新工科背景下《材料科学基础》课程项目化教学的探索

张克营，张 娜,王红艳，王 聪，李发骏

宿州学院化学化工学院，安徽宿州,234000

“新工科”概念是经过工科发展经验的积累逐渐被认识的。我国教育部高教司经过多次的讨论和酝酿，确立了推进“新工科”建设和发展的规划，制定了我国工程教育改革和服务产业专业转型发展的指导性意见。众所周知，我国正在实施以创新为核心的发展机制，提出了如“中国制造2025”等重大战略。为推进我国重大战略的实施，必须实现关键核心技术的突破发展，而突破核心技术的关键是培养适应新工科发展的关键人才[1]。因此，强力推进高水平大学的建设，提高新工科要求的人才培养能力，服务我国新时期发展需要，是目前高校的重要使命和责任。以地方高水平大学建设为契机，在新工科建设的大背景下，改革高校的教育教学方法，引入新的教育理念，推动新理念在传统工科专业教学中的生根发芽是地方高水平大学建设的重要内容[2]。随着经济的发展，世界能源危机问题逐渐显现，近年来，新能源材料逐渐引起人们的关注，通过新能源的开发和高效利用可有效解决能源危机的现状。很多国家都将新能源材料作为一个重要的学科，强力支持该学科的发展。我国在学习先进的学科建设经验的基础上，教育部在2011年将新能源材料与器件专业设为一门新兴的学科来发展，目前该学科含材料、能源、化学和物理学等多个学科的内容，是一门新兴的交叉学科[3]。宿州学院作为安徽省一所地方应用型本科高校，积极响应国家的号召并以此为契机，通过多方论证，设置了新能源材料与器件专业，并于2017年开始招生，目前拥有2017级、2018级和2019级三个年级共计近200位学生。《材料科学基础》是新能源材料与器件专业的专业课程，对于扎实学生的理论知识，培养合格的工科人才具有重要的意义。该课程主要以固体材料为研究对象，主要包括原子结构基础、晶体学基础、晶体缺陷、合金、材料的形变、回复、再结晶、扩散、相图、高分子材料等相关内容，主要阐述材料的组成、性能、机械加工等。宿州学院《材料科学基础》课程开设在大二上学期，课时设置为72学时，同时开设有36学时的材料科学基础实验，课程的设置具有承上启下的作用，对于提高本专业人才培养质量意义重大。

1 材料科学基础课存在的问题

新能源材料与器件专业培养的本科生主要服务面向国家战略性新兴产业，如新能源、新材料、节能环保等产业。该专业培养的人才不仅要具备坚实的化学相关基础知识，还要能系统掌握材料学科的理论知识，特别要掌握材料的工艺制造及测试技术等基本技能。《材料科学基础》作为新能源材料与器件专业的基础课程，课程地位至关重要。但随着新工科的提出和国家战略性新兴产业的发展需要，该课程在一定程度上已不能满足新形势下的需要[4]。

1.1 现有的教材普遍存在研究内容窄的问题

《材料科学基础》课程的教材版本较多，但目前使用的教材版本多数是基于《金属学与热处理》发展而来，学科的发展基础是金属科学。很多高校如清华大学、中南大学等使用的教材都有《金属学与热处理》的“印记”。随着材料科学的发展，如高分子材料、超导材料、半导体材料等新型材料不断涌现。越来越多的新型材料需要进行研究，需要向学生教授相关材料的知识。这使得《材料科学基础》教材偏重于金属材料相关性能的介绍，而在新型材料领域介绍得不够详细。尽管教材融入了部分新型材料的内容，但从新工科的角度来看，目前一些地方应用型高校在该课程的材料分类和靶向教育方面还存在欠缺，还不能适用培养高质量的专业性的材料学高级人才。因此，以现有教材为基础开展教育工作，无形中会导致课程教学内容过于狭窄，不能适应新形势下新工科发展的需要，亟待改革。

1.2 课程教学方法与专业的要求不协调

“新工科”作为一种新的教育教学理论，产生、发展还处在一个初期阶段，还没有形成一套十分成熟的体系。冠以“新工科”称谓的很多课程是在“理科课程”的基础上发展形成的。导致该专业目前很多课程的教学仍然没有摆脱传统教学方法的束缚，显得过于“理科化”，没有体现“新工科”的特点和功能。主要表现在教法单一，过多强调基础知识和公式推导，板书和传统PPT应用比例过大，而视频、动画等现代教学技术应用偏少，先进科学技术渗透较少，不利于提高学生的学习兴趣和教学效果。

1.3 课程内容与现有科技成果脱节

人才培养的质量能够充分反映一所高校的综合实力，而高质量的人才培养不仅在于掌握丰富的理论知识，更应重视提高学生的综合素质。当今社会正处于科技日新月异、突飞猛进的发展时期，对课程教学内容提出了更高的要求。传统的课程内容与现有科技成果的鸿沟较大，特别是最新的新能源材料与器件相关的科技成果、工程技术的发展引入过少，导致部分学生在思想上不重视现有科技的发展和生活的密切关系。

1.4 课程的师资队伍建设滞后

为顺应“新工科”发展需要，各高校开办了很多新兴专业，新能源材料与器件专业就是其中之一。由于该专业是一个新增的专业，在教师数量、学缘结构等方面或多或少存在一些问题。很多高校的《材料科学基础》的教师是从其他专业调拨来，由于长期从事其他专业教学，有些教师在教学方法上无法适应《材料科学基础》课堂教学，教学效果不理想。

鉴于目前该课程存在的一些问题，对于本专业的《材料科学基础》课程急需引入新的教学方法，加快推进和实施本课程的教学改革，以适应新工科背景下人才培养质量的要求。

2 关于项目教学法

项目教学法是一种典型的以学生为中心，注重培养学生独立解决问题能力的一种教学方法，源于德国“双元制”职业教育的经验积累。该方法具有如下特点：一是职业能力本位教育；二是知识传授以典型项目为载体；三是以学生为中心组织教学；四是突出职业实践教学的主线。依据该教学方法的特点，组织实施教学任务。学生具有学习的主观能动性，具有体验教学的经历，具有“做中学”的兴趣。这不仅培养了学生的学习兴趣，同时也提高了学生的实践能力和解决问题的能力，有利于增强学生的团结协作精神，能为学生职业素养的提高打下坚实的基础[5-8]。因此，项目教学法与《材料科学基础》课程教学具有很高契合度，能有效提高该课程的教学效果和培养质量。但本课程在引入该方法时要特别注意四个指标的贯穿：一是培养学生处理复杂工程问题时的能力，如材料成型和控制工程领域问题的解决；二是培养学生多角度提出复杂工程的问题解决方案的能力；三是培养学生可控复杂工艺的能力；四是培养学生终身学习的品质，形成适应社会发展的能力。在教学过程中，依据四项指标，通过项目的编制、学习情境的设置等环节，提高学生学习积极性，培养了学生的解决问题的能力[9]。

3 项目教学法的组织开展

目前，宿州学院正在进行硕士点建设，材料类专业是学校硕士点拟建设学科。在这样的背景下，学校势必加大对支撑学科发展的课程教学支持和投入，为项目的实施提供基础条件保障。以新能源材料与器件专业的《材料科学基础》课程项目化教学改革为研究对象，通过对教学内容的归纳、分类，将项目教学法引入到课程教学中，并持续推进教学改革，形成一套完备的适用于新工科背景下人才培养质量要求的教学体系。

3.1 教学团队建设

教学团队是项目化教学的实施者，团队成员的教学理念和人员结构决定着项目化教学的效果。要结合专业实际，加大高层次人才引进力度，为教学团队注入新鲜活力，同时积极培养引进人才的教学管理、课堂教学和实践教学工作能力。发挥经验丰富的原有成员的教学和科研经验，形成“活力持续，改革延续”的先进项目化教学团队。

3.2 整合课程教学内容

通过教学内容的深度剖析、归纳总结，并引进新的科技成果。整理归纳《材料科学基础》课程教学内容，以新工科教育要求为前提，依据新能源材料与器件专业人才培养方案，结合专业科研及工程应用前景情况，对可进行项目化教学的教学内容进行总结和归纳，形成教学过程中的专题教学、特色教学、创新教学点，达到理论和实践的有机统一，为培养学生的实践能力打下基础。如以《材料科学基础》教材为例，该书共计11章，第1～8章为金属材料，该部分内容主要有晶体结构、晶体缺陷、形变、相图、扩散、凝固和再结晶；第9章为陶瓷材料；第10章为高分子材料；第11章为复合材料(包括复合材料增强体、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料)。在教学过程中，可以将复合材料中的复合材料增强体与形变进行整合，金属基复合材料与晶体结构和晶体缺陷整合，聚合物基复合材料和高分子材料整合，整合后的教学内容以基础理论到理论实践再到相关的科技成果为主线，在教学过程中体现了理论联系实际的教学理念。

3.3 项目化教学的设计

确定项目内容：项目化教学的载体是项目，项目的优劣决定教学的效果。该教学方法主要通过项目驱动教学，通过项目的纽带作用，使教育者、学习者、教育资源合理融合为一体，形成相互促进、相互依存的整体。此外，课程内容项目的选择要依据统一性、整体性和层次性的原则，结合人才培养方案中关于人才培养质量和人才培养目标的要求，立足学校的办学定位及专业就业岗位分布，确定材料科学基础课程典型综合性项目。如将晶体缺陷和形变相关教学内容进行整合，设计综合性项目“从金属材料形变的差异溯源晶体缺陷对金属形变的影响”。要求学生观察具有不同类型晶体缺陷的材料在发生形变时在微观和宏观上差异，分析出导致这种结果的原因。项目教学目标定为：(1)锻炼学生观察实验现象的能力；(2)培养学生依据现象发现问题和解决问题的能力；(3)引导学生深层次掌握晶体缺陷的相关概念、种类及不同；(4)培养学生熟练综合分析形变过程中晶体缺陷所起的作用。通过将《材料科学基础》教学内容的重新组合和外延调整，将知识学习与项目完整并充分融合。项目的选择要难易得当，由简入繁，要突出项目的相互交叉和互融的特点，确保理论指导实践，实践反哺理论，最终形成统一整体。此外，要注重项目中的理论学习和实践能力培养，充分将教学、学习和实践融为一体。

设计项目任务：项目化教学过程中，学习驱动力的强弱主要取决于项目教学任务的设计，良好的项目教学任务可显著提高学生的学习积极性。教师应在教学过程中多调研、多探索，努力做好项目教学任务的设计，只有这样才能实现通过项目教学法调动学生积极性，达到“做中学”的目的。也只有良好的教学任务设计才能培养学生的潜力、创新能力、实践能力、沟通能力和相互协作能力。《材料科学基础》课程项目设计要充分体现理论和实践相结合，要突出针对性、可操作性、适宜性。教学过程要体现互融互进的特点，突出学生的自主学习、知行转化。如在讲授扩散章节内容时，可以以“颜料在水中扩散现象”为引子导出设计的项目任务，将学生带入研究扩散理论场景，提高学生的学习兴趣；也可用“柯肯达尔现象”发现的历史背景重现当年的研究历史，适时提出项目，激发学生对科研工作的兴趣。

设计问题情境：项目化教学的情景设计关乎教学设计的成败，真实场景和虚拟场景的合理设计，可激发学生学习兴趣和创新意识，引导学生尽早进入到工作角色，适应未来工作的环境。宿州学院材料科学基础课程的项目实施的场所主要依托安徽省重点实验室自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室以及学校新建的新能源材料与器件实验室，同时可与实习实训基地搭建合作平台，开展相关的教学工作。实验室具有良好仪器设备和教学条件，不仅使学生获得理论知识，更能真实体会工作所需具备的职业素养和技能，促使学生提前体验工作者的角色，有利于缩短学生就业后角色转变过程。

3.4 项目化教学的实施

项目实施是项目化教学的最关键环节。学习者的专业知识、实践知识、操作技能主要通过这一过程获得，学习的主体处于中心地位，教育者处于辅助角色。在实施教学任务的过程中，学习者提高职业素养，锻炼综合能力，是依托校内外合作基地、实验室等确保教学各环节有机统一。主要流程如下：课前预习，通过课前教育者将项目化教学的资料及任务上传到课程平台，并通过网络发布相关通知及要求[10]。学习者依据通知要求，学习教育者提供的资料，通过任务领取—自主学习—协作学习—完成学习任务并进行测试。教育者通过课堂导学的形式，对学习者的任务完成情况进行反馈，强调重难点并加以详细解释，纠正错误。通过师生互动和生生互动进一步完善学习认知并完成实践任务。通过这种方式，实现了“教、学、做、评”四个环节的一体化。最后，学习者通过课程平台完成规定的课后任务，并通过讨论区对感兴趣的前沿问题进行讨论，可进一步激发学生对未知领域探索的兴趣。

3.5 项目化教学的质量监控

教育监控是教学质量保障的重要手段之一，《材料科学基础》课程项目化教学的监控，可借鉴现有教学质量保障体系对项目化教学进行教学质量监控。可通过五个途径确保项目化教学过程，主要是学习者自评、学习者互评、教育者评价、同行教育者评价、督导委员会评价。同时项目化教学的考核也要有所侧重，主要考核学生的项目任务完成情况、学习态度和综合素养。对于项目化教学配套指定项目,构建并实施多种考核措施，实现监督与考核的针对性和实效性。对项目化教学各环节结果进行统计分析，为后续教学的持续改进提供依据，达到持续提高教学质量的目的[11]。

4 结 语

通过引入项目化教学，改革教学方法，突出“新工科”教育理念，培养学生适应未来工科发展和岗位的要求。同时提高专业基础课教学的工程化教育内容，通过归纳总结课程中可项目化教学的内容，以“新工科”教育要求为前提，依据新能源材料与器件专业人才培养方案，结合专业科研及工程应用前景情况，制定以培养实用技能需要为原则，以企业岗位需求为目标的项目设计，通过合理设计项目内容、项目任务、问题情境，并加以实施，构建《材料科学基础》课程项目化教学体系。加强项目化教学的质量保障，构建质量标准，通过项目化教学“实施—改进—再实施—再改进”的循环机制持续改进项目内容、项目设计、情境设计等；通过多途径、多渠道、多主体的持续反馈，最终制定适合新能源材料与器件专业《材料科学基础》课程项目化教学的质量标准。