新培养方案下材料科学基础的教学改革思考

文桂林，陈永红，鲍 霞

(淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232001)

《材料科学基础》是材料科学与工程学科的重要的专业基础课和核心课程，是公共基础课与专业课之间的桥梁，该学科主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成 （工艺）条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律[1-4]。该课程的开设便于学生掌握各种传统材料的知识、了解新材料发展的前景，同时可为学生毕业后在材料领域从事生产工作、产品研究开发、管理以及继续深造奠定坚实的理论基础，并为提高学生的科技素养、培养复合型人才提供必要的条件[5]。材料科学基础课程既具有传统特色又紧贴时代的发展，其传统之处在于该课程涉及化学、物理学、数学、生物学等多个领域，属于典型的交叉学科，这些学科为该课程提供了坚实的理论基础；同时，随着科技的发展，各种新材料、新工艺、新技术和新理论逐渐成为教材内容，体现了鲜明的时代特色[6-8]。这些特点决定了课程的一大特点，即教学内容的理论性、新颖性和教学方法的不定期变革性。近年来，材料科学与工程学科得到了迅速的发展，各高校和研究所相继开设相关材料类专业，如：材料化学、材料物理、材料学以及材料加工工程等，有些院所基于各种材料的特性其专业的开设甚至更加细化。在各专业的课程设置中，《材料科学基础》作为材料类核心课程，因为其重要作用得到广泛开设。当然，出于高校差异化发展以及服务地方经济的原则，各高校也各有特色和偏重。

淮南师范学院是一所省属普通本科院校，作为安徽应用型本科高校联盟成员，为了适应社会需求和形势的发展，学院提出了建设应用型本科高校的办学定位和思路，并于2009年上半年明确提出了新的人才培养规格：“宽口径、实基础、强技能、能创新”，修订了新一轮人才培养方案，计划利用几年时间进行新方案的试行和完善[9-10]。作为其重点培育专业-材料化学，得到了各级部门的重视，特别是淮南低温共烧材料省级实验室的立项建设，更是为材料化学专业的发展提供了坚实的支撑。因此，在2009年确立的新培养方案中，学校对材料化学专业的课程设置和培养目标进行了深入调整，对人才质量提出了更高的要求。在课程设置方面，对作为主干课程的《材料科学基础》进行了相应的调整，并对教学内容、教学方法和技能提出了更新和改革的要求。本文进行了充分的文献调研，结合国家对人才培养的要求、该领域的快速发展、学校培养方案的变化以及学生的实际需求，我们对材料科学基础课程的内容选择和教学进行了深入的思考和分析，并提出了一些对策，以其为改善材料科学基础课程的教学质量、提高教学效果和学生的动手能力以及培育创新思维意识提供理论依据。

1 优化理论教学内容，突出专业特点

目前，材料科学基础课程的教材有多种著作和版本，如，高等教育出版社出版的余永宁主编的《材料科学基础》、上海交通大学出版社出版的胡庚祥主编的《材料科学基础教程》等。这些教材基本内容相同，但各有侧重，在课时有保障的情况下，合理选取教材是一个必要的前提。在淮南师范学院新培养方案中，对课堂教学的课程和课时进行了削减，考虑到本课程的总学时为54个课时 （之前为72课时），就课堂教学的实际情况而言，以上教材的选取均可以满足要求。

针对相对有限的课时，保障基础理论的教学尤为重要；同时，结合学校的专业特色，以及省级实验室提供的平台，即省级实验室整合的四大科研方向：低温共烧陶瓷（LTCC）、固体氧化物燃料电池、煤灰助熔剂以及紫砂页岩研究。材料科学基础课程内容的选择以无机非金属材料为主体，辅以相关内容，包括晶体结构、晶体结构缺陷、非晶态结构与性质、表面结构与性质、相平衡与相图、扩散、材料中的相变等，并通过无机材料的实例阐述材料的制备、化学组成、表征、性能以及构效关系，从而为材料的开发、生产和使用提供理论基础。在重点讨论无机非金属材料的基础上，也应该从整个材料领域和理论体系层面上进行整合，体现出金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料等四大材料的各自特性，扩大材料的研究范畴。

考虑到课程内容设置的重叠性，在较少课时时，对于课程的辅助内容或其它课程中的重点内容，本课程可以进行适度的选择性讲授。如晶体结构部分与无机化学、结构化学中化学键合和结晶学基础部分有较大的重合，可以一笔带过地进行略讲；相平衡与相图的基础知识，在物理化学上有详细的讲述，两者内容的差别仅在于材料科学基础课程注重固体物质的相平衡，因此这部分内容偏向于相图类型的介绍和各种术语的理解，具体分析方法参照物理化学；对于固相反应、烧结等内容，因为与陶瓷工艺学和玻璃工艺学重叠，本课程不再讲述。

2 整合实验教学设计，推行综合实验

实验教学是对理论教学的巩固和提高，特别是对于理工科的专业，专业实验尤显重要。材料科学基础课程理论教学以材料为载体，阐述各种材料的共性基础知识，从材料的微观结构出发，研究结构-制备方法-加工工艺-性能的关系，对于这些知识的理解和把握，依赖于相关实验的开展。大多数高校都平行独立设置了材料科学基础实验，并围绕材料科学开设十个左右的验证性实验，目的是帮助学生理解和巩固所学的有关材料科学的基本原理和知识，并掌握材料科学的实验技能[11]。

以淮南师范学院为例，在2009级以前的课程设置中，材料科学基础实验共54课时，包括16个单独的实验项目：正交试验设计；计时电流法；线性扫描伏安法与循环伏安法；sol-gel法制备Nano-TiO2粉体；材料表面硬度的测定；低温自蔓延燃烧法合成Nano-Ce2O3粉体；粒度分布仪测定粉体粒径；粉体流延成型工艺；块体材料的体积密度、气孔率以及吸水率的测定；超细粉体比表面积的测定；Nano-TiO2修饰电极和电化学测试；玻璃材料折射率的测定；粉体真密度的测定；纳米氧化钛修饰电极的制备；热膨胀系数测定；粉体造粒以及干压成型工艺；粉体流延成型工艺。这些实验的开设使学生掌握了材料科学的基本实验技能，学会了观察实验现象和分析实验数据，但是这些实验项目过于分散，仅是理论课的验证，彼此没有太大的相关性，学生学习兴趣欠佳，单从实验课开设的目的和取得的效果来看，这门实验课程的改革刻不容缓。

新培养方案中，结合学校实际，考虑将材料科学基础实验划分为四个模块：陶瓷、固体氧化物燃料电池、水泥和混凝土。这四个模块的内容是综合性实验，以陶瓷材料为例，其全过程包括了正交试验设计、低温自蔓延法合成、测定粉体粒度分布；测试块体材料的体积密度、气孔率以及吸水率；目标粉体比表面积的测定；粉体造粒以及干压成型工艺；陶瓷粉体流延成型工艺；材料表面硬度和折射率的测定；材料的热膨胀系数测定。学生可以在四个模块中任意选择一个模块，教师拟定初步的实验方案，学生独立设计实验内容、全程完成实验操作、并进行性质测试、整理分析实验结果，实验完成后每人提交一份实验报告。这些实验整合了材料制备技术中的粉体合成、成型、烧结技术，材料结构和性能的表征技术以及实验结果的综合分析技能。综合实验的开设，增加了学生的参与意识，使学生了解材料制备工艺过程和表征方法，以及材料制备和常用仪器设备的基本操作和基本技能，并能规范操作这些常用仪器和设备，进而培养学生理论联系实际和提出、分析、解决问题的能力，在科学研究中坚持严谨的科研态度并树立求实的工作作风。

3 改进教学方法和手段，提高教学质量

3.1 传统和现代教学手段相结合

进入新世纪以来，特别是随着计算机技术的普及，在高等教育中开始大量运用多媒体进行教学，多媒体教学具有直观、形象、生动的特点。但是，过度强调多媒体教学的优点导致了在一些教学工作中错用、滥用计算机教学的情况。因为网络的便利性和共享性，各门课程都有丰富的课件资源，相对传统教学方法，现代教学的备课和课堂展示更简单、知识量更大，因此教师往往过多关注课件的新颖性、知识的海量性以及备课的便捷性，不加理解而囫囵讲解的情况和只图进度而过量灌输的事情时有发生，教学手段的更新并没有从根本上提高学习质量。针对这种不良趋势，应该将传统板书教学和现代多媒体教学相结合，对于一些基本理论、公式的讲解应使用板书方法，学生全程见证了理论和公式的推导，强化了记忆、增强了技巧；对于复杂的图形演示，动画和图像更形象和直观，如等径球体的最紧密堆积、位错、扩散、复杂相图以及晶体结构，计算机丰富的色彩、文字和图像功能，可以方便的展现并区分，非常醒目、简单，而且节约了大量课堂时间；对于新材料的应用、开发和具体的工艺过程，可以借鉴视频的形式，立体生动的视频大大激发了学生的兴趣，同时也加强了课本知识与实际生产的联系，使学生的学习、生活忙碌而不盲目。

3.2 由灌输式教学向参与式教学转变

在教学工作中，积极探索与应用型人才培养相吻合的教学方法，改变过去45分钟灌输式的方法，采用“提问式”、“启发式”、“讨论式”、“研究式”等参与型方法引导学生学习。在讲授新课之前，结合实际列举相关的工程实例和科研进展以及实际产品，提出需要解决的问题，进而引导出授课内容，这项工作类似撰写论文中的引言部分，抽象但又不失其重要性。授课过程中，注意复习和总结，理清重点和难点以及各知识点的联系和区别，教师准备充分的时间组织讨论式的讲授，使课堂活跃，学生在讨论的过程中能够提出问题、发现难点。对于一些较专业的知识点，可以课前组织学生进行网上检索，课堂组织发言，增加其感性认识。同时考虑到《材料科学基础》课程中各部分内容之间是具有很强的关联性的，教学中必须体现课程教学的整体性，不能局限于一些细节，应该在一定高度上理解和学习，使课程的学习更清楚、更简单。因此，上课之初一定要理清该门课程各部分内容，让学生对课程有整体认识，进而说明各部分内容之间的相互关系，从而在学习过程中相辅相成。在教学过程中，进行教学内容转换时，一定要做好两部分内容之间的衔接工作，让学生明白内容编排的必然性，因为这些内容起到贯通教材完整性的重要作用。

3.3 加强课外自学训练，与课堂教学互补

高等教育与初等教育的最大区别，在于高等教育的主体具有一定的自主学习能力和独立意识。培养方案调整前，因为培养目标的高大全，课业繁重，加开了大量的专业课程，在增大专业知识量的同时，课余时间严重缩短，学生忙于一些科普性知识的训练，没有深入的理解，易学但容易忘记。新方案中，课程数量和课时大幅下降，开始关注学生学习的主动性。考虑到大学生活太过于强调自我约束，外部激励措施较为欠缺，一定数量的有针对性的课外自学训练很有必要。对于材料科学基础课程而言，如课后习题、新知识的网上检索、业余时间的调研、实训锻炼甚至进入车间直面生产，弥补了课时的不足和书面知识过于抽象的缺点。如，陶瓷、玻璃、水泥的制备，因为太过枯燥和抽象，一直是学习的难点，配合以工厂参观和实验室小量制备，学习起来就事半功倍了。同时，课外训练增强了自学能力，纠正了学生过于依赖“老师讲述-学生学习”的模式，为将来的就业和深造打下了基础并养成了良好的学习习惯。

3.4 提倡双语教学

材料学科是近年来蓬勃兴起的新兴领域，国外同行在该领域具有一定的优势。在材料科学基础这一专业基础课中引入双语教学，学生既可以学习专业词汇和英语表达，也可以获得一种自主学习的能力，用第二语言拓宽视野，了解先进国家在材料领域的进展，激发从事材料工作和科研的兴趣。在现有条件下，可选择常规双语教学模式展开教学活动：在教材方面，引进外文原版教材作为辅助教材；在教学中，板书表达采取英汉对照的方式，口语表达以中文为主，以外文为辅助；多媒体教学中可以融入英文动画和视频，加强英语听力训练；习题作业以外文原版教材为主，采取中文作答。业余时间，通过教学提高学生对生活的观察能力和英语的实用能力。生活中，英语的身影无处不在，如教材中有些术语是对英语词汇的借鉴，如：特氟隆、纳米、涤纶、雷达、派瑞克斯玻璃等；实际产品使用中对英语符号的部分依赖吗，如：TG、PE、PVC、IR、TEM、PP、ABS、PS 等。

4 结合学科前沿，培养创新意识

在教学过程中，也应该注重科研促进教学。在当前形势下，师资资源比较丰富，在教师的选择上坚持专业对口，更有利于教学。因为高校教师学历普遍较高，基本上具有硕士或博士学位，相应也具备一定的科研能力和科研经验，结合自身的科研工作和科研平台教学，更有利于学生接触学科前沿，培养其独立意识和科研兴趣，培育创新精神。

4.1 提高教师科研能力，配置先进仪器设备

《材料科学基础》是一门基础理论和工程实际紧密结合的课程。材料化学专业依托淮南低温共烧材料省级实验室具备先进的仪器设备，如：傅立叶红外光谱仪、粉末X-射线衍射仪、荧光光谱仪、紫外光谱仪、质谱仪、热重-差热分析仪、元素分析仪、扫描电子显微镜、比表面测定仪、激光粒度仪、熔点仪、热膨胀仪及电化学工作站等，并有一些先进仪器正在购置中。教师队伍素质较高，科研课题较多，囊括了国家自然科学基金、省自然科学基金、人事厅优秀人才基金、教育厅基金和淮南市科技项目以及学院的配套基金，所有教师都不同程度的参与或者主持了科学研究和实际工程项目。教师的科研方向也比较广阔，基本上在材料领域都有涉及。材料科学基础课程的内容比较广泛，包含多个领域，课程中涉及大量的各种类型的材料，如：功能陶瓷、特种玻璃、液晶材料、LED材料、水泥、功能配合物、混凝土、医用材料、纳米材料等，对这些内容的理解要求授课教师具有较高的科研能力、广博的知识面和一定的学术背景，否则不能真正理解这些内容，在教学中很容易采取照本宣科的方式。教师的配备可以不拘泥于一人，而是由数名老师组成教学团队，特别是在讲授各种类材料时，充分利用各位教师的特长，在课堂教学中有针对性的讲解、适度展开，在阐述理论意义、领域动态和科研热点时会更加有效果。

4.2 支持学生参与前沿研究

考虑到授课对象是大三学生，有些学生则要继续深造，另外一些同学将走进具体的生产岗位，对各个领域的深刻认识和实际研究有利于较早培养他们的兴趣和实际操作技能。因此，教师应该积极支持有科研兴趣的学生在任课教师的科研工作中从事一些实验工作，真正担负一定的实验任务，完成科研工作中相对容易的分解步骤，有条件的实验室和教师还可以指导学生积极申报和承担科研项目。如，淮南师范学院设立了“支持百名优秀学生课外科技实践创新活动基金”项目，每年在申报者中筛选一批学生承担项目建设，并进行了积极的资金支持和生活补助，使学生有充足的时间和精力投入到科研中去。几年下来，科研项目的号召力越来越大，学生参与申报项目的热情高涨，项目质量也越来越高，绝大多数项目都能按期结题，并获得了丰厚的研究成果，如高质量的科研论文或者各种专利。这样既加深了学生对理论课程的理解，对理论知识有了现实认识，从而有助于丰富教学内容、提高教学质量；也培养了学生的科研能力和创新意识，对科研工作有了切身体会和具体经验，有利于今后的实际工作和继续深造。

5 结语

近年来，国家把新材料列为重点支持行业，新材料作为高新技术的基础和先导，已经显示出良好的发展前景，各种新材料、新工艺不断出现并投入实际应用。为适应经济发展，对高等学校人才的培养模式提出了更高的要求，具有较强的理论基础、动手能力和创新精神的学生，成为高校培养的目标，也是各用人单位优先选择的对象。依据科技发展和社会需求，不断完善培养方案，并进行教学改革，加强教学与生产的联系，才能为安徽应用型本科高校的发展和国家卓越工程技术人才工程的建设做出应有的贡献。

[1]何奥平，穆枭，胡治流，等.材料科学基础实验教学改革初探[J].大众科技，2011(1):136-133.

[2]解念锁.材料科学基础课程教学改革与实践[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2006(5):119-120.

[3]吴弘，孙广垠.素质教育背景下《材料科学基础》教学探讨[J].中国科教创新导刊，2007，465:21-22.

[4]万红，堵用国，白书欣.从“材料科学基础”课程的教学策略看中外教育的价值取向差异[J].高等教育研究学报，2011(1):51-53.

[5]解念锁.地方高校《材料科学基础》课程教学方法改革[J].河南科技学院学报，2010(10):114-116.

[6]田春燕，姜海.“材料科学基础”课程教学改革的探索与实践[J].装备制造技术，2010(2):203-204.

[7]张建新.“材料科学基础”本科教学的改革与实践[J].科技信息，2009(21):506，527.

[8]计云萍，任慧平.“材料科学基础”课程教学改革[J].中国冶金教育，2009(6):38-40，43.

[9]陈永红，鲍霞，魏亦军，等.应用型本科高校大化学类专业人才培养方案的构建与思考[J].淮南师范学院学报，2009(5):9－11.

[10]文桂林，陈永红，鲍霞.从材料化学课程看科研、生产与教学的关系[J].滁州学院学报，2010，12(5):71－72，82.

[11]庞超明，秦鸿根，张亚梅，等.材料专业本科实验教学课程设置的思考[J].实验技术与管理，2011，28(6):271－275.