi)容，提高教學質(zhì)量

內(nèi)容相近、知識點有交叉的幾門課程的授課教師可組成教學團隊，各教師針對授課內(nèi)容進行研究、交流和探討。例如材料物理性能、材料科學基礎、材料工程基礎這三門課程中均涉及晶體學知識，但不同專業(yè)背景的教師對晶體的理解與表述存在較大差別，材料科學基礎可注重晶體的點陣類型、晶面、晶向指數(shù)的表示方法，材料物理性能可重點講述在應力、熱、電、光、磁、化學介質(zhì)、氧等外界因素的作用下，各類材料所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)，而具有材料工程基礎背景的教師則可側(cè)重于講述材料組成與物質(zhì)結(jié)構(gòu)性能特征、材料的制備原理和主要方法，使學生建立材料制備—加工—結(jié)構(gòu)—性能關系的整體概念。這樣不僅可以加強各門課程之間的交叉，還有利于學生對知識點的多角度理解。此外，很多新技術、新材料的發(fā)現(xiàn)都離不開材料工程基礎。因此，在教學內(nèi)容中還可以結(jié)合教師的科研工作，融入一些前沿科學及研究熱點課題，例如超導材料YBa2Cu3O7、教改教法Bi2Si2Ca2Cu3O10、Ti2Ba2Ca2Cu3O10和、HgBa2Ca2Cu2O8，原子團簇C60、C70和富勒烯，碳納米管和石墨烯等。一方面可以讓學生認識到課程內(nèi)容的重要性和實用性，另一方面可以提高學生的學習興趣。

3.2改善教學方式，激發(fā)學生熱情

近年來，微課[5]、慕課（MOOC）[6]、翻轉(zhuǎn)課堂等新興教學模式逐漸興起，這些教學模式也逐步成為國內(nèi)外教育工作者研究和實踐的熱點。其中，翻轉(zhuǎn)課堂是將知識傳授與知識內(nèi)化的過程進行顛倒，顛覆了傳統(tǒng)課堂的教學結(jié)構(gòu)，即學生課前通過觀看教學視頻學習新知識，在課堂上則是以做作業(yè)、交流、討論、做項目或?qū)嶒灋橹鞯囊环N教學形態(tài)。在該模式下，教師與學生之間的交流討論等過程增多，極大地增加了課堂中的互動，逐步形成以學生為中心的課堂，將“教師講、學生聽”轉(zhuǎn)化為“學生講，教師聽”的模式。此外，還可將學生進行分組，將部分知識點留給學生課后查找相關文獻和資料，自行做課件，歸納重點，下節(jié)課在課堂上進行輪流講課。然后，讓其他學生進行提問討論，最后由教師進行總結(jié)，并對重點知識進行講解。例如，在學習“納米材料”這一知識點時，可以讓學生分組，列舉納米材料與塊狀材料由于尺寸不同導致的聲、光、電、磁、熱力學等物性不同的現(xiàn)象，例如金屬的納米粒子會在空氣中燃燒、光吸收峰藍移現(xiàn)象、催化活性增強、磁有序向磁無序轉(zhuǎn)變、聲子譜發(fā)生改變等，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因（小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應）。同時，介紹納米材料的表征手段，例如X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM），比表面分析儀（BET）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等。最后，列舉納米材料在信息、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥和軍事領域的應用。這樣不僅能充分調(diào)動學生的主觀能動性，還能激發(fā)學生的潛力，讓他們對知識點有著更加深刻的認識，還鍛煉了學生查閱資料、語言表達以及組織協(xié)調(diào)的能力。此外，教學環(huán)節(jié)設置多元化，除了理論教學環(huán)節(jié)，開設合理的綜合實驗或者課程設計環(huán)節(jié)有助于反哺教學，培養(yǎng)學生的工程實踐能力[7]，切實讓學生體會學以致用，充分鍛煉學生的實踐應用技能，為他們今后的工作打下基礎。

3.3鼓勵自主學習，挖掘?qū)W生潛力

在信息化時代，利用網(wǎng)絡資源有助于促進對材料工程基礎知識的掌握。在平時的教學中，筆者經(jīng)常鼓勵學生利用網(wǎng)絡資源去檢索一些相關資料，如：CNKI、萬方、百度學術等中文資源以及ACS、RSC、Wiley、Elesvier等英文數(shù)據(jù)庫。學生不僅可以學會各類文獻的檢索方法，還可大大拓展自己的知識面，并且對自己課堂所學的理論知識在實際中的應用現(xiàn)狀進行深入了解。例如，在講述材料的結(jié)構(gòu)和制備相關章節(jié)時，可以舉例從結(jié)構(gòu)上看，玻璃不像晶體一樣在空間做遠程有序排列，而屬于近程有序而遠程無序的結(jié)構(gòu)，玻璃向熔體的轉(zhuǎn)變是在一定溫度區(qū)間內(nèi)進行，沒有固定的熔點[3]。聯(lián)系到玻璃的制備過程中，需要將配合料加熱到高溫使其熔融，進一步加熱以降低其黏度，同時加入澄清劑消除玻璃中的氣泡、使玻璃液澄清，最后降低溫度使玻璃液達到一定黏度，倒入錫槽后在熔融金屬錫的表面上攤開，通過浮法獲得具有一定厚度的平板玻璃。課后給學生布置任務，讓他們通過電子資源去查閱其他無機非金屬材料的制備方法。這樣不僅能讓學生開闊眼界，還培養(yǎng)了學生的自主學習能力。

3.4建立多元評價體系

建立科學有效的評價體系，是實現(xiàn)課程目標的重要保證，也是促進學生學習的重要機制。傳統(tǒng)的閉卷考試方式往往導致學生考前臨時抱佛腳、死記硬背，考后遺忘知識點，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。針對此問題，我們可采取學習過程中的討論、課堂表現(xiàn)、實踐情況、文獻調(diào)研以及期末小論文和考試成績等方式，對學生進行綜合評價。此種評價方式所涉及的知識面和信息量遠大于考試，可真正達到對學生進行客觀評價的目的。此外，在期末考試中，可考慮設置開放性試題以考查學生對于學科知識的理解，考查學生運用理論知識的能力。通過考核方式的多元變化，引導學生改變不良的學習習慣，使其積極主動地學習。

4結(jié)語

材料工程基礎課程的改革與實踐是一項復雜的系統(tǒng)工程。隨著新工科建設的開展，教學工作也應順應專業(yè)發(fā)展的需求，調(diào)整教學內(nèi)容，尋找更有效的教學方法，選擇更高效的授課形式，激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生的主觀能動性，挖掘?qū)W生的學習潛能，這樣才能讓學生真正學好材料工程基礎課程，為后續(xù)專業(yè)課程學習及今后的工作打下堅實的理論基礎。

作者:陳婷 郭春顯 谷雨 張春媚 陳博 謝志翔 單位:蘇州科技大學材料科學與工程學院 蘇州科技大學化學與生命科學學院