新工科背景下材料类专业基础课程教学改革与实践探索

马爱琼，高云琴，任 耘，肖国庆，任金翠

(西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055)

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，探讨了新工科的内涵特征与发展路径。新工科建设思路为我国在新的经济环境下高等工程教育改革指明了方向。

一、课程概况

由于材料在高新科技领域中不可替代的作用，以及材料学的工程性和实践性特点，对从事材料专业的工程技术人员提出了更高的要求，比如扎实的专业基础知识将是培养学生的分析能力、解决材料领域复杂工程问题的综合素质、研发能力的基础。因此，在材料类专业的本科人才培养中，加强对学生的专业基础知识教育尤为重要。在以上新工科建设的背景下，材料学院专业基础课程教学团队对本学院的三门核心专业基础课程材料科学基础、材料工程基础、材料研究方法的教学模式及课程成绩评价方式进行了一系列改革，下面结合材料科学基础课程的建设模式进行具体论述。

二、教学改革与实践

(一)对课程教学内容进一步优化整合，明确课程教学目标

在材料科学基础课程建设前期，教学团队对建设方案进行了充分的调研论证，广泛征求了专业任课教师与学生的意见。结合部分专业任课教师反馈的意见，认为材料科学基础课程教学内容中的黏土-水系统胶体化学内容与后续学生所学专业课程如陶瓷工艺学、混凝土工艺学等结合紧密；同时通过与部分学生座谈了解到熔体与玻璃体内容相对更适合自学。鉴于以上原因，教学团队在课程建设中，果断对教学内容进行了优化整合，在授课环节，增加了黏土-水系统胶体化学授课内容，同时将熔体与玻璃体部分内容调整为自学。

同时，为进一步提高教学效果，教学团队还精心设计了调查问卷，发放给修读该课程的本科生，了解他们课程教学内容的掌握程度，并作为团队任课教师制订教学计划的依据。

2018 年底，西安建筑科技大学材料科学与工程专业通过了教育部组织的中国工程教育专业认证，为保证本专业的人才培养效果，教学团队认真制定了本课程的6个教学目标。

1.掌握基本的结晶学知识，掌握常见晶体的结构类型，晶体结构缺陷的特点、类型与应用，了解熔体与玻璃体的基本知识，引导学生能将无机化学、物理化学知识应用于晶体结构分析，培养学生具备根据材料的组成、结构选择合适的研究测试方法的能力，利用晶体结构知识研发新材料的能力。

2.掌握表面与界面的基础理论知识，使学生认识表面与界面现象在材料制备、生产与使用中的运用，使学生具备根据材料制备需要选择合理的表面与界面的能力。

3.掌握相平衡的基本理论，掌握相平衡的研究方法，培养学生判读复杂相图的能力，并通过具体案例分析，使学生认识到相平衡与相图知识在无机材料生产、制备中的重要作用，培养学生根据材料研发需要选择合理相图的能力。

4.通过扩散与固相反应基本理论的学习，使学生掌握质点扩散的微观机制、固相反应机理与动力学关系，在学习高等数学、无机化学相关知识的基础上，能理解相关公式的推导过程，引导学生从微观层面认识影响材料生产、制备的因素，并通过具体案例分析，培养学生具备根据材料生产实际需要选择合理的生产工艺的能力。

5.通过相变理论知识的学习，使学生掌握相变的基本类型，成核-生长相变的基本原理、相变的过程和影响相变的因素，能利用高等数学、物理化学知识，推导相变过程中相关公式，培养学生具备根据材料生产需要选择合适的相变机理的能力。

6.掌握烧结的基本概念，烧结机理、烧结传质动力学关系和影响烧结的因素，在所学高等数学、物理化学知识基础上，引导学生从微观层面认识烧结过程中所发生的物理变化，使学生具备根据材料生产的实际需要选择合适的烧结工艺的能力。

通过采取以上措施，教学团队对教学内容与授课计划进行了精心优化，调整后的教学计划与教学内容见表1。

表1 材料科学基础课程教学内容、目标与授课计划

(二)拓宽课程学习空间，建设材料科学基础课程网络学习平台

在课程建设前，材料科学基础课程教学主要以课堂教学为主，教学方法手段单一，即便安排有集中答疑辅导，但有时可能和学生上课时间冲突，效果不佳。因此，在本次课程建设中，教学团队倡导教学方法手段多元化，拓宽学生的学习空间。因此，依托学校提供的超星网络学习平台，建设了材料科学基础课程网络学习平台。将教学内容、教学日历、教学大纲、考核方式、实验指导书等都发布到课程网络学习平台上，并开辟有交流讨论区，学生可以随时平台预习或复习，在学习过程中有疑问可以留言，任课教师会及时解答。通过建设课程网络学习平台，将教学资源集中发布，拓宽了学生的学习空间，提升了课程学习效果。

(三)建设材料科学基础课程习题库，习题类型多元化

材料科学基础课程内容抽象难懂，如果课下没有一定数量的习题练习巩固，将会影响课程学习效果。因此，在本次课程建设中，教学团队在原有课后习题的基础上，重新收集整理了一部分习题，习题类型除常见的名词解释、问答题与计算题外，还包括填空题、选择题与判断题，并将一部分习题发布到课程网络学习平台上，建设了电子习题库，在课程教学过程中，教学团队定期布置课后习题与课程网络学习平台习题，要求学生在规定时间提交，并作为平时考核成绩的一部分。这种多元化的习题类型，几乎涵盖了所讲授的课程内容，可以方便学生课后复习巩固，提高了课程学习的效果。

(四)针对部分内容，制作授课视频与Flash 课件

材料科学基础课程理论性强，部分内容抽象难懂，光靠任课教师课堂讲授一遍，由于学生群体存在个体差异，有些内容学生很难一遍就消化掌握。针对这一问题，在本次课程建设中，教学团队罗列了课程中一些抽象难懂的内容，如球体紧密堆积原理、晶体结构知识、缺陷反应方程式的书写以及判读三元相图的几条重要规则等，精心制作了微课视频，并发布到课程网络学习平台上，方便学生根据自身的掌握情况，下载复习观看。这些课程建设措施的应用，极大地弥补了以往单一教学方式的缺陷，使课程教学方法手段趋于多元化，提高了学生的学习兴趣，取得了更好的教学效果。

(五)对课程实验内容进一步优化，增加综合性实验数量

材料科学基础课程中所涉及的理论抽象难懂，如晶体结构知识、相平衡知识等。如果单一依靠课堂理论讲授，不便于学生理解掌握，因此，本课程开设有部分实验课，但是，之前所开设的实验内容仅涉及晶体结构模型认识、表面张力测定与材料机理研究实验。为提高教学效果，教学团队在实践教学内容和教学方式改革中，一方面对基础实验教学内容进行了重新组合，为提高教学效果，对一些重点章节确保有相应的实验课开出。另一方面将拓宽实验内容，如在相平衡这一部分，将增加淬冷法研究相平衡综合性实验，通过本实验，将材料科学基础与材料研究方法课程的有关教学内容结合在一起，加深学生对相关知识的掌握。增开了“固相反应动力学研究”综合性实验，实验室在学院的支持下，结合工程教育专业认证的需要，增加了实验设备，保证每个学生可以亲自动手操作完成实验。通过以上实践教学环节的改革，加强了学生对课程中相关理论的理解，提高了实践动手能力，取得了更好的教学效果。除此之外，根据学生需要，将部分实验室资源面向学生开放，完成大学生创新创业训练计划项目、SSRT 训练项目，使课程教学与科学研究相辅相成，注重培养学生获取知识、运用知识、创新知识的能力。

(六)改革课程学习评价方式，增加学习过程评价比重

以往的课程考试，过于注重期末测试在总评成绩中所占比重，导致部分学生平时上课不认真，依靠考前突击通过课程考试。这加重了学生“为了考试而学习”的意识，不利于学生注重平时课程学习的过程管理。鉴于此，在本次课程建设中教学团队先后进行了两次考核方式改革，一是实行教考分离，任课教师不参与考试出题，保证考核题目客观公正；二是在2017 级学生的课程考核中，加大平时成绩的考核内容与考核比重，考核内容包括考勤、观看视频、课后作业、课程网络学习平台测验、课程小论文等环节，将考核贯穿于课程学习的全过程，降低了期末考试在总评成绩中所占的比例，且期末考核的内容均以主观分析题为主，这便于发挥学生学习的主观能动性，培养学生的分析、解决问题的能力。如图1 所示。这些考核方式的改革，有助于督促学生注重平时学习，严格要求自己；同时，通过课程小论文的提交，可以引导学生查阅与专业相关的文献资料，明确课程所学内容在专业领域的应用，进一步激发学生的学习兴趣，这些措施的实施，都极大地激发了学生的学习兴趣，收到了很好的教学效果。

图1 课程学习过程评价与期末评价的内容与比例

三、教学改革成效

近几年来，通过以上课程教学模式改革与实践，本专业学生对于专业基础课程的学习更加重视，专业素养有了很大提高。在评价要求相同的情况下，教学团队对比了近3 届材料科学与工程专业学生的期末考试卷面成绩。与未进行课程改革的2016 级学生相比，可以看到，学生对基础知识的掌握、分析解决问题的能力有了显著提高，卷面成绩优良率由2016 级的29.2%提高到2018 级的48.65%。不及格率由35.04%下降到18.92%，如图2 所示。这表明，通过改革教学模式，加强学习过程评价，激发了学生的内在学习动力，教学质量提升明显。

图2 近3 届学生期末考试卷面成绩分析

通过近几年的努力教学改革与实践，教学团队老师与学生的课堂内外互动进一步增强，及时引导学生学习，为学生答疑解惑，受到了学生的广泛好评。2019-2021 年以来，教学团队先后有两位主讲教师荣获西安建筑科技大学由学生评选的最受欢迎主讲教师荣誉称号。除此之外，教学团队老师还积极鼓励学生参加课外科研训练及学科竞赛等，构建了多元协同的适合新工科发展需求的教学、实践环节相互促进，具有创新性、可持续的材料类专业基础课程教学模式，目的在于通过这些训练，培养学生的创造性思维能力。在今后的课程教学中，材料类专业基础课程教学将进一步响应教育部提出的打造金课的号召，适应新工科教育对人才培养的要求，进一步加强课程建设，力争把课程建设为省级乃至国家级一流课程。