以课程思政为基础的“材料科学基础”课程的金课建设与改革实践*

雷丽文，顾少轩，殷官超

(武汉理工大学材料学院，湖北 武汉 430070)

新工科建设是高等工程教育适应新经济、新产业的重大决策。当前“中国建造2035”、“一带一路”等国家重大战略对我国高等教育提出了新的改革导向和创新需求[1]。伴随着新技术、新工艺、新材料和新思想的交叉融合，今后的工程师是具备跨学科及价值理念多元化的相关能力[2]。“材料科学基础”课程作为本校材料专业本科生的第一门也是学时数最多的一门专业基础课，其所具备的这些时间优势及学科优势为该课程进行融合创新等相关改革提供了坚实的基础；同时，该课程在知识体系构建上，系统地介绍了材料科学的基础知识，是材料科学与工程专业重要的基础课程和主干课程，也是学生构筑专业知识体系、能力结构、素质结构和今后从事材料研究工作的重要基础。在该课程进行“课程思政”与“金课”的融合创新的改革有利于学生打好专业基础，实现价值引领，建立学生的专业认同感，培养具有个性发展和创新能力的拔尖创新人才。

1 以新工科为背景，调整课程内容结构，为“金课”的建设打下基础

“材料科学基础”作为一门典型的工科专业基础课，其课程具有内容头绪多、原理规律多、概念定义多等特点，加之有些微观规律使得课程内容枯燥乏味、学生理解困难。同时，随着现代科技的飞速发展，越来越多新材料及制备新工艺及新方法出现，原有的知识体系内容显然不能跟上目前现代化的科学发展，导致学生在课堂上只能从书本上片面地了解传统材料及其相关知识，课程内容相对老旧。为此，将现有的主要依赖教材的教学知识体系调整为 “重组课程体系，体现专业尖端”的课程框架，保证适度够用的大材料学基础理论，兼顾材料学知识的系统性和实践性，致力于培养学生的历史思维、辩证思维、系统思维和创新思维。

“重组课程体系”的关键就是正确处理好本门课程建设与专业系列课程(主要是已学过的物理化学和后续的材料工程基础、材料测试技术等)建设的关系，由学院出面进行教学设计，各课程组老师一起重新制定教学大纲，彻底摈弃这些课程之间的交叉部分，将课程内容进行有效地重组或重新加以设计。主要内容可以重组为四大模块：(1)物质聚集状态的组成、结构和性质；(2)凝聚多相系统相平衡——从相平衡的观点阐释凝聚多元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产等方面的应用；(3)过程动力学；(4)无机材料的环境效应。这样的重构体系为教学改革必须的内容结构化奠定了基础。

“体现专业尖端”就是在讲授材料的共性知识的前提下，注意将这些基础知识与高新技术或产业有关的新材料、新工艺及新技术等先进知识相结合。在课程的讲授过程中，近三年我们更新的课程内容有：3D打印与材料性质，钙钛矿结构太阳能电池，高熵合金，柔性玻璃，超疏水界面材料，耐腐蚀混凝土，仿生水凝胶，陶瓷的闪烧技术等。

为此，以新工科为背景，修改相应的教学大纲，结合工程教育专业认证毕业要求指标点的支撑项1.3、2.1、2.2、2.4、4.1关于学生能力培养的要求，制定了该课程的新教学目标：

(1)使学生掌握基于材料化学及材料热力学的相关知识(如晶体结构、晶体结构缺陷、表面结构与性质、相平衡与相图等)并进行相关知识的应用与分析。

(2)使学生掌握基于材料化学及材料热力学的相关知识(如晶体结构、晶体结构缺陷、表面结构与性质、相平衡与相图等)进行相关体系及复杂器件的设计及表征。

(3)使学生掌握基于材料动力学的相关知识(如扩散，固态反应，相变及烧结)进行相关材料合成过程的分析，将其综合应用于复杂工程问题分析中，以获得有效结论。

(4)全面理解材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成(工艺)条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律。了解材料发展的进程、新材料及其制备技术研究的发展趋势和最新研究热点。

(5)在建立材料领域科学基础的同时，通过科学思维方法的训练，培养学生运用科学原理解决实际问题的工程能力，为将来从事工程实践、材料设计及研发奠定必要的基础。

2 凝练整合思政元素，多层次，多角度培养学生，为“金课”的建设保驾护航

高校“金课”建设旨在振兴本科教育，突出本科教育在人才培养中的核心地位、在教育教学中的基础地位、在新时代教育发展中的前沿地位[3]。在“课程思政”指导下的“金课”建设，能进一步实现“金课”的价值逻辑，丰富教学内容，提升专业课程的内涵，提高课堂教学效果，为“金课”的建设保驾护航。

“材料科学基础”课程知识体系庞杂，一些涉及到微观结构的抽象的专业知识与人们的宏观感知有较大的差异，这就使得这些内容难以理解，再加上课程教学学时数多，学习周期长，学生对该课程的普遍感觉是知识面广，知识点深，学习难度很大。若在课程教学中自始至终都一味地强调专业知识的输出，学生很容易对其学习产生疲劳和厌倦。采用潜隐的形式将思政教育渗透于该课程的教学过程当中，在激发学生的学习兴趣、深化学生的记忆、夯实专业基础的同时也是一个对专业知识的很好的引导，可成为启动学生思维的钥匙，为学生于潜移默化中接受主流价值观念的熏陶，有效地解决专业教育与思想政治教育“两张皮”的现象。

在课程讲授过程中如何融入“如盐化水”般地融入思政元素，这对教学工作提出了很高的要求，其关键点在于如何正确梳理思政元素和授课内容之间的关联性和内在的逻辑性，使思政元素与课程知识点相互支撑。为此，课程组经过多次的教学研讨，确定将一些科学思维，科学方法、材料科学家的故事及材料科学的发展史与时政等元素引入到课堂教学中，在潜移默化的授课过程中将思政内容传递给学生，让学生自己去感受、领悟并认同该门课程背后蕴含的世界观、人生观及价值观。比如，在学习结构缺陷这一章节时，介绍提出固溶体概念的听力完全丧失的休姆·罗瑟里，Geim教授观察壁虎的爪子研制超级胶带到石墨烯的发现，从他们身上可以看出耐得住寂寞、摒弃浮躁、真正静心钻研才能有所成就；在玻璃的结构理论的学习中，介绍了“无规则网络学说”和“微晶学说”。这两种学说在都不能完全解释玻璃的结构及其导致的性能变化，前者强调的是玻璃结构的连续性，后者着眼于玻璃结构的不连续性，看似对立的两种理论，却存在辩证统一的关系，两者在玻璃的结构理论中所应用的模型的基本结构单元相同，都有无定形部分，但侧重点又有不同，这种唯物主义辩证法的基本观点在材料基础知识的建立中比比皆是，人生亦是如此。

为此，针对理工科学生哲学知识的匮乏，在教学过程中将自然科学范畴的材料专业知识与人文科学范畴的哲学知识进行有机地结合，通过浅显易懂的哲学概念对理论知识进行讲解，使专业课教学有了新的开展维度，着力发挥教书育人的合力作用。“材料科学基础”课程思政具体体现在以下几个方面：

(1)以材料科学基础知识传授为基础，讲授这些知识建立背后的故事，并将这些知识引入到新材料的研发过程中，通过介绍科学家的科研之路让学生了解发现真理的道路并不都是一帆风顺的，帮助同学的建立正确的科研方法，培养他们的科研精神和科研态度。

(2)在材料科学基础知识传授的过程中，重点理解完整与不完整、有序与无序、平衡与非平衡之间的关系，让学生建立辩证唯物主义的思维模式。

(3)从材料发展与中国历史进程相结合，让学生体会中国历史的源远流长，博大精深；同时，将我国无机非金属材料的最新研究进展，研发中的优势与劣势及与课程内容相结合，培养学生的民族自信和爱国情怀，激发同学的学习热情。

“材料科学基础”这门课的教学学时数为64学时，共分为九个章节，各章节挖掘和提炼的主要典型的思政元素见表1。

续表1

3 改革教学形式，注重线上线下混合式教学，丰富教学模式，使其体现先进性、互动性和挑战性，实现真正的“以学生为本”

如何抛弃“水课”打造“金课”除了从教学内容进行改革，更为重要的是从教学形式上进行改革。目前的高校课堂教学是以教师为主导以学生为主体是一种基本导向。教师与学生永远是教学中最主要的两个要素[4]。如何调整教学思路，以学生为本，提高学生学习的积极性，加强学生创新能力培养，从而培养出综合型高素质应用型材料类人才，是目前面临的重大问题[5]。

为此，教学形式的改革将目标成果倒向(OBE)为基础，借助于“雨课堂”和MOOCS等媒体平台，采用多元的教学方法改革，体现课程的先进性、互动性和挑战性，同时顺应学生学习需求，调动学生学习的主动性，回归学生本位。

首先将教学内容划分为课堂教学和课外自学内容、教师讲授内容和课堂研讨三种教学形式，并以此为依据，明确各章节的知识点、重点及难点，分别确定教学目标、学习要求和学习方法。在每次课前将这些信息通过MOOCS的慕课堂传送给学生让学生完成预习，让学生对教学任务和达成的目标一目了然。

改革传统的授课模式，在课堂教学中引入雨课堂。每次上课前，老师将本次课程内容做成一个小的测试，利用雨课堂APP推送给学生完成以检验预习的效果，通过统计学生的答题正确率，及时了解预习情况，老师可以有的放矢的进行课堂教学。课后，学生随时随地学习雨课堂上推送的资料，并将遇到的问题实时反馈给老师。在自主学习策略方面，课堂上老师的教学课件会通过雨课堂一页一页地同步到学生的手上，学生可以标记为“不懂”或“收藏”，以用于课后复习，同时这些数据也能够同步显示在老师的手机上。在确保课前-课中-课后的每一个教学环节进行实时互动的基础上，雨课堂可以采集学生所有的学习行为数据，帮助老师量化了解学生的学习效果，从而及时调整课堂教学的进度与侧重点，更好地实现师生互动，教与学的融合。

同时，课堂教学也采用引导式的教学法方法，即采用问题驱动和重点难点提示，通过课前教师设问-学生预习-课堂师生互动+生生互动，形成学生-老师-学生的互动链，促进学生积极主动地了解和理解各知识点及重点难点内容。将每堂课的课堂讨论及相关专题讨论的题目提前告知学生，鼓励学生提出和回答更多的问题，激发学生的学习兴趣。一般专题讨论问题的来源通常是教师根据教学目标、学生的知识储备和教学的核心知识进行设置的，其主题一般结合当下国情的科研成果的创新性问题、行业迫切解决的问题及工程应用问题，充分体现了“科教思政相融合”的特点。在该课程的教学过程中，几乎每章都有2～3个讨论的论题供学生们选择，如“材料发展与人类文明”、“新冠疫情与材料”、基于结构仿生或过程仿生的“仿生与材料”、国产大飞机中的“大国重器与材料制备”、“燃料电池与太阳能电池”“生物材料与材料性能”、“我国芯片的发展与贸易战”等等。学生围绕这些问题收集资料分析并寻找解决问题的方法或途径，通过开展生生、师生间的合作、交流和探究，在师生共同努力下使问题逐步得到解决，通过这些层层推进，环环相扣的自主式、互动式教学方法加深学生对基础知识的理解，强化理论联系实际，促进学生分析解决实际问题能力、协同作战能力以及表达能力的提高，真正达到教书育人的目的。充分体现了“科教思政融合”的特点。

4 以三元协同的教学团队为依托，改革实践环节，提高学生的工程实践能力和国际视野

以我校材料学院及材料国际化示范学院为依托，建立以“科教、行业和国际”三元协同教学团队，对课程体系进行全方位的改革，提升学生的创新能力、工程实践能力和拓展国际化视野。目前团队中的外籍导师Prof. Shackelford是在材料及相关领域具有国际影响的老师。国内的课程主要依赖于教材内容，重点关注材料四要素之间的关系，而Shackelford教授的教学却将“材料科学”“材料工程”“测试技术”进行了有机的结合，拓宽了课程的宽度与广度。同时，配合我们的教学大纲，教授的讲课过程将进行全程的录像，将其融入到该课程的线上资源中，真正的在线上课程上实现双语教学，供不同学习需求的学生选择学习。

“材料科学基础”课程就是一门理论与实践、原理与应用结合得非常紧密的课程，在该课程的实践教学环节上重视设计型、探究型和综合型实验的开设。课程教学团队的老师都来自于材料学院，材料复合新技术国家重点实验室及硅酸盐国家重点实验室，团队中的老师都有丰富的工程实践及科学研究经验，目前开设的5个实验，全部都为设计型综合开放式实验，在5个综合性实验的基础上，根据教学团队中老师的科研方向，开设5个选做性实验(硫系玻璃的制备与性能，混凝土的耐腐性性原理，3D打印与材料制备，钙钛矿型太阳能电池的制备与表征等)，学生根据兴趣在5个实验中选做一个，在实践环节中真正实现“科教融合”。

同时，在实验教学过程中，强化每个实验项目的教学要求，学生实验教学目标的考核要围绕学生工程能力是否达到认知和理解的标准制定。根据这一原则，实验的教学全过程的指导突出以学生的实际实验操作为主体，通过学生实验过程的感知和体会强化工程认知和应用能力的提高。如学生通过MOOCS平台预习实验后开始进行实验，学生全部挂牌做实验，教师在实验教学过程中全程为学生的安全意识，科研能力，工程实践能力和动手能力等打分，变千篇一律的统一讲解后按部就班的实验为重点强调后个别实验指导和全程问题辅导的教学模式，转变教师在实验教学中 “统一指挥官”的角色，让教师成为学生实验过程中的 “参谋长”。