新能源材料发展背景下“材料科学基础”课程教学改革探索——以新能源材料与器件专业为例

罗 文，王文广，王乃光

(广东工业大学 材料与能源学院，广州 510006)

1 引言

化石能源的日益枯竭和对环境的愈来愈严重的污染导致了能源危机，限制了社会的高速发展，影响了人们的生活质量。如何高效地开发和利用新能源技术和材料，已成为当今世界科学家们所面对的重要挑战[1]。新能源材料与器件专业就是在此背景下产生的，属于材料科学与能源领域相结合的新兴交叉学科。在科学技术高速发展和知识信息爆炸性输出的当今社会，如何科学和有效地培养本专业的学生是我们授课教师所面对的难题。

《材料科学基础》是材料类专业人才培养的必修专业基础课程，也是后续所有材料类专业课程的学习基础[2]。本课程同样也是新能源材料与器件专业的重要核心课程，承担着连接基础科学知识和专业领域知识的桥梁作用。学生通过学习了解材料学科领域的基本概念和原理、材料的结构特点和性能、材料加工应用方面的知识等，为以后的深造和相关工作打下坚实基础[3]。但由于本课程理论性强、抽象概念多、数理分析深和理论联系实际难，致使学生的理解和学习的难度增大，这给授课教师的课程教学带来了严峻的挑战。

而且，在我国着力建设和发展新能源技术和材料的大背景下，传统的“灌输式”授课方式和受限于教材的授课内容凸显其局限性，教学方法和教学内容亟需整合和优化，教学手段有待增加和融合，以提高教学质量和培养学生的学习和创新能力，为高速发展的新能源技术和新材料应用输出高素质创新型复合人才[4]。

因此，对于新开设的新能源材料与器件专业，其第一门专业基础课《材料科学基础》显得尤为重要。然而，传统的教学方式和教学内容难以适应高速发展的新能源技术和材料领域，无法满足本专业人才的培养要求，相关的教学改革迫在眉睫。结合广东工业大学新能源材料与器件专业的培养要求，依托本专业的师资优势和科研平台，我们针对材料科学基础的教学方法和内容、教学手段、交流互动以及创新实践等方面进行了一些改革和探索，在教学质量上取得了一定成效，并对未来的课程教学实践提出了改革规划和展望。

2 《材料科学基础》教学存在的挑战

根据培养方案，新能源材料与器件专业的《材料科学基础》课程为64学时，考虑到教学内容繁多和理论知识面广泛等问题，课程教学在教材选择、教学内容、教学方法和手段，以及理论与实践相结合等方面面临着诸多挑战。

2.1 现有教材和教学内容的侧重点难以满足本专业的需求

《材料科学基础》已有多版经典教材，但这些教材的侧重点仍偏向于金属学知识，如晶体学基础、晶体结构和缺陷、相图等，其他方向知识点涉及较少[5]。目前，大多数教师的教学内容主要讲授金属材料的相关知识，对其他知识领域涉及甚少，致使学生存在知识面较窄、知识结构单一等局限性，不符合新时代高素质的创新型复合人才培养要求。而且大多数教师局限于课本，很少讲授学科前沿的内容，尤其是新能源领域的研究和发展。如何科学地选择教学材料和合理地安排教学内容是本课程教学的一大挑战。

2.2 简单“灌输式”教学模式限制学生的学习积极性

《材料科学基础》是理论教学的课程，包含大量基本概念、基本原理和重要公式。目前，大多数的教师采用PPT文字讲授、学生被动接受的简单“灌输式”教学模式。此类教学模式难以调动学生的学习积极性，导致学生记忆和理解出现困难，从而降低了教学质量和学习成绩[6]。如何改善教学模式，增强学生的学习积极性，从而有效地提高教学质量是本课程教学另一大挑战。

2.3 理论知识和应用实践难以有效结合不利于创新人才培养

《材料科学基础》是一门内容丰富、难度高的理论课。传统的教学模式偏重于传授理论知识，难以将理论知识拓展到实践应用层面，缺乏实际应用的展示和创新实践锻炼，不利于培养创新型综合人才[7]。如何让学生更好地理解和吸收所学理论知识，同时增强学生的创新实践能力是本课程教学的又一大挑战。

3 《材料科学基础》课程教学改革

我们对于《材料科学基础》课程的教学改革包括多个部分，如教材的综合选择和教学内容的优化、教学方式的改进、创新实践的锻炼等。

3.1 基于新能源材料的知识拓展，整合多重教材和优化授课内容

《材料科学基础》是多学科交叉的课程，涵盖金属学、无机非金属学、高分子学等领域。根据培养目标的要求，本课程教学内容的确立取决于教材的选择与整合。如何选择和整合教材以及优化授课内容是本课程教学改革的首要条件。

我们对国内现有经典教材进行了审视，发现不同版本教材的内容和结构差别明显。其中，北京科技大学余永宁版内容详实，但授课内容繁多，所需学时过多；西北工业大学刘志恩版内容偏少，所需课时较少，适合化工类专业；清华大学潘金生版内容丰富，讲述深刻，但学生理解困难；上海交通大学胡庚祥版内容充实，难度适中，知识点广泛且所需课时不多。

我们比较发现，基于培养目标和教学课时，单一教材难以同时满足泛材料学科的知识需求和新能源材料发展的补充教学。因此，我们选择上海交通大学胡庚祥版为基本教材，适当结合其他版本的资料作为辅助教材，以及将新能源材料领域的科研资料进行整合补充。在保证多学科知识面和内容深度前提下，优化授课内容，突出重难点并减少繁冗的知识讲授。通过精简部分理论知识，增加对应学科的前沿科研进展内容，教材内容得到合理地整合与优化，学生的学习兴趣和理解能力得以有效提高。比如，在讲解共价晶体结构中金刚石部分，适当地补充其他碳材料作对比和补充，包括具有优异性能的碳纳米管、石墨烯和富勒烯。简单描述这些材料的结构和特点，介绍这些材料在新能源材料领域的应用进展，例如在锂离子电池、钠离子电池、太阳能电池等领域的实际应用。这种知识拓展可以有效地增加学生的理解能力和拓展学生的知识面，同时提高学生的学习兴趣。

3.2 基于一体式多媒体教学和增加师生互动交流，提高教学质量

《材料科学基础》是一门理论性极强的课程，传统的简单“灌输式”课堂教学模式已不能适应当下学生的学习要求和培养目标。而且，本门课程中的抽象概念和复杂公式偏多且难理解，简单的文字表述增加了课程教学的难度并严重影响了学生的学习积极性和课程的教学质量。如何优化教学方法和教学手段，有效地提高教学质量，是本课程教学改革的核心基础。

我们基于一体式多媒体教学和知识拓展，采取多种教学手段和教学方法进行调整和优化，增强了师生交流互动，以此提高学生的学习积极性和改善教学质量。具体的教学改革包括但不限于以下内容:(1)我们在教学中充分利用文字、图片、动画和“微课”视频于一体的多媒体教学，形象地表述了各种基本概念和理论、晶态和非晶态材料的结构和特点等。该方法凸显了教学的多模态性，能够调动学生的多种感官，有利于学生对知识的深入理解。例如，我们在讲解晶体的对称性时，发现关于对称元素和对称操作的描述比较抽象，学生理解困难。因此，我们在PPT中增加一定的动画和视频来展示相关概念和操作，同时补充简单的数学推理解释了对称轴仅有五种的原因，利于学生更深入地理解晶体对称性相关的知识；(2)我们在教学中转变教师角色，将传统教学的单纯“知识灌输者”转换为课程计划“设计者”、知识探索“引导者”、学习资源“提供者”、讨论活动“组织者”以及学习过程与效果“评价者”等等，充分发挥教师的积极引导作用，通过同伴协商、小组讨论、微信交流探讨群等方式进行课堂或课后互动交流，提高了学生的交流能力、合作意识和思维品质。例如，我们在讲解晶向和晶面指数部分内容时，抽出少量时间让学生在课堂上阅读晶向和晶面的概念，以及晶向指数和晶面指数的意义。通过分组协作，让学生们自己尝试画出一些重要晶向和晶面，再通过课堂动画教学实例，增加学生对相关知识的学习和理解程度。再如，我们在讲解离子晶体结构的理论部分后，让学生课下提前阅读和学习几类典型离子的晶体结构，分组让部分同学在课堂上展示自己的对某一类晶体结构的理解，其他同学进行提问和深入讨论，以此增强课堂的交流互动，提高学生学习积极性和理解能力；(3)我们在教学中通过生活中的实例讲解重点知识，增加了教学的趣味性，提高了学生的学习兴趣和理论联系实践的能力。比如，我们在讲解分子间作用力时，以“壁虎爬行”作为实例：壁虎具有数百万根次纳米级的细毛，毛发前端又有上百到上千个微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，能和接触的物体表面产生很微小的分子间的作用力。当壁虎脚上所有的细毛都与固体表面充分接触时，所产生的巨大粘着力可以吸附相当于两个成人的质量；(4)我们大量减少文字陈述和繁冗公式推导，突出讲解各学科领域重点知识和核心基本公式，建构课堂基础例题和课后拔高题库，提高了学生对知识的学习和掌握能力。比如，我们在讲解晶面间距公式时，着重突出了立方晶系的计算公式，在课堂给出了面心立方晶系中特殊面间距的基础例题，布置了对应面致密度的课后拔高练习题，加深了学生对面间距和面致密度的理解，同时增加了对重点知识的记忆和锻炼，为最终的复习和考核提供了学习资料库；(5)我们改变了授课时间和课时安排，减少了期末考试在总成绩中所占比例，增加了形成性评价的比重，进一步提升了学生的课堂互动和课后交流积极性，教学效果得以显著提高。比如，最初的授课时间安排在大一下学期，仅有32学时。经过实际教学和反馈，我们考虑到授课内容和学生基础的联系，将授课时间调整为大二上学期，课时增至64学时。届时学生已经学习了高等数学、线性代数、大学物理、物理化学等相关课程，有了一定的知识储备，而且增加课时有利于更好地完成授课内容。此外，我们适当调低了期末考试在总成绩中的比例，鼓励学生多参与课堂互动和课后交流，强调对知识的理解和运用过程，使教学质量进一步得到提升。

3.3 基于优质师资队伍和科研平台，培养创新和实践训练

新能源技术和新材料开发日新月异，材料学科的发展必须与时俱进。如何在教学过程中，提高学生的学习积极性和理解创新实践能力是最终的目标。

本课程涵盖学科内容广泛、理论知识繁多，单个教师的授课难度较大，难以满足本专业的培养计划和教学要求。广东工业大学本专业的教师都是来自国内外知名大学的博士，在不同的学科领域(如材料学、材料物理与化学、高分子化学与物理、纳米科学与工程等)具有丰富的理论知识和研究经验。

因此，我们选择不同专业背景的教师组建教学团队，共同授课，形成优势互补的针对性教学。一方面，任课教师结合自身的专长和见识，从不同视角阐释学科理论，丰富学生的知识，拓展他们的视野。例如，我们让具有金属背景的老师着重讲解晶体的知识，让具有高分子背景的老师重点讲解聚合物的知识，让具有无机非金属背景的老师主要讲解陶瓷和纳米材料的知识；另一方面，任课教师根据自身的专业研究经验，对理论知识在科学研究和实际生活中的应用进行生动解读，增强学生的专业兴趣，培养他们的应用能力。例如，我们在讲解钙钛矿型结构时，可以介绍其在太阳能电池领域的应用，拓展学生的知识面，明晰结构对性能的影响。

此外，充分依托新能源材料与器件专业教师科研团队优势，培养学生的创新能力。我们鼓励学生分组进入各个教师的科研团队，进行创新实验的学习和锻炼，深入学习和实践新能源材料的研究和应用，实现“线上+线下”的混合教学，以期增强学生们的实践能力和创新思维，为他们今后成为优秀的创新型复合人才奠定了理论和实践基础。

4 结语

以上是我们近几年对材料科学基础教学改革的一些探索和实践，主要包含选择和整合教材、优化教学内容、改革教学方法和建设师资队伍，倡导学生主动参与、积极互动交流，采用一体式多媒体教学提高教学质量，以及基于科研平台实现创新和实践训练等方面。从教学评价和教学结果反馈来看，学生的学习兴趣和积极性整体得到提高，与老师们的互动交流明显增多，对重点知识的掌握程度显著提高，理解、思考和创新实践能力有所增强，较好地达到了课程建设的预期效果。当然，《材料科学基础》教学改革是一项系统工程，需要长久的努力和不断的实践。在今后的课程教学中，我们将继续深化和完善改革，提高教学质量，比如进一步优化授课内容和课件、适当增加重难点知识的“微课”视频、建立和完善网络学习试题库、增加课后交流探讨方式等，以期更好地实现具有创新能力、高素质的创新型复合人才培养目标。