新工科背景下“材料表面与界面”课程创新实践探索

摘 要：“材料表面与界面”是材料科学与工程专业为培养具有实践创新能力的复合型科技人才而开设的一门专业选修课程。文章结合高素质应用型创新人才培养和新材料产业发展需求，从校企合作、课程内容设计、教学模式创新、考核评价方式4个方面提出教学改革对策，达成既培养学生自主学习和独立思考的能力，又充分发挥学生的创造力和团队协作能力的目标。同时，将基础知识与产业科技发展有机融合，重塑课程创新实践内涵和价值导向，为高校工科课程教学改革提供借鉴。

关键词：新工科;新材料;教学改革;创新实践;“材料表面与界面”课程

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2024）10-0064-04

一、引言

新工科建设是新科技、新产业、新经济时代背景下培养科技创新人才的重要举措，也是推进高等学校工程教育改革的重大战略选择[1]。“材料表面与界面”是材料科学与工程专业的一门重要课程，以固体界面、液体界面、固液界面及固固界面等理论知识为基础，以聚合物界面、金属界面、无机非金属界面及复合材料界面等应用知识为引导，旨在培养学生对专业知识的认知，提高学生应用本课程知识进行理论分析和解决工程实践问题的能力。该课程在纳米材料、智能仿生材料及新能源等应用领域的发展和技术升级中具有不可或缺的作用。

当前，传统工科课程教学资源匮乏、考核方式单一、学科交叉不足，难以培养学生创新实践能力[2]，因此，需要在教学资源、课程内容设计、教学模式及考核机制等方面进行改革，推动材料类课程教学向新工科范式变革。为提高工程人才的培养质量，2022年，枣庄学院联合枣庄市政府和山东欣旺达新能源有限公司等地方企业成立了锂电产业学院，整合多主体创新要素和资源，在人才培养、资源共享、校企联合教学等方面进行了深度产学研合作，为“材料表面与界面”课程的教学改革提供了契机。文章结合枣庄学院教学改革实际和教学团队的教学实践，对近2年“材料表面与界面”课程的教学改革经验与成效进行了总结。

二、“材料表面与界面”课程教学现状与存在问题

目前，“材料表面与界面”课程在教学中存在学生创新能力培养不足和学科交叉欠缺等诸多问题，影响对学生专业知识和实践能力的培育及学生职业规划和实践创新的指导[3]。枣庄学院“材料表面与界面”课程定位为材料专业选修课，是“大学物理”“大学化学”“材料科学基础”及“材料类实验”课程的衔接和深化。由于课程设置、教学资源、教学模式及考核方式的限制，学生在学习过程中侧重前五章的基础知识，轻视后五章的应用知识。实际教学中多以课堂讲授为主，且讲授内容多数聚焦在知识点本身，缺乏案例导学，导致学生容易产生惰性或惯性的思维，难以在课程学习的过程中运用发散思维和开展创新尝试，这也进一步导致学生难以将基础理论知识与新材料产业发展建立有效联系，学生所达成的知识目标无法支撑应用创新能力培养的目标。此外，传统考核方式一般包括过程考核（占比50%）和期末考试（占比50%）。但从考核方式和内容上看，现行考核方式聚焦在基础知识上，对学生的学习成果仍基于理论知识的掌握情况进行评价，这种考核方式缺乏创新元素和多学科交叉。学生更多以机械记忆的方式对基础理论知识进行学习，不能充分理解不同课程间的关联，也无法取得与新材料产业发展相匹配的学习成果，不符合以成果为导向的工程教育新理念。

三、“材料表面与界面”课程教学改革对策

根据新工科建设的基本要求和“材料表面与界面”课程教学实践中存在的问题，文章从校企合作、课程内容设计、教学模式创新及考核评价方式等方面提出教学创新实践探索的改革对策。

（一） 深化基础理论与新材料产业发展的联系

锂电产业学院的合作企业——山东欣旺达新能源有限公司主要发展锂电新材料产业，企业建有欣旺达大学，并与枣庄学院共建科研教学平台和大学生实习实训基地。以该企业的锂电新材料为例，锂离子电池通常以正极材料作为锂源，以能容纳锂原子的石墨材料为负极，电能的存储和转化主要通过电子及离子在正负极之间迁移而实现。锂电新材料的制备和性能研究涉及从宏观到微观的多种表界面效应，如电极材料晶粒之间的晶界及其脱嵌锂过程产生的两相界面等固固界面、液态有机电解质在正负极表面反应形成的固液界面，而“材料表面与界面”课程中的液体界面、固体界面及固液界面知识为理解这些界面作用提供了重要理论依据。

改革示例：以“材料表面与界面”课程第三章《固体表面》和第四章《固液表面》教学为例。首先，结合企业生产实际，以“磷酸铁锂（LiFePO4， LFP）材料的制备”为导学案例，在课程教学前抛出问题“磷酸铁锂材料的制备方法有哪些，涉及哪些材料表界面的知识？”，引导学生课前自主查阅资料，同时，借助欣旺达大学发布的《磷酸铁锂材料的制备与表征》，让学生在课前深刻体会表面与界面知识在锂电新材料产业发展和技术升级中的重要性。其次，在课程教学中围绕磷酸铁锂材料的2种制备方法——液相法和碳热还原法，引出液相法中碳酸锂Li2CO3和磷酸H3PO4等组分在水热反应釜中界面相互作用及碳热还原法中磷酸二氢锂LiH2PO4和生物质碳源混合烧结过程中固体表面形貌的调控过程。如图1所示，由不同制备方法得到的LFP材料表面形貌具有较大差别，液相法得到的磷酸铁锂颗粒细致均匀且比表面积较大。2种方法得到的LFP材料形成的表界面缺陷、化学反应活性位点及表界面应力积累也有较大差异，而这些差异会进一步影响锂电材料的物理化学特性。但从技术难度上看，碳热还原法更适合企业规模化生产。“材料表面与界面”课程的理论知识是理解和分析电极表界面性能的基础，电极表界面结构的微观尺度分析是揭示电化学反应机理和性能演化规律的基础，由此可以建立“材料表面与界面”课程与锂电新材料研发之间的关系[4]。最后，在课下自主学习环节，将企业发布的《新能源智能制造行业分析》视频资源作为课后学习资源，引导学生将基础理论学习和职业素养培育融合，充分理解新材料技术的内涵及外延，培养学生理论结合实际并用于案例分析和对专业技术探索的能力，引导学生积极思考专业教育与产业兴国的辩证关系，培养学生诚实守信和爱岗敬业的职业素养，使学生树立国家意识、政治认同及科技强国等理念。此外，还可以通过产学研合作项目，引入企业资源和工程人员的产业经验，对高校教师进行系统化指导和培训，弥补教师在产业化理论方面的不足，促进教师队伍基础理论和产业化应用理论的全面发展。目前，该改革方案已取得初步成效，山东欣旺达新能源有限公司与枣庄学院材料科学与工程专业联合组建了锂电卓越工程师班。在“材料表面与界面”课程的教学中，企业工程师会基于锂电产业发展与表界面的关系开展系列讲座。在该教学改革实践下，学生对锂电新材料产业产生了更大的兴趣，目前，材料科学与工程专业2024届毕业生中已有7人选择就职于枣庄市本地的锂电相关企业，是上一届人数（2人）的3倍多。

（二）以大学生创新创业大赛促进课程内容的设计与改革

教师是课程教学中的引导者和教学活动的设计者。基于OBE（Outcome Based Education，成果导向教育）教育理念，形成“助学、导学、乐学”的教学思路，达成“记住、理解、应用、分析、创造”的高阶学习模式[5]。大学生创新大赛既是课程学习的补充，又是应用基础理论知识实践创新的过程。“材料表面与界面”课程涉及多种材料科学理论，在教学过程中应根据学生参与大赛的情况对学生进行分组，并根据大赛选题进行课程内容的设计。

改革示例：以“中国大学生材料热处理创新创业大赛”为例。巴氏合金（Babbitt metal）在加入微量元素后得到的表界面显微组织及这些显微组织对巴氏合金力学性能具有重要的影响。如锌（Zn）的添加导致锑（Sb）在锡（Sn）基体中的固溶度降低，更多的网状锑化锡（SnSb）颗粒沿晶界析出，对蠕变变形过程中晶界滑动起到了钉扎效应。然而，铜（Cu）含量的增加对 Sb在Sn基体中的固溶度没有明显影响。这些内容与“材料表面与界面”课程第三章《固体表面》和第八章《金属材料的表面》教学内容密切相关。因此，在课程内容设计中，首先，可以由参加“中国大学生材料热处理创新创业大赛”的学生小组在课前搜集金属材料表面处理的应用案例，以案例导学，提炼知识点，养成学生自主思考的学习习惯。教师在案例导学的基础上，根据教学内容提出延伸问题，如“金属表面改性的方法有哪些，如何正确表征金属表面改性的效果？”，并开展专题

作者简介：万玉勤，男，讲师，博士，研究方向为表面界面自组装、功能材料;刘泳，男，副教授，博士，研究方向为化工安全、功能材料。

通信作者：丛兴顺，男，教授，博士，研究方向为分子煤化学及低碳煤化工。

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“面向高端化工产业的‘材料表面与界面’课程建设与师资培训”（221000454070513）、“师生共育新模式下创新型化工人才培养探索”（220806655030037）;枣庄学院教改重点项目“‘师生共育’新育人模式的创建及其在‘卓越本科生’培养中的实践探索”（202205）