“产教+科教”双融合下材料科学与工程基础课程教学模式创新与实践

张赞，王占忠*，郭亚南，杨立芹，荀达，李朋

(1.邢台学院物理与电子工程学院，河北 邢台 054001；2. 邢台学院教育科学教学部， 河北 邢台 054001)

0 引言

科技进步日新月异，现代产业快速发展，然而产业需求侧和人才培养供给侧在质量、水平上还不能完全适应。二十大报告指出教育、人才与科技的“三位一体”，强调产教融合、科教融汇的重要性。深化产教融合、科教融汇，促进人才链与产业链、创新链有机衔接，是推进人才培养供给侧结构性改革的迫切要求，对新形势下全面提高教学质量具有重要意义。而课程是实现教育变革和推动人才培养质量持续提升的核心，因此深化产教融合、科教融汇的着力点在于课程。材料科学与工程基础是材料类专业核心课程，对学好材料类专业其他课程至关重要，但该课程理论环节主要探究晶体内部的微观世界，内容抽象复杂，用板书和多媒体教学难以与学生产生共鸣，造成学生死记硬背多、被动学习多[1]；实践环节还存在高危险系数，如高温、易爆、毒性或环境问题，还有的需要昂贵材料或大型实验设备，无疑制约了学生实践创新能力的培养，导致在学生的持续发展中出现能动性较差、适应现代化产业发展能力不足和缺乏职业能力培养等现象。根据教学实施中存在的这些“痛点”，课程坚持以学生为中心的核心理念，以成果导向为目标，践行科研、科技、产业与教学融合，在课程教学与实践过程中，重点从教学内容、教学方法、教学环境和教学评价四个方面进行了探索研究，持续改进教学模式，取得了初步成效。

1 课程教学改革的基础

1.1 课程内容和作用的介绍

“材料科学与基础”课程是材料类专业的核心课程，是大学阶段重要的专业基础课程，是基础课与专业课的链接纽带[2]，该课程主要介绍材料的微观结构与宏观性能之间的内在联系，在材料类专业知识体系中起着举足轻重的作用。通过课程的学习，相关专业本科学生能够建立材料的组成、结构、制备工艺、性能及应用的共性规律[3]及其制约规律，理解材料制备和使用中的科学问题和工程问题，为设计、研发并使用材料奠定基础。同时掌握典型结构材料及制品的检测技术原理，使学生及时了解材料行业中新领域、新思维、新方法、新成果的发展动态。本课程可以为后续其他专业课程学习奠定基础，并能够提升专业的认知度和专业认同感，同时对于发展新材料、培养学生创新能力具有深远的意义。

1.2 课程教学改革的基础条件

经过多年的建设，“材料科学与工程基础”课程具有良好的“科教+产教”融合实践教学改革实施基础。校内建有材料工程实践能力创新示范中心，中心建有实验室10 余个，比如材料加工实验室、力学性能实验室、金相显微实验室以及扫描电镜实验室等，固定资产达1100 多万元，可以满足部分材料检测实践教学需求；课程专业学院教学团队经验丰富，“双师”比例达80%以上，多次荣获校级以上教学比赛奖项，申报成功河北省高等教育教学改革项目2 项和校级教学改革项目5 相；获批市级以上科研项目多项，其中国家自然科学基金项目2 项；与企业签订横向课题多项，同时与武汉大学、天津大学、重庆大学、天津理工大学等开展了深度合作；所在学院与河北博远科技有限公司、晶澳太阳能科技股份有限公司、亨得利公司、博远冶金粉末、河北沃嘉智能设备等公司进行深度合作，为课程开展深度产教和科教融合教学改革奠定了良好的基础。

2 “产教+ 科教”双融合下教学改革探究与实践

2.1 重构现代化教学内容

2.1.1 科学合理地设计课堂教学内容，将“思政元素”融入课堂教学

在讲授专业知识的同时，发掘课程中的“思政元素”，积极开展课程思政建设。例如通过讲授材料发展历程，使学生了解我国近现代材料技术的发展历程与成就，树立学生专业自信感，强化专业认同感。另外将专业典型人物、先进事迹融入教学内容[4}，培育学生的科学素养、工匠精神和爱国情怀，如将“材料院士”涂铭旌一生创业史、顾真安院士一生奋斗史融入课堂，告诫材料的发展并不是一帆风顺，需要几代伟人用青春、用热血换来的辉煌，激发学生为材料事业献身的勇气；原子好比个体，晶格好比团队，充分利用原子与晶格知识点作为引入点，将材料相关知识与现实生活结合起来，引导学生认识团结协作的重要性；第二相颗粒提高基体材料强度和韧性知识点关联马克思主义哲学观，促使学生提升哲学思辨层次，树立正确的世界观。

2.1.2 推动产教融合和科教融汇，丰富教学内容

通过校企合作开发了新型活页式和工作手册式教材，将教学资源随信息技术发展和产业升级情况及时动态更新，同时将邀请技术人员进课堂[5]，比如讲到晶体的凝固章节时，与已经开展合作的企业，将汽车轮毂生产的流程引入课堂，增强教学内容的实践性、职业性和标准性。建立以教材教学内容为基础的原则，依托科研成果和学科发展趋势适时更新和拓宽教学内容，利用先进的科研方法丰富教学手段，为学生接触学科前沿、开展科研实践创造条件[6]，比如已将科研课题中材料模拟案例、建模案例引入课堂，像通过模拟演示泡沫铝的压缩，学生能够清晰看到泡沫铝的微观坍塌动态过程，可以将微观抽象的知识点以宏观具体的效果呈现出，更容易使学生加深对课程难点深层次的理解，列举碳纳米管、石墨烯等超塑性新材料与传统金属材料理论和应用作对比，拓宽学生的专业视野。

2.1.3 利用现代信息技术，开发教学资源

利用虚拟仿真技术开发微结构材料虚拟仿真模块和材料检测虚拟仿真模块。微结构材料虚拟仿真模块，将抽象和微观的晶体几何形态和点阵在虚拟平台上可视化，宏观呈现晶体结构与材料物性的直观联系；材料检测虚拟仿真模块，将检测设备、检测方法、检测工艺和检测原理等宏观呈现，解决了因材料设备昂贵，数量较少，无法满足学生实验课程的实际操作要求。同时利用现代技术也制作了精品微课并设计教学课件。总之，利用现代信息技术开发出多样化教学资源。

2.2 探索多样化教学方法

2.2.1 贯彻“教师为主导，学生为主体”的原则，采用启发、案例、讨论的上课模式

在讲授过程中，适时运用“合作、探究、互动、评价”的教学模式，充分体现以学生为主体，积极引导学生主动融入课堂教学，启发学生思考与解决问题，培养学生自主学习的能力，例如在讲解金属多晶体一节时，探究晶粒尺寸大小对晶界数量、集中应力的影响，进一步讨论晶粒尺寸对金属硬度强度和塑性韧性的影响；在铁碳合金一节，为讲授铁碳合金基本相和铁碳合金状态图，引入某品牌的保温杯为“316 不锈钢”材质作为开场白，有助于激发学生的好奇心，为课程知识点的引入起到了良好的效果。

2.2.2 开展丰富课堂实践教学活动，提升学生创新实践能力

开展了丰富实践教学活动，由传统型的“教师教学”模式逐步向探究性的“师生研讨”与“学生探究”模式的平滑过渡[7]，体现知识、技能和情感三大目标。在课堂教学中，组织学生进行思维导图构建、工艺流程设计、模型建立等比赛，通过自评和互评，挑选出优秀的活动作品。以小组为单元设置课程目的，通过课堂讨论问题，翻转课堂形式讲解各组的研究成果，全面探索综合职业能力的培养。

2.2.3 将科研融入教学，开展以问题为导向的合作式、探究式、互动式教学模式

“材料科学与工程基础”课程对教学的重点在于逻辑思维的建立以及解决问题的方法和能力，能根据课程特点，通过科研和教学融合，解决理论理解不深刻，实践创新能力偏弱的难题[8]。根据教师的纵横向课题，整理出与教学目标接近的问题，按小组形式分配给学生，开展以问题为导向的合作式、探究式、互动式教学模式[9]，使学生由被动接收者转变为主动学习者，促进师生互动和生生互动，比如讲到“弥散强化”知识点时，列举本人的科研项目“含石墨烯泡沫铝复合材料的制备及压缩性能的研究”，在泡沫铝基体中加入石墨烯后，探讨第二相对泡沫铝压缩性能的影响，以实际科研应用为案例，采用“探究+互动”的形式引导学生学习，加深对微观的深层次知识点的理解，培养学生的分析能力和创新能力以及批判通用能力。

2.2.4 信息技术与教学结合，提升教学效率

结合学情与课程特点，一些微观的理论知识点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，这部分内容很抽象复杂，已将三维动画引入课堂来形象和生动地来演示给学生，帮助学生深刻理解和掌握抽象的理论。

2.3 创设丰富的教学环境

依托学习通平台强大功能和丰富的教学资料创设课程教学环境，开展线上线下混合式教学，提高学生的自主学习能力和学习效果。为解决章节重难点，以提出、分析、解决问题为基本思路，逐级汇总和加工文章内容，依此设计出一级主题，并分出层次细化为二级、三级[10]，同步上传课程课件、学习目标和重难点，满足学生课前预习以及课后复习的要求。同时设计问题探讨、翻转课堂活动、在线作业等互动板块，基于科研问题和行业需求将科研课题中涉及课程中的一些工艺流程、性能强化机理、模拟案例、学术成果引入课堂教学。这样学生通过课前自主预习能对所学的知识有基本的认识，课堂中学生讨论及课堂提问的活跃性显著提高，对问题也有了更深层次的理解和思考。

2.4 建立多元化教学评价体系

课程传统考核方式由平时表现(40%) 和期末成绩(60%)构成，考核方式比较单一，缺乏创新和实践能力的培养，很难激发学生的学习欲望，无法客观有效的评价学生综合能力、科研素养和创新思维活跃度[11]。把考核方式多样化、全程化作为转变目标，将综合能力考核设置为核心考察内容，建立更加科学的成绩评定体系。依托课程教学大纲为基础，建立一套符合学生个性化学习的教学评价体系，满足过程和总结性的多元化特点，具体分为：

(1)线上预习：主要利用平台内学习模块中的课程视频和课件资源进行学习，然后进行的预习自测环节，占比20%。学生可根据自评结果了解自身的不足以及与其他同学的差距，更有针对性地进行学习强化，教师则可根据学习资源的完成度和预习自测答题情况对学生进行综合评分。

(2)课堂表现：基于课程重难点知识并对学生进行课堂提问，根据其课堂反馈表现作为评分依据，占比10%。

(3)专题演讲和讨论：将思维导图构建、工艺流程设计、参与问题讨论、模型建立、成果展示等任务引入考核的全过程，由观摩学生和教师评分相结合，占比20%。

(4)闭卷测试：按照课程培养目标及课程要求，以闭卷形式对学生的学习成果进行测验，将起到更好的督促作用，占比为50%。试卷主要分为识记、理解、简单应用和综合应用四大题型，这样利于教师了解学生对于课程整体的理解和运用的情况，基于测试结果来综合评价学生的自主学习效果[12]。通过这种评价方式集中测试学生的综合素质明显提高以及考虑问题的角度与解决问题的方法明显多样化。

3 课程改革效果与反思

随着教学改革的步伐逐渐深入，发现学生在理论知识和科学素养等方面都有很大的进步，在课堂上更加活跃参与问题讨论，在考试试卷在保持命题难度系数不变的情况下，学生卷面成绩总体呈现上升趋势，教师教学能力也获得锻炼，逐渐向一流课程的目标发展。通过问卷调查结果发现：学生由之前的81%的满意度提升到90%。案例访谈中由课程改革前个别同学的一般满意或者不满意，提高到改革后的特别满意或者满意。以上均有力证明了材料科学与工程基础课程改革和创新的成功。学生创新实践的积极性显著提高，报名参与中国大学生机械工程创新创意大赛-材料热处理创新创业赛、全国大学生金相技能大赛和全国大学生微结构摄影大赛的学生人数越来越多。近两年指导学生参与各类创新创业大赛共获奖20 余项，其中省级以上奖项5 项。同期还组建了2 个学科交叉科研团队，1 个仿真实践课题助研团队，1 个“互联网+”创新创业团队。在科教协同的大环境当中，通过教师对学生的鼓励、带动和引领作用，学生的学术视野得到开阔，更有兴趣进行科学研究，激发了做科研的兴趣和潜力，在文献检索、科研实验设计、项目申报等方面均得到了有针对行的训练，科研方面提升效果也是异常明显，近两年已申报成功多项大学生科研项目，让高达50 余人次走进实验室，参与科研项目，达到润物细无声的效果。

4 结语

地方本科院校应用转型背景下，课程建设是科研与教学、企业与学校的基础契合点。本文从教学内容、教学方法、教学环境和和教学评价四个方面对“材料科学与工程基础”课程进行改革，实现科教和产教的双融合，不断提升学生的实践应用能力，满足材料行业对应用型和复合型人才的培养需求。此次课程改革对于提升本校材料专业的教学质量起到了基础作用，也给予同级的其他本科院校相关专业课程改革提供一定的借鉴作用。