以创新为目的的民族高校材料科学与工程基础课程教学模式的探讨 *

孙 朗，张爱清

(中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

*收稿日期：2013-12-20

引言

材料科学是一门较新的学科，直到20 世纪50 年代末才被明确提出，是以揭示、研究固体材料性质规律为主的一门科学。进入21世纪，材料科学已经与能源科学和信息科学并列为现代科学技术的三大支柱。“材料科学主要包含两个方面：一是对材料内在规律的发现、分析、研究、认识，二是对材料进行设计及控制，已达到应用的目的。”[1]由于材料科学将材料作为研究对象，因此其对国民经济的发展进步以及高新技术的发展都有着极为重要的意义。但是“形势比较严峻的是伴随着新材料产业的迅猛发展，我国缺乏具有创新性、自主知识产权的关键技术，新材料产业的发展基本上‘受制于人’。”[2]创新是一个国家和民族进步的动力之源，新时代所需要的人才类型是多样化、个性化和具有创新精神的。作为教育体系中最重要的一环，如何培养学生的创新精神并激发学生的创造性是大学教育所必须直面的问题。因此，为了满足当前社会各方面的需要，培养和造就全面型、综合型、智能型、创造型材料类高素质人才是当下材料类高等教育的核心目标。

不能否认，随着科学技术的发展，民族高校“材料科学与工程基础”课程的教学在新的历史条件下面临着前所未有的挑战，碰到了许多难以回避的新问题和新情况，传统单一的“灌输式”教学方法，不利于培养学生在实际生活中解决问题的能力。这里作为材料相关专业重要基础课程之一的“材料科学与工程基础”正面临着以加强基础、拓宽专业知识面和加强实践训练为主要目的课程改革。如何在民族高校材料科学基础课程的教学中培养学生的创新能力，成了教学改革的重要课题。为切实解决这些问题，切实巩固和提高教学质量，笔者结合自身在中南民族大学的授课经验，探讨“材料科学与工程基础”这门课程的教学模式，并对民族高校中“材料科学与工程基础”的教学进行探讨。

一、民族高校“材料科学与工程基础”特点与教学现状

民族高校的学生多数来自少数名族地区，由于我国经济文化发展的不平衡以及民族文化的差异，民族地区的教育条件及教育水平相对较为低下，实践教育环节的缺失十分严重，因此绝大部分少数民族学生理论基础相对较为薄弱，底子差，他们对抽象理论的理解较为困难，创新意识和实践能力较差。由于民族高校生源60%以上都是以来源全国各个地区的少数民族学生为主体，因此存在着学生入学成绩分数差异较大，基础薄弱，贫困生较多，学习情绪与状态不稳定等实际情况。民族高校学生由于风俗习惯、语言文化等方面的差异，他们往往产生心理上的恐惧，不愿意与其他民族学生交往，他们学习积极性和主动性都有待提高。如何培养民族高校学生成为具有扎实的学科基础、富有创新精神和丰富实践能力，是摆在我们面前的一个长远课题。

以中南民族大学为例，该校是华中地区最重要的部属综合性院校，直属国家民委事务委员会，具有学士、硕士及博士学位的授予权，是为国家培养高素质、应用型人才的重要基地，同时也是研究与展示我国民族理论和民族政策的重要基地。在进行“材料科学与工程基础”这门课程的教学时，笔者鉴于上述民族高校学生的生源特点，一般高校的教学方法无法适应课程教学的需要。不论是对汉族学生还是少数民族学生而言，创新应该是人才培养的永恒目标。面对基础参差不齐的教学对象，如何调整教学思路，建构符合民族高校、并以加强基础、注重创新能力培养为目的的教育教学模式，是目前面临的最大难题。鉴于该课程对材料科学相关专业人才运用理论知识解决实际问题的能力的培养、创新能力的培养、科学思维方法的培养和整体知识结构的构建具有奠基作用，结合我校的实际，笔者把“材料科学与工程基础”课程定位为基础理论知识与实践应用过渡的桥梁，从教学方法和教学内容两大方面进行了改革与优化整合。力求使学生通过对这一课程的理论学习，在掌握材料科学基础原理的基础上，学会运用这些基础理论知识来解决实际问题，并为将来工作过程中研究创造新材料和新工艺打下良好的基础。

二、民族高校“材料科学与工程基础”课程教学模式优化

“材料科学与工程基础”课程建设和改革的指导思想是在满足应用型工科专业的人才培养目标及模式的基本要求前提下，按照“基础适度、口径宽广、应用为先”的教育理念，向高年级本科生详细介绍材料结构的基础知识、不同种类材料的组成和结构、材料的性质和制备加工等方面共性和特性的一门基础学科。但是，由于材料科学作为一个综合性学科的特点，该课程涉及到从物理学到化学，从金属学到高分子等多个学科，内容涉及面积极为广泛，因此，对学生的相关基础知识的掌握有着较高的要求。然而由于课时限制等客观因素，教师只能在课上对相关知识点进行简单介绍，而无法对其进行深入讨论。体现课堂上则表现课程内容多为概念和规律的讲述，不同章节之间跨度较大，知识体系的难以构建，这导致学生普遍感觉此门课程的教学内容枯燥、抽象、难学。考虑到目前的教学现状，笔者认为从教学方法和教学内容两方面进行教学模式的优化势在必行。

1.教学方法的优化

教学方法直接影响着教学质量和人才的培养，科学的教学方法可以有效地培养学生的创新意识，并增强学生的创新能力。由于“材料科学与工程基础”本身的特点，其课程以相关知识的介绍为主，传统的教学方式主要是以教师为主导开展的，导致了在授课过程中容易陷入以教师为主的“满堂灌”的模式。这样不仅不利于学生对知识的掌握，还极大压制了学生自主创新能力的发展。笔者认为，应从以下三个方面进行教学方法的改善。

第一，贯彻“教为主导，学为主体”的原则组织课堂教学，采用启发诱导式的上课模式。在“材料科学与工程基础”的课程中，结合课程内容通过启发诱导式教育可以有效地引导学生思考，从而促进学生创新思想的涌现。启发诱导式教育还以加强教师与学生之间的互动，有助于提高学生的学习兴趣和积极性。我们知道，“材料科学与工程基础”这门课程的教学主线是通过从对原子的介绍开始，进而对原子组成的分子或晶胞结构进行讲解，并在此基础上对不同材料的显微结构进行分析，并最终对材料的性质给予归纳总结，那么在授课时，老师可以先提出问题：如果世界末日到来了，只可以留下一句话给后来人，那么你们选择那句话？在学生讨论的基础上，老师给出答案：物质是由原子构成的，从而引出教学内容。在介绍晶格结构时向学生提问：物质中原子既然有相互之间的作用力，那么它们怎么待在一起？回答这个问题同时既可以将晶格内容引出，也可以为之后对非晶材料讲解埋下伏笔。在对晶格介绍过程中对比金刚石和石墨的巨大不同，亦能进一步引发学生的兴趣，促进学生的讨论和思考，并与学生形成互动。

第二，在启发诱导式的上课过程中，开展讨论式教学，特别是在教学过程中当学生们对某个问题持不同观点时开展，将单一课堂教学转为多形式的互动交流。具体措施是将学生按班级分成几个小组，提前给每一组分配一个问题，先让学生互相讨论，发表自己的看法，共同完成对这个题目的讨论， 然后在之后的课堂上，每组选一个代表给全体同学讲解本组对这个问题的看法。老师将会对同学们的表现进行客观的评价，并引导学生在讨论中加深对题目所涉及的理论知识的理解。让学生在思考和讨论的基础上发现和提出问题，一方面有利于学生加深对基础知识的掌握，调动学生学习积极性，使他们由单纯的知识接受者变为主动的探索者，另一方面更是有助于锻炼学生的语言表达能力和逻辑思维能力。再如，教师在课堂可以为学生提供一些诸如“为什么欧洲会全身铠甲而中国没有”或者“黑四代为什么是黑色”之类的讨论题目，来锻炼学生自学能力、培养学生分析问题与解决问题能力，同时加深学生对所学知识的理解与应用。当然，教师也必须预留充分的时间来组织讨论式的课堂讲授，在授课过程中，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，学生也能在讨论的过程中提出问题、发现难点，这样的课堂才是有生命力的、活跃而有效的。

第三，传统“板书”教学与现代多媒体教学的完美结合。不同教学内容的讲解决定了教师将会采用不同教学手段。对于一些基本理论和公式的讲解应使用板书方法，传统的板书讲解不仅能让学生全程见证理论和公式的推导，更可以通过给予学生充分的理解反应时间来强化记忆。可以说，教与学之间的互动在传统的板书过程中体现得更为明显。对于复杂的图示演示，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等可以多用多媒体的三维动画来更形象和生动地进行来演示，学生通过简单化、通俗化的虚拟形式深刻理解和掌握抽象的理论，大大激发学习的兴趣，同时也加强了课本知识与实际生活的联系。但凡事过而不及，多媒体教学只是一种手段，如果在授课过程中大量采用多媒体教学，则有可能导致师生情感交流减少，教师无法很好地掌握学生的心理动态。另外如果一味地应用多媒体授课，学生也会因为课件变化快、公式过多而难以消化，大大降低学习积极性。因此，在材料科学基础的授课中，应将多媒体课件与板书结合授课，取长补短。

2.理论教学内容的优化

“材料科学与工程基础”是学生全面接触专业领域、从基础课到专业课的过渡课程，具有概念多、学科知识面宽、应用基础理论广的特点，有相当的难度。”[3]目前，中南民族大学的材料科学基础课程使用的是由化学工业出版社出版的顾宜主编的《材料科学与工程基础》。这一教材基本内容基本概括了从结构基础到材料的制备与成型加工各个方面的基本知识，但是该课程的教学仅安排了36个学时，导致在教学中授课内容的深度与广度之间巨大的矛盾。中南民族大学作为民族类一本院校，其化学与材料科学学院中专业是按二级学科进行课程设置，“材料科学与工程基础”作为材料化学专业以及高分子材料与工程两个专业的基础课程。虽然材料化学与高分子材料与工程专业培养方案上具有一定的相似性，但由于材料化学专业特点对 “材料科学与工程基础”课程的理论知识有较好的基础，但对材料的制备以及成型加工了解较少；而高分子材料与工程专业则对包括量子力学基础在内的相关知识在其它课程中并没有涉及。然而，社会需要的人才正向着复合型人才发展，材料学科也正向着功能型和复合型的方向发展，因此为了满足社会对材料类人才的要求，培养人才应具有大材料专业的理论基础，同时考虑中南民族大学化材学院的特色，故必须对材料科学基础的教学内容进行合理的优化和整合，构建具有自己特色的化学科学材料基础的教学。

材料科技基础课程内容十分丰富，其核心在于对结构的认识以及结构对性能的影响。材料科学的性能是由结构决定的，而结构的体系庞大，各部分具有各自的特点，对于学生而言，会感觉这些结构与性能的概念，公式多，他们之间好像缺乏一条将各个方面的知识联系起来的主线。因此通过教学内容的精选和章节顺序的安排，搭建一个合理的材料科学基础的教学平台，就显得尤为重要。根据中南民族大学材料化学专业以及高分子材料与工程专业材料科学基础课程的培养目标，对教学内容进行了优化整合，将课程教学内容分为三部分，第一部分材料结构部分，主要是介绍如何从原子组成各类材料的内在规律，材料结构上的变化规律以及不同材料在结构上的特点；第二部分材料性能部分主要介绍材料的相关性能以及材料性能与结构之间的关系；第三部分材料制备部分，介绍各类材料的制备方法以及金属和高分子材料的成型加工工艺。对高分子材料与工程专业学生而言，需要较多的时间在第一部分来补全相关知识的不足，而最后一个部分的讲授内容可以相对减少，而对材料化学专业学生而言则是相反。

另外，材料科学基础这门课程与材料领域最新的生产科研紧密相连，因此在传授课本上理论知识时，有选择地将材料领域一些新的研究成果引入课堂，使教学内容紧跟学科发展前沿，将有助于开阔学生知识视野，增强学生对这门课程学习的兴趣，也使课堂增添活力。如在讲金刚石和石墨的晶体结构后补充讲解碳纳米管和石墨烯的结构，在讲授固体表面结构时可补充介绍表面对材料催化性能的影响。还可以通过一些量子计算软件引入课堂，比如在讲授成键时将采用DFT软件计算离子晶体(NaCl)、共价晶体(金刚石)以及金属(Al)的电子分布展现给学生，或能带结构与导电性能的关系时，将采用DFT软件计算得到的典型的导体、半导体，以及绝缘体能带结构展示给学生，这样不仅使学生对相关理论知识有了较为直观的认识，同时还提高了学生的科研兴趣。在教学中，教师也可以讲授自己的科研成果和相关领域当前的科研发展动态，将教学与科研结合起来能很大程度上激发学生的学习积极性，让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，同时提高学生的创新动力。

另外，严格的教学机制的建立也很重要，包括前期制定和执行授课计划、备课教案、教学日志、课堂作业考试方式等。传统的考试方式以试卷考试为主，导致很多学生考试考死记硬背，很难真正掌握所学知识，更不用说对知识的灵活运用，还应考核学生探索知识和运用知识的能力。可以包括三个方面：一是学生的平时成绩，包括学生的出勤率、课堂上参与讨论和作业完成的情况；二是学生获取知识的能力，包括课堂的讨论的活跃度。三是期末考试，其中基础理论知识占50%，应用分析占30%，综合占20%。

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、新工业也不断出现并投入实际应用。为适应经济发展，解决目前客观存在的尖锐的毕业生供需矛盾，培养具有较强的理论基础、能满足实际应用需要的创新性人才，使材料学科的毕业生能更好地适应社会，为产业界服务，成为民族高校学生创新精神和创新能力培养系统最重要的目标。基于民族高校的办学培养目标、专业现状以及学生特点，笔者认为，通过以上教学改革方案的实施，教学方式由教师启发诱导式讲解与学生讨论有机结合，利用传统板书教学与多媒体教学相结合，并对教学内容进行优化整合，能够让学生在有限的教学课时中掌握和理解理论性较强的专业基础课的核心内容，并激发学生学习材料科学基础的积极性、主动性。面对新的历史机遇与挑战，要想培养民族高校学生强烈的创新意识和一定的创新能力，需要转变观念，针对学生特点建立一套创新人才的教学体系，并为他们提供能够实现创新的学习氛围和进行创新实践的舞台，才能为民族高校的发展和材料型人才的建设做出应有的贡献。

参考文献：

[1] 代凯. 大学本科材料科学基础课程教改初探[J]. 牡丹江师范学院学报(自然科学版)，2011，(1)：66.

[2] 李义春. 中国高校材料教育现状与面临的挑战[J]. 材料导报，2005，(2)：4.

[3] 王章忠，张祖凤，巴志新. 应用型本科《材料科学基础》课程建设与改革[J]. 南京工程学院学报，2005，(2)：66.