新工科背景下“材料科学基础”课程教学改革探索

刘丽丽

（南京工业大学能源科学与工程学院 江苏 南京 211816）

新工科背景下，高校新能源材料与器件专业为了满足国家新能源战略对人才的需求，亟须培养具有良好的道德情操、文化修养和身心素质；具有扎实基础理论和专业知识，毕业后能从事与新能源材料和器件相关的生产、设计、研发、教学、咨询、管理和贸易等工作的高级专业人才。充分结合新能源材料与器件专业的特征，需进一步深化新能源材料与器件专业课程教学改革[1-2]。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出，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的全过程，实现全程育人，全方位育人[3]。“材料科学基础”课程是材料类专业包括材料化学、新能源材料与器件、材料科学与工程、材料与化工等专业非常重要的基础课之一，是新能源材料与器件专业的核心课程之一，主要介绍材料的成分、结构与性能三者之间的内在关系。该课程让学生充分学习掌握材料科学中的理论知识并理解材料微观结构到宏观性质的内在关联，进一步运用专业所学的原理和理论来解释并解决实际应用中的工程问题，为日后从事新能源材料相关领域的工作奠定基础[4-6]。另一方面，材料科学是现代国民经济发展的三大支柱之一，材料更是各个先进技术领域的基石。材料科学的发展和创新是我国由制造业大国向制造业强国转变的重要一环[7-8]。

1 传统“材料科学基础”课程教学的不足

“材料科学基础”课程知识点繁多且内容抽象，学生理解起来较困难，另外各章节之间知识跨度较大，依赖于数学、物理、化学等学科的基础，对学生的知识储备要求较高；概念定义和原理规律较多，缺乏趣味性，学生学起来多靠死记硬背，传统的单一的课堂教学模式不利于培养具有实践精神、创新能力的学生；另一方面传统的教学内容中缺乏对学生思政方面的引导，不利于新时代对学生的全面培养。基于以上两点，应当对“材料科学基础”课程的教学进行改革。根据新工科背景下高校培养学生的内在需求，构建科学合理的教学内容,探索行之有效的教学模式，为社会输出具有正确的世界观、人生观、价值观和高尚道德情操，扎实理论知识功底和卓越实践能力、创新精神的工程人才。

2 课程教学改革探索

新工科背景下，新能源领域人才培养具有更高的要求，需在新能源材料与器件专业的培养方案和专业特征指导下，加强“材料科学基础”课程教学改革。在教学内容上结合时代特色切实融入课程思政，教学模式上进行多方位改革，并改革考核方式，最终实现人才的全方位培养。

2.1 融入课程思政

作为理工科的专业课程，专业课教师需要全面探索并深入挖掘本专业知识点与思政教育的契合点，构建专业课内容与思政内容有机交叉并深度融合的高校思政教育课程体系,从而实现专业课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[9-10]。在“材料科学基础”课程的教学中，一方面向学生介绍我国材料领域的发展现状和我国在材料科学史上重大发现和发明，增强学生对本专业学科知识重要性的认识；还可结合国际大背景，向学生列举并讨论目前我国在材料领域的一些急需攻关的新材料和新技术，融入家国情怀造就使命担当。另一方面以书本课程知识点为契机，适当引入人类科学史上一些新材料的探索和发现，学生在课堂上可以体会新科技的发展所离不开创新精神和工匠精神。材料学领域的发展来源于多位先驱科学家的贡献，可以在每章课程讲解之前，与学生分享材料学领域科学家以及诺贝尔奖获得者的故事，并由此展开本章节的内容，例如，在讲述到共价晶体结构材料章节，可以引入安德烈 海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫利用胶带发现石墨烯的小故事，让学生理解科学的突破性和创造性离不开锲而不舍，以及敢于打破常规，严谨务实的精神，从而激发学生对科学研究和本专业的热情，最终实现思政元素与教学内容的有机融合。除了线下授课方式之外，一些优质的线上教学平台和资源，比如大国工匠、大国重器等精品在线课程，也可以作为一种更直观的教学方式。更形象直接地引导学生树立良好的科学观、人文观，让学生在学习中既开阔了眼界又培养了爱国主义情怀，收获了知识又增强民族自豪感；课余还可以向学生分享、推送材料科学领域最新的发现和动态，激发学生的专业认同感和对材料学的兴趣；此外还可以鼓励学生和本专业教师进行互动，了解并充分参与导师们的科研工作，了解科技前沿动态和行业未来发展格局。

2.2 改革教学模式

2.2.1 混合式教学

多媒体网络技术的发展为教学模式的创新提供了新的方向。网络化教学与传统线下教学模式优势互补，多渠道促进学生对课程知识的掌握和创新实践能力的培养。一方面，教师可以利用在线平台为学生提供“材料科学基础”课程的授课视频资料、课件以及参考材料。学生可以在课余时间进行课前预习、课后复习以及疑难知识点的进一步学习。另一方面，在线下教学过程中，尤其是在一些疑难知识点的讲解过程中，可以借助多媒体技术在课件中插入动画、模拟仿真视频等资源，从而使口头讲解难以清晰表达的内容以图文并茂的形式更生动形象地展现给学生，进一步增强授课效果。例如在讲解位错章节时，可以借助动画来展现刃位错和螺位错的形成原理，动画中把刃位错的运动比喻成毛毛虫的蠕动，可以让学生在短时间内理解刃位错的形成及运动规律，一颗铆钉可以引发飞机失事的动画则展示出微观原子缺陷如位错如何影响金属材料的性能，通过视频学生能将抽象的知识点和宏观具象的材料性能结合起来，从而领略材料学的奥妙，产生科研的兴趣。

2.2.2 定制化教学

本课程主要是面对新能源材料与器件专业的学生开设的，教学过程中教师应结合新能源材料与器件专业的培养目标，具体制订教学方案和教学内容。首先，在统筹整个教学过程中，除了整体教授“材料科学基础”的基本知识，还应当在每章节中设计一些与新能源材料相关的知识点拓展与延伸，帮助学生加深对本专业的认知和认同感。例如，在晶体结构章节中，讲述到共价晶体结构时，教师可以给学生引入碳材料、石墨烯材料等，并介绍其在锂离子电池中的应用；在缺陷章节中，通过对比金属晶体缺陷和离子晶体缺陷的特征，并讨论不同缺陷对材料导电性的影响，进一步拓展到在电池领域内这类材料的导电性对其电化学器件的电化学性能的影响。通过知识点的拓展和交叉融合，可以一方面培养学生对材料学的兴趣，另一方面还可以加深他们对本专业的认同感以及学以致用的信念感。

2.2.3 多维度联合教学

专业课教育与创新创业教育相结合的联合教学方式可以培养学生的综合能力。以“互联网+”“挑战杯”等国家级或省部级赛事为载体，实现“材料科学基础”课程教学与创新创业教育的融合，进一步强化学生的创新思维能力。一方面，教师可以根据“材料科学基础”课程的具体教学内容，设计并衍生出一些科技创新或者竞赛课题，在学校学院的支持下，带领学生开展创新创业训练并参加一些竞赛类活动，激发学生的创新和挑战意识。在这个过程中，教师必须发挥指导者的作用，从专业层面给予参赛学生相应的指导。另一方面，专业课教育还可以与学校教师的科研课题相结合，专业课教师可以给学生介绍分享本专业教师的研究方向，鼓励学生主动了解并参与院系导师们的科研活动，并积极申报国家、省部以及学校等不同级别的创新创业训练项目。通过科研项目的有效训练和培养，学生在学科竞赛、挑战杯等项目上取得优异成绩，更好地达到新工科背景下人才培养的目标。

2.3 改革课程考核模式

新工科背景下人才的培养离不开合理有效的考核模式。传统的试卷考核方式能够在一定程度上反映学生对课程知识的掌握情况，但缺少对学生的品德素质、学习效果以及创新能力等方面的全面衡量，因此对现有教学考核模式的改革势在必行。“材料科学基础”课程为了尽可能全面、客观、准确地反映学生对知识、基本技能的掌握程度，评价学生的创新能力、实践能力，平时成绩应包含课堂表现、学习态度、课程测验等方面。例如，教师可以在每章节准备几个开放性的思考题，鼓励学生利用课下时间思考，并在后续课堂上进行充分交流讨论，既训练学生的创新思维能力，又可以把学生思考与讨论的情况作为考核依据。在期末考核部分，应适当删减传统试卷中纯背诵的问答和计算题目，增加一些本课程与实际应用联系紧密的综合性和分析性试题，更加全面地考查学生应用本课程所学知识去理解、归纳、分析、解决实际问题的能力，从而达到对于人才创新性和实践性能力的培养目标。

3 结语

“材料科学基础”是新能源材料与器件专业重要的专业核心课程之一，课程的教学成效对“新工科”背景下创新型、专业型、复合型人才的培养至关重要。该课程在教学内容和教学方式上必须要同步进行改革。本文对“材料科学基础”课程教学改革进行了探讨，从融入课程思政，到改革教学模式包括混合式教学、定制式教学、多维度联合教学方式，在改革考核模式等方面开展了教学改革与探索，为新工科模式下高校培养具有高尚道德品质、家国情怀和卓越创新精神、实践精神的工程人才提供了一定的参考。同时，本文所提出的“材料科学基础”课程的教学改革内容和模式还需要在后续的教学实践中进一步探索与改进。