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1、應(yīng)用型高等教育下《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程改革和教學(xué)方案設(shè)計(jì)研究
摘要:《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一,也是該專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)課之一,有著重要的地位。為適應(yīng)高等教育改革的要求,結(jié)合應(yīng)用型本科教育的特點(diǎn),通過剖析目前課程教學(xué)存在的問題,提出以“夯實(shí)基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導(dǎo)方針的教學(xué)方案,并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核模式等幾個方面展開探索,為材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)過程提供新思路和新方法。
關(guān)鍵詞:材料科學(xué)與工程;材料科學(xué)基礎(chǔ);應(yīng)用型本科教育;課程改革
在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中,材料科學(xué)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱之一。近年來,我國在材料領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)。目前,國
2、內(nèi)眾多知名高校已經(jīng)開設(shè)了材料科學(xué)相關(guān)專業(yè),如清華大學(xué)、北京科技大學(xué)等開設(shè)了金屬材料學(xué)科;北京化工大學(xué)、浙江大學(xué)等開設(shè)了高分子材料;西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等開設(shè)了材料加工學(xué)科等。2016年,合肥師范學(xué)院成功獲批了材料科學(xué)與工程專業(yè),并開始招生。作為應(yīng)用型高校,該學(xué)科的建設(shè)處起步階段,雖經(jīng)過3年的教學(xué)實(shí)踐,但在專業(yè)課程設(shè)置、教學(xué)方法以及考核模式等方面存在很多的問題亟待解決。
1課程教學(xué)的問題剖析
材料科學(xué)與工程是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能以及四者之間相互關(guān)系的學(xué)科,因而將成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和使用性能成為材料科學(xué)的四要素,把四者聯(lián)在一起就構(gòu)成了材料科學(xué)四要
3、素的四面體結(jié)構(gòu),如圖1所示?!恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》這一門課程便是以材料科學(xué)四要素為主要內(nèi)容,從教學(xué)要求出發(fā),著重于基本概念和基礎(chǔ)理論,并引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用理論解決材料工程中的實(shí)際問題。該課程中材料學(xué)知識十分復(fù)雜,理論性強(qiáng),涉及大量的名詞、概念等等,要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)基礎(chǔ)。而對于我校本科生而言,大多數(shù)同學(xué)數(shù)理化基礎(chǔ)比較薄弱且在學(xué)習(xí)該門課程之前并未系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等課程,因此在教學(xué)過程中會產(chǎn)生一系列的問題,主要表現(xiàn)為以下幾個方面:第一,該課程的部分內(nèi)容理論性強(qiáng)且難度大,涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程和復(fù)雜的文字解釋,使同學(xué)們難以理解和識記,因而易產(chǎn)生抵觸情緒,教學(xué)效果不理想。第二,在國內(nèi)
4、大部分高校,包括我校,目前該課程的教學(xué)方式仍以板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式。這種教學(xué)方式以文字、公式推導(dǎo)和曲線圖為主,圖片、視頻等影音資料很少,使得學(xué)生上課期間缺乏興趣,難以集中注意力;第三,該課程的考核模式以考試為主,且占比很大??荚噧?nèi)容多以課本上的概念、定理以及理論計(jì)算為主,應(yīng)用類題目較少涉及,因而難以達(dá)到指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的教學(xué)目標(biāo)。第四,目前國內(nèi)外材料科學(xué)發(fā)展更新迭代較快,新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮,書本上的內(nèi)容較為有限,在教學(xué)上應(yīng)用部分課時講授材料前沿發(fā)展方向及應(yīng)用,為學(xué)生就業(yè)及科研提供參考,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。第五,材料科學(xué)具有理論知識與應(yīng)用廣泛結(jié)合的性質(zhì),在
5、教學(xué)上,應(yīng)該適當(dāng)培育學(xué)生們的科研及實(shí)踐能力。因此,基于以上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,結(jié)合材料科學(xué)的特點(diǎn),本文將以“夯實(shí)基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導(dǎo),探索該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核模式等方面上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2課程教學(xué)的改革措施
2.1夯實(shí)理論基礎(chǔ)
材料科學(xué)基礎(chǔ)涵蓋較多的基礎(chǔ)概念,這些概念與科學(xué)研究及實(shí)際應(yīng)用都有深刻的聯(lián)系?;A(chǔ)知識的掌握程度對于學(xué)習(xí)材料科學(xué)非常重要。無論是前沿研究還是基礎(chǔ)應(yīng)用,都需要有扎實(shí)的基本功。如利用高分辨透射電子顯微鏡研究材料結(jié)構(gòu)時,需要掌握材料中原子排列的相關(guān)知識,包括晶面指數(shù)、倒易空間等;針對材料的拉伸或壓縮過程,需要掌握材料的彈性模量、屈服強(qiáng)
6、度。同時,相關(guān)概念不僅僅只用于某一個領(lǐng)域,如關(guān)于材料結(jié)構(gòu),即可用于分析材料的相變,又可用于分析二維材料的電磁性能。原子的擴(kuò)散,即可用于研究金屬的熱處理,又可用于研究鋰離子電池。材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)概念復(fù)雜難懂,且課時有限,教師在授課時應(yīng)將相關(guān)概念的背景、定義及應(yīng)用講清講透,確保學(xué)生理解和掌握,積累扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識。
2.2培養(yǎng)實(shí)踐能力
材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科。其中,相關(guān)內(nèi)容是從實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉得到的,如材料的相變,相圖的制作是根據(jù)各個成分及溫度下,進(jìn)行熱處理得到的結(jié)果。本科生僅僅學(xué)習(xí)書本上的內(nèi)容,很難建立起直觀的認(rèn)識。在課程學(xué)習(xí)初期,教師應(yīng)將材料科
7、學(xué)基礎(chǔ)的理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合、抽象概念與具體圖像相結(jié)合,以直觀性的事物或圖像引導(dǎo)學(xué)生對抽象性的理論進(jìn)行掌握。如在學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)時,可用實(shí)物模型展示晶體的FCC、BCC等結(jié)構(gòu)。在講解原子擴(kuò)散時,提示學(xué)生通過想象構(gòu)建原子在材料中運(yùn)動的圖像。
同時,為使學(xué)生更加全面的理解所學(xué)內(nèi)容,建議學(xué)校開設(shè)一定學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課程,如材料的熱處理過程、材料的力學(xué)性能、材料的微觀結(jié)構(gòu)等等。使得在提升運(yùn)用理論知識分析解決實(shí)際問題能力的同時,進(jìn)一步鞏固自己的知識體系。此外,本學(xué)院的教師均有科研經(jīng)歷,研究方向各有側(cè)重,如計(jì)算材料學(xué)、太陽能電池,催化、二維材料等等,有豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷及理論知識。因此可以鼓勵學(xué)生在課外時
8、間積極參與到教師的相關(guān)課題研究中,針對發(fā)現(xiàn)的問題,結(jié)合所學(xué)內(nèi)容加以分析,進(jìn)一步加深對知識的理解與應(yīng)用。
2.3豐富教學(xué)方法
首先,科學(xué)合理控制每課時授課量。確保知識點(diǎn)高質(zhì)量的被學(xué)生吸收,而非對學(xué)生進(jìn)行數(shù)量上的灌輸。其次,調(diào)節(jié)授課內(nèi)容的輸出速率。通過板書、調(diào)節(jié)語速等方式,在難點(diǎn)、重點(diǎn)如材料中的缺陷、擴(kuò)散等知識點(diǎn)上講懂講透,使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容充分吸納和梳理。再者,利用多種方法將相關(guān)概念實(shí)物化、圖像化。在學(xué)習(xí)材料的結(jié)構(gòu)時,可以通過硬球模型展示材料中FCC,BCC等簡單晶體結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)材料的力學(xué)性能時,可以利用多媒體技術(shù),展示材料在受到壓縮或拉伸時的變形過程。此外,利用現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)
9、行學(xué)習(xí)。利用微信、QQ等網(wǎng)絡(luò)技術(shù),建立課堂內(nèi)容學(xué)習(xí)交流群,以便及時上傳教學(xué)內(nèi)容、作業(yè),分享參考書目,解決問題等。讓學(xué)生充分利用課余時間主動學(xué)習(xí),及時解決遇到的問題,進(jìn)一步提高授課效率。
2.4把握學(xué)科前沿
近幾年,材料科學(xué)發(fā)展日新月異,前沿?zé)狳c(diǎn)難點(diǎn)時常更新,新材料、新技術(shù)、新工藝層出不窮。然而書本上的內(nèi)容較為有限,針對材料科學(xué)的前沿進(jìn)展,在課堂教學(xué)時應(yīng)設(shè)置部分學(xué)時介紹材料科學(xué)相關(guān)進(jìn)展,講授基礎(chǔ)知識在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用,啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,為學(xué)生就業(yè)及科研提供參考。結(jié)合現(xiàn)有條件,可以邀請相關(guān)領(lǐng)域教師來校開展專題知識講座,講解本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、前沿進(jìn)展。授課教師也可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),
10、建立微信群或者微信公眾號,向?qū)W生推送材料領(lǐng)域最新發(fā)布的成果,文獻(xiàn)或者方法等等,營造良好的學(xué)習(xí)氛圍,培養(yǎng)學(xué)生對材料領(lǐng)域的興趣。
2.5完善考核方式
目前,對于材料科學(xué)基礎(chǔ)的評分方法,總成績中期末成績占到70%,平時成績占30%,其中在平時成績中平時作業(yè)占主要比例。由此可以看出最終成績主要取決于期末考試的成績,而平時成績主要取決于平時作業(yè)。結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以下問題:①關(guān)于期末考試。僅僅只在期末考核一次,會造成學(xué)生在期末階段突擊學(xué)習(xí),而忽視了平時的積累;②關(guān)于平時成績。平時作業(yè)在總分中占據(jù)20%左右的比例。學(xué)生往往偏重平時作業(yè),而忽視其他課堂表現(xiàn)。教師難以對每個學(xué)生的課堂表現(xiàn)作出
11、準(zhǔn)確評價(jià);③材料科學(xué)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的課程,在本課程的教學(xué)過程中缺乏相應(yīng)的實(shí)踐課程。因此難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。鑒于以上因素,可以在材料科學(xué)基礎(chǔ)一課的成績評定制度上進(jìn)行如下改進(jìn)。
一是引入階段性考核。首先,建議在第9周前后增加一次期中考試。在檢驗(yàn)前期所學(xué)內(nèi)容的同時,及時發(fā)現(xiàn)問題并整改。將期中考試的成績按照一定比例納入到總成績中。在期末考試中,主要考核后期的學(xué)習(xí)內(nèi)容,前期的學(xué)習(xí)內(nèi)容也要有所涉及。其次,提高課堂表現(xiàn)的分值比例,建立周期性的課堂問答方法,如按照學(xué)號讓學(xué)生參與教學(xué)環(huán)節(jié),確保至學(xué)習(xí)結(jié)束時每人都有機(jī)會能參與到課堂教學(xué)。對于主動提問,經(jīng)常與教師討論問題的學(xué)生給予較高的平時成
12、績。
二是設(shè)立相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程,考核實(shí)踐能力。材料科學(xué)是一門注重實(shí)踐的課程,書本上的知識點(diǎn)最終要運(yùn)到到材料的實(shí)際性能、制備及應(yīng)用上。紙上得來終覺淺,通過實(shí)踐考核可以綜合考查學(xué)生對于材料科學(xué)基礎(chǔ)知識點(diǎn)的掌握程度。如通過實(shí)驗(yàn)方法畫制Fe-C相圖及分析合金的力學(xué)性能等。在畫質(zhì)Fe-C相圖時,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會對FeC合金進(jìn)行熱處理,得到不同成分下的合金相,并在顯微鏡下進(jìn)行觀察、分析合金相的形成過程。在分析合金的力學(xué)性能時,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會如何對合金進(jìn)行拉伸或者壓縮,并繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。進(jìn)一步掌握根據(jù)得到的曲線分析合金的塑性變形、彈性變形及屈服強(qiáng)度等。
三是增加研究報(bào)告的考核形式。結(jié)合材料科學(xué)基
13、礎(chǔ)的特點(diǎn),由教師羅列出熱點(diǎn)領(lǐng)域,在班級分成若干小組,每個小組自行選取興趣領(lǐng)域,形成研究報(bào)告,并在課堂上以PPT的形式進(jìn)行報(bào)告。講述該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及問題,形成PPT并向老師和同學(xué)做報(bào)告,最后形成綜合評分。這一考核方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)調(diào)組織能力及團(tuán)隊(duì)意識。在促進(jìn)學(xué)生自身思考以及激發(fā)學(xué)習(xí)主動性的同時,也能讓學(xué)生及時了解最新的國際研究動態(tài)。
3結(jié)語
材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)課程,無論對于科學(xué)研究還是工程應(yīng)用都起到關(guān)鍵的作用。本文通過在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題,結(jié)合材料科學(xué)的特點(diǎn)及相關(guān)院校關(guān)于本課程的較好的做法,以“夯實(shí)基礎(chǔ)、注重應(yīng)用”為指導(dǎo),提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施。當(dāng)然這些方法和措施也需要在教學(xué)過程中進(jìn)行檢驗(yàn)和改進(jìn)。隨著我校對該課程的日益重視,以及材料課程的相關(guān)配套逐漸完善,材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)將會取得更好的成果。