新工科背景下《材料科学前沿》课程创新人才培养教学实践*

严 岩，李 权，于 坤，刘晓魁，宋春林，刘 岗

(西南大学材料与能源学院，重庆 400715)

在新一轮产业与科技革命迅猛发展的大环境下，第四次工业革命其发展速度前所未有(以指数级计)。然而在此新形势下，特别是面对频繁金融危机的挑战与重振实体经济的需要，传统高等工程教育在诸多方面已远远落后于全球经济活动的步伐，“新工科”在此背景下应运而生，而我国高等工程教育若要在全球创新生态系统中抢占高点，就需要不断地创新和探索[1]。“新工科”建设主要涉及新的工程教育理念，即应有“大工程观”，具体而言，“新工科”所培养的人才应当具有创新创业能力、全球视野、跨界能力以及复合应用实践能力，特别是能够适应新技术、新业态、新模式和新产业[2]。因此，迫切需要人才培养的新理念和新模式的引导和支撑。

西南大学含弘学院自2011年已开始着手本科创新人才的培养，西南大学材料与能源学院从2017年开始设置“曾苏民”班，以强化“新工科”创新人才的培养。特别是自教育部2018年首批认定新工科研究与实践项目以来，新工科的“天大方案”、“成电方案”、“F计划”，以及为持续深化工程教育改革而实施的卓越工程师教育培养计划2.0等相关措施正在逐步改变高校教与学的行为、人才培养方案及评价体系，从而进一步地明确人才培养的新目标与要求[3-5]。据此，培养具有跨学科知识结构与创新能力的复合型工程人才已成为应对国际竞争新形势的关键问题。西南大学含弘学院以及西南大学材料与能源学院均涉及工科人才的培养，为秉承西南大学含弘学院“厚基础、强素质、杨个性、求创新”的育人理念以及西南大学材料与能源学院“学而不厌，锲而不舍”的育人院训，本文从《材料科学前沿》课程出发，着重就教学方法及考核方式等方面进行教学育人改革实践，以期实现从原来重基础的单一课程目标逐渐拓展为“坚实基础、国际学术视野和创新性思维”的多元化目标，为西南大学工科创新人才培养的新模式提供助力。

1 教学方法的改革

1.1 尝试合作教学

西南大学材料与能源学院近年来加大人才引进力度，逐步增强了材料学科以及相关交叉学科的师资力量。从《材料科学前沿》课程出发，充分考虑课程目标、课程特点等综合因素，规划统筹了该课程在创新人才培养方面的革新，特别设置了专题讲座环节。在此环节邀请了院士、学科领军人才、学院知名教授与优秀博士生共同参与讲授，借助最新科技成果、动态引起学生求知欲望使其能够向往进入材料学科前沿殿堂；通过与大师的接触，来传递前沿科学与技术理念，让学生能够感知科研问题的探索过程，感受科学研究工作系统而缜密的思维方式，从而潜移默化地影响学生，锻炼其科学的思维方式，逐步使其具有勇于探索的精神，并培养其创新能力。例如，在讲授应用于电容、传感及数据存储等领域的钙钛矿铁电体时，课程负责老师邀请了国内知名铁电领域专家，在讲授中生动地描述了经典钙钛矿氧化物和新型无金属钙钛矿铁电体的结构特征，深入浅出地介绍了利用NH4+替代钙钛矿中的金属位点并通过氢键组装得到了一系列无金属钙钛矿铁电体的分子设计原理，使同学们不仅巩固了铁电基础理论知识，也极大地引起了同学们对材料新奇特性的兴趣。

在上述环节结束后，通过调研与座谈发现学生对受邀人与讲授内容均表现出极高的兴趣，这对学生选择未来工作与深造方向、研究领域等具有积极的导向作用。同时，此环节的加入可很好地巩固学生现有基础知识并拓展其知识体系，使其能够较全面地了解材料学科及相关交叉学科发展的动态，逐步成为视野广阔、综合能力强的工科人才。

1.2 引入项目式教学

先前的《材料科学前沿》课程多数采取了传统的教与学的授课模式。此次我们进行了新的尝试，即设置了与项目引入相结合的方式，将课程理论知识与方法融入项目中，通过学生与教师共同完成一个项目来进行教学活动，使学生更加清晰地掌握材料科学及相关交叉学科的前沿动态并获取相关材料科学实验技能。

项目式教学其选题来源基于含弘学院“一对一”的学业导师制度以及材料与能源学院“新生”导师制度。采取导师建议，学生选择的形式。导师根据课程内容、课程目标并结合自己的研究方向提出2～3个综合性强且前沿的，能体现材料科学以及与物理、化学、电子、医学等学科交叉融合的项目课题，并提供相应的研究背景资料，以便学生在初步了解课题后进行选择。之后就是学生根据自己的兴趣与导师进行沟通选择，这基本实现了新工科中多学科交叉的目标。

项目选题确定后，先要对学生进行实验安全培训，使学生明晰安全操作流程明，明确实验安全制度。进入课题后，首先结合导师给出的研究背景，再次查阅文献资料，不断地丰富自己的理论知识对所选前沿问题有较为全面的认识，并以此为基础设计实验。与导师及相关领域的师生不断进行讨论，从多角度探究方案的可行性等问题。课题过程中，学生根据实验方案独立测试数据，并进行后期数据处理，期间学生及时与导师组沟通，探讨实验过程中出现的问题，并撰写总结，最终向《材料科学前沿》课程提交课程报告。上述环节能够有效地训练学生在材料学科资料搜集能力、发现问题能力、逻辑分析能力、数据处理能力、批判性思维能力、想象联想能力和写作能力等，同时也培养了学生跨学科研究所需要的方法、思维模式、有效沟通能力以及创新精神。

此环节的课程问卷调查表明，几乎所有学生都支持项目式教学方法。此外，在《材料科学前沿》项目式教学中，80%的学生依托课程进行的项目内容参加了包括国家级、重庆市级、西南大学校级、西南大学材料与能源学院院级大学生创新创业训练计划项目的申请，并获得了相应资助。这种项目式教学的方法既培养了学生材料专业的素养，同时又鼓励跨学科进行交叉融合；不仅重视实践教学，又提升了学生发现问题并解决问题的创新能力，这与新工科建设相辅相成。

1.3 发展信息化教学

信息化教学随着“互联网+”计划迅速发展，极大地推动了线上、线下混合式教学模式的不断更新，高校教学模式也因此逐渐向“互联网+”开放化、多元化体验式的教学模式转变。

通常信息化教学能有效提升学生的课堂参与度与学习兴趣，使学生从被动、表观的、记忆型的学习转变为主动、直观的、分析型学习，这对传统教学模式是非常有益的补充。

在进行《材料科学前沿》课程时，利用互联网上与授课内容相关的Ultra ever dry、液体盔甲等年度十大黑科技等相关材料来充分调动学生的学习兴趣，并提供相关的媒体课件、视频、动画、数据库等学习资源。例如借助软件绘制的光致晶格膨胀提高钙钛矿太阳能电池效率的3D空间结构动画，相较于文献教材中的平面结构更加有利于学生的理解，也便于学生课前、课后随时随地进行自主学习，从而有效地辅助课堂教学，并提高学习效率。同时还设计了任务单、提问栏，以问题为导向进行教学，可持续跟踪课堂与课后的疑难问题，如围绕钙钛矿太阳能电池商业化应用而急需解决的稳定性问题的任务单，其中设置了学生寻找解决具有ABX3结构又含有有机分子基团的杂化钙钛矿材料的稳定性问题的相关学习任务。而学生则需要通过数据库等资源检索相关文献并梳理后方能完成学习任务，即总结出提高稳定性的有效方法：一方面可通过替换材料组分或进行化学修饰从本质上提高它的耐湿性；另一方面可利用封装保护及采用疏水性电极来防止水分对器件的侵蚀。解决完上述问题后，课程中还可补充提出问题，如太阳能电池工作条件下连续光照产生的热量会加速产生杂化钙钛矿材料的分解和诱发离子迁移进而导致钙钛矿材料和器件性能衰减。如何有效抑制离子迁移成为解决其稳定性的关键？对此，可作为学有余力的同学的拓展学习内容，进而锻炼学生深入调研、独立思考开放性问题的能力。因此，混合式教学过程可实现教师与学生的信息交互，从而达到调动学生学习积极性、培养学生的科研创新思维、有效提高教学效果的目的。

课程问卷调查结果显示90.4%学生认为线上、线下混合式教学能够提升对课程内容的学习兴趣；96.3%的学生认同混合式教学能通过自主学习提高学习的效率，解决了前沿课程涉及的教学内容多、范围广而课时少的矛盾；96.3%同学认同混合式教学可有效拓展交叉学科专业知识。同时，授课过程中教师也根据学生的兴趣反馈，对教学内容、专题讲座及项目教学课题进行了优化，进一步突出了信息化教学以学生为核心的多元化、开放化的教学特点，获得了良好的教学效果。

2 考核方式的改革

在新工科的大背景下，课程教学方法的转变必然带动相应考核方式的更新，为更好地促进西南大学工科创新人才的培养，非常有必要建立一套多元化、与时俱进的学生成绩综合评价机制。《材料科学前沿》综合成绩组成中，以综合性、开放性题目为主的开卷考试其卷面成绩占综合成绩的30%；在学业导师、课程老师指导下完成的实践项目其成绩占40%，包括学生行课期间的实验项目的方案、进展汇报、数据处理与分析情况、答辩质量等方面；此外，还包括专题报告、课堂互动、回答问题等方面占30%。

总之，通过考评教学过程中各个环节，保障了课程成绩评价的科学性与客观性，从而为工科人才的培养提供助力。

3 结 语

本文以《材料科学前沿》课程为例，针对新工科材料学科特点以及多学科交叉特色，通过引入合作式教学、项目式教学、信息化教学等多种模式，针对新工科的创新人才培养做出相应的教育教学改革，具体包括教学内容、教学方法、考核方式等多维渠道的革新。合作式教学是学生接受初期工程训练，培养创新能力的有效途径；项目式教学贯穿课程教学的全过程，必将有效促进新工科背景下人才培养核心目标的达成，同时也是加快课程建设、培养创新复合型人才的有益尝试。再者，本课程多元化、灵活的实践实施途径和评价方式，可以培养学生解决问题的能力、自主学习的能力及创新创业的能力，这必将有利于实践多元化的创新人才培养模式，完善实践教学体系，为材料工科人才培养目标的达成提供有效支撑。