以创新思维和能力培养为导向的材料科学基础课程教学改革研究

付 萌，黎相明

（广东石油化工学院，广东茂名 525000）

教育部在【教高2019】6号文件中指出，要深化本科教育教学改革、全面提高人才培养质量。对本科教育教学进行改革，必须充分挖掘各类课程原有的创新资源，并不断充实各个环节的创新内容，强化创新创业协同育人[1]。深化高等学校的创新教育改革是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要。同时，它也是推进高等教育综合改革、促进高校毕业生更高质量就业的重要举措[2]。为了培养大学生的创新能力，需要注重将创新思想和创新能力融入具体专业课程的教学中。因此，如何在专业课程教学过程中培养创新思维和创新能力，以培养适应国家和社会发展需求的人才，是当前高校专业课程教学改革的重要方向之一。

1 课程存在的问题

材料科学基础是材料类专业最基础的专业理论课。该课程以材料的组成、结构、工艺和性能为研究对象，在物理、化学、数学等学科内容的基础上，对材料的分类、特性及应用进行阐述，为后续专业课的学习打下坚实的基础。材料科学基础课程教学有助于培养高质量的应用型创新人才，然而，这门课程具有“四多一抽象”的特点，即内容繁多、原理规律众多、概念定义复杂、涉及相关学科广泛，同时还存在微观结构的抽象性。教材的难度相对较高，对于本科生来说，理解起来可能会相对困难[3]。受课时影响，传统的材料科学基础教学基本都是从一支粉笔、一本教科书、一块黑板和一份讲课PPT 开始，以教师灌输式授课为过程，以单一的闭卷考试考核方式结束（现状如图1所示）。这种教学形式严重制约了材料科学基础课程教学效果和教学目标的达成，限制了学生自主探索和创新能力的发展[4-5]。因此，对材料科学基础课程进行改革，建立与时代相适应、以创新思维和创新能力培养为导向的新教学内容、新教学模式和新考核方式具有重要意义。这种方式有助于培养高水平人才，使他们符合现代社会发展规律，具备创新思维和创新能力。这样的人才培养方式能够满足当前国家社会对材料学科人才的需求。

图1 材料科学基础课程现状

2 教学新举措

教学实施过程中，如何将抽象难懂、复杂多样的教学内容传授给学生，让学生能够接受并乐于接受，直接影响到改革的成效。而学生教学效果的达成取决于任课教师对课程重要性的诠释及独特、丰富的授课方式。在创新思维和创新能力培养过程中，教学过程必将由以前的“教师讲解、学生模仿型”转变为“以学生为主体的教学复合型”。如何在教师引导下使学生积极地探索，调动学生的主观能动性[6]，使学生从被动转向主动是很重要的。另外，考核在课程学习中非常重要，对课程进行考核时应尽可能全面地反映出学生的学习情况。如何实现考核多元化，以反映学生的创新能力、综合素质和真实的学习效果是课程改革考虑的必要环节之一。如图2所示。

图2 材料科学基础课程改革方案

2.1 以创新思维与能力培养为导向对教学内容进行全面改革

为促进创新型人才的培养，需要确立合理的课程教学内容。这意味着教学内容应该多样化，并且知识体系应该连贯完整。对于材料科学而言，其核心内容涉及材料的组成、结构、性能与应用及制备工艺之间的相互关系。因此，课程内容体系应该能够将各种材料有机结合起来，建立更为广泛的基础知识体系[7]。根据我们学院功能材料专业的人才培养目标，可以将课程内容调整为以下几个章节：第一章是原子结构与键合，第二章是固体的结构，第三章是晶体缺陷，第四章是扩散，第五章是相图。通过这样的调整，课程内容将主要涵盖金属材料和无机非金属材料，并对它们的通性与特性进行统一的对比分析。此外，为了避免与后续课程重复内容，可以在课程内容上进行适度的详略处理。例如，在材料的性能方面，由于学生将在后续学习材料结构与性能课程时进行更深入的学习，因此在本门课程中可以简略介绍基本概念，以确保学生建立起必要的理解。

为了跟上材料学科知识的更新步伐，应该大胆跳出教材框架，将材料科学领域最新的进展案例融入课堂教学。仅仅以教材内容为依托的授课会导致学生学习的案例或某些理论无法跟上时代的发展需求，因为教材更新速度较慢。如果只讲授教材中的内容，就有可能使学生的知识体系落后于时代的发展要求。脱离时代发展步伐会使学生失去对知识的兴趣和激情，同时也难以调动他们的学习积极性和创新思维能力。因此，在教学过程中，应该及时将最新的研究成果案例引入课堂，引导学生从材料的结构出发，更准确地把握新材料的性质和应用领域的发展趋势。为了实现这一目标，要在教学中创新并引导学生参与。例如，可以通过查阅文献、阅读论文、小组讨论等方式深化教学内容，拓宽材料科学基础课程的知识边界，使学生学会将所学知识应用到实际中。主讲老师和学生们可以共同追踪学科的发展，将最新的研究成果案例与材料的基本理论相结合。通过整理、讨论、梳理、总结和更新等过程，可以形成反映学科最新发展动态的教学内容。这样的教学方式可以使学生在预测材料性能和应用方面具备一定的能力，或者在现阶段的功能需求下对材料的基本组成和结构进行简单设计。通过充分的讨论和互动，可以在基础知识和最新科研成果之间建立有效的桥梁，将理论基础与工程应用相结合。在这个过程中，不仅能培养学生主动学习的习惯，提升他们获取信息和综合运用知识的能力，还能挖掘学生的学习潜力，培养具有一定创新思维和创新能力的材料类专业人才。

2.2 以创新思维与能力培养为导向对教学方法与教学手段进行全方位改革

教师引导学生自主探索，加深知识理解。为了提高学生的学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加强学生对基本概念和基本原理的理解，就要改变灌输式的教学模式，将教学内容进行适当分级。老师重点讲解基本概念和基础理论，在教学过程中要注重引导，设计恰当的问题引发学生主动思考，帮助学生积极参与课堂，将问题与枯燥无味的基本理论概念相结合，从而进一步加强学生对知识点的消化和吸收。“翻转课堂”的引入，可以帮助教师从课程学习过程中的主讲者变为学习过程中的引导者，在课堂讨论中让学生受益。例如，在固体中原子及分子的运动部分具体内容讲授前可以先提出问题，如“扩散一定是从高浓度向低浓度的吗？”然后进入到下坡扩散具体理论知识的讲解，让学生带着问题进行课下思考及自学，第二次课的时候可以提供课堂讨论环节，让学生提出自己对问题的解答及看法，之后教师对学生的回答进行解释与总结，并将上坡扩散的内容讲解给学生。通过这样的方式，不仅学生对扩散的知识点印象更加深刻、理解更加透彻，而且可以帮助学生明确学习目标，转被动学习为主动学习，提高理论联系实际的能力、分析问题和解决问题的能力。

充分利用多媒体和网络教育资源。材料科学基础这门课的基本概念和基础理论都有抽象、不直观的特点，它们往往从材料的微观结构出发，难以理解。将抽象概念具体化，对学生理解学科内容非常有帮助。这就需要教师在教学过程中充分发挥多媒体的辅助作用，积极引入三维结构模型和动画演示模型，将一些抽象的或语言难以准确描述的基本理论、基本概念、基本结构等进行直观的演示，特别是晶体缺陷中的点缺陷、位错、位错的运动等。这样既能提高学生在课堂上的专注力，加深学生对知识点的认识与理解，也极大提高了课堂效率。另外，材料科学基础理论知识体系丰富庞杂，课程的学时有限，将常规的教学手段与中国MOOC、雨课堂、学习通等现代教育教学手段相结合，让学生在线上完成课前预习+实时课堂+课后习题+期末考试，全程的教学数据可以帮助教师判断分析学生的学习情况，以便调整教学进度和教学节奏，提高课堂效率。该方式可以充分发挥学生的学习自主性，提升学生的创新思维与创新能力。

承上启下，寻找新旧知识结合点。学生在学习新知识时，需要以已经学习过的旧知识为经验基础，所以教师在教学中必须对学生已学的新知识有非常清晰的认知。为了帮助学生更好地学习新知识，教师要找到新知识和旧知识的关联性，为新、旧知识搭建起通道和桥梁，帮助学生利用知识的正向迁移，完成认知冲突。材料科学基础课程前后章节的知识点多且复杂，但依然有关联性。如教材的第二章主要介绍了完美晶体的结构规律，让学生掌握7个晶系和14种布拉菲点阵，为他们建立对晶体结构的基本认识。接下来的第三章则讲解了不完美晶体结构，即晶体缺陷，进一步加深了学生对晶体结构的理解。因此，在教师讲解第三章内容之前，应该充分衔接第二章的内容，以在完美晶体学的基础上进一步讲解晶体结构缺陷，让学生能够利用已有的知识体系提前预习第三章的内容。在课堂上，教师可以通过巩固晶体学基础知识的过程来引入缺陷结构的讲解，从而实现知识的正向迁移。

2.3 以创新思维与能力培养为导向对考核方式进行深层次改革

考核多元化。在课程学习中，考核扮演着非常重要的角色。一门课程的考核应该尽可能全面地评估学生的学习情况，并体现学生的创新能力、综合素质和真实的学习效果。研究命题要尽量与工科专业的切实需求相结合，降低对公式、概念的教学力度，转而强调学生对理论知识的理解与掌握能力，评判学生理论联系实际的水平，真正使学生做到学以致用。考核内容的设定可以有效激发学生的思考意识、创新意识，减少学生期末考试“临时抱佛脚”的现象。与此同时，还需要改变期末成绩完全以试卷成绩为准的现象，学生每学期的总成绩可以由平时成绩、期中成绩、期末成绩组成。平时成绩由学生的课堂表现、出勤率、作业完成情况、复习与预习等方面决定。期中成绩与期末成绩则是检验学生阶段性知识获取和掌握的情况。教师在开展教学的过程中要督促学生将更多精力放在平时成绩中，降低期末复习的压力，帮助学生获得良好的综合成绩。

3 结语

材料科学基础课程改革源于国家和社会对人才培养的迫切需求。创新能力是中华民族进步的阶梯，是国家兴旺发达的不竭动力。高等教育的重要使命之一是培养适应国家发展需求的高素质人才，他们具备创新思维和创造能力。在大学学习过程中，学生需要进行探索和创造。因此，在教学中应精心实施培养创新思维和能力的策略，并将其融入具体课程中。通过这样的教学方式，可以为创新型中国增添更多力量。这意味着高等教育需要切实履行这一时代使命，确保学生能够充分发展创新能力，为国家的创新发展助力。

以创新思维和创新能力培养为导向，对材料科学基础课程教学改革进行讨论，引导学生自主探索，解决学业中遇到的问题；引入案例式、翻转课堂等教学模式，添加丰富的网络学习资源，增加学生与老师的互动，创设新的课堂氛围模式，调动学生的主观能动性，提升课堂效率；丰富课程考核方式，加重每一章节学习过程的分数权重，增加综合小作业等提高学生信息收集能力及收集信息后解决新问题的能力。除了提高学习效果外，以期培养出符合现代社会发展规律，具有创新思维和创新能力的高素质人才，全方位提高学生的应用能力和综合素质，满足现阶段国家社会发展对材料学科人才培养的需求。