[出处] 教育教学论坛_2022年第19期

马琛

[关键词] 材料科学与工程基础;教学改革;理论与实验融合

[基金项目] 2020年度华侨大学科研启动费项目“新型高性激光防护复合涂层研究”（20BS203）

[作者简介] 马 琛（1992—），男，江苏徐州人，博士，华侨大学材料科学与工程学院讲师，主要从事高温高能热防护涂层研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）19-0045-04 [收稿日期] 2021-08-30

21世纪以来我国经济飞速发展，对人才的需求量激增。高校作为人才培养的主阵地，主要注重基础教育和专业知识培训，但企业更加注重实际的技术应用以技术变现。因此，当前社会上出现了“学生就业难，企业招工难”的问题，揭示了高校教育培养与企业需求对接时已经出现较大的供需差异[1，2]。材料技术是推动现代化社会经济发展的强大动力[3]，而“材料科学与工程基础”是该专业的核心课程[4，5]。该课程的教学设计虽然能够满足基础专业知识的广泛覆盖，但随着国家对于技术应用的重视及新工科建设的提出[6]，传统的理论讲授已经难以满足新时代对人才的需求[7]，如何通过高校专业课的教育提升学生理论结合实践，以及发现问题、解决问题的能力，是当前“材料科学与工程基础”课程教学亟待解决的难题。尽管高校配备了相关实验课，但实验内容设置与理论课的教学内容匹配度较弱，固定的实验流程和以演示为主的教学模式，限制了学生对理论与实验相结合的思考。因此，实现理论与实验教学的高度融合，不但能够巩固学生对于专业知识的理解，更对培养学生专业能力、动手能力、分析能力、创造能力具有重要的作用。

一、“材料科学与工程基础”的教学现状

（一）“材料科学与工程基础”课程简介

“材料科学与工程基础”课程创立于20世纪60年代初期，是一门研究材料共性规律的学科。该课程的内容涉及金属材料、无机非金属材料，以及有机高分子材料的成分、制备加工技术、组织结构与性能之间的联系，通过该课程的学习，学生能够运用理论知识解释材料学相关科学问题，并解决一定的材料及其相关领域的工程问题。该课程涉及的材料知识范围广，以夯实专业基础为主要的教学目的，能够让学生对本专业有一个相对清晰的认知，是本科生从通识教育走向材料学专业培养的桥梁。此外，通过该课程的学习，学生将首次接触到材料学基础实验，材料专业作为工科专业，实验操作是学生所必须具备的技能之一，该课程的有效开展，将对学生后期进实验室打下良好的基础。因此，该课程在材料学专业具有非常重要的意义，多数学校的材料相关专业研究生考试也把“材料科学与工程基础”课程作为专业课考核科目。

当前，“材料科学与工程基础”课程通常设置为72学时，课程讲授重点依据不同的系别有所区分，但整体都以物质结构相关知识为基础，通过从微观到宏观阐述原子结构、原子间相互作用及晶体结构等相关知识，让学生首先理解材料的构成，以此為基础引申至材料内部的晶体缺陷、固态扩散、塑性变形等相关知识，以此为学生搭建出一个立体的知识体系。

（二）“材料科学与工程基础”课程存在的问题

“材料科学与工程基础”课程已经经历了数十年的发展与更迭，教材也在不断地完善，课程的理论教学已经趋于成熟，但当前高校的教育更加追求理论与实验相结合、能够基于已知理论分析解决实际问题的人才，这使得已经相对成熟的理论教学模式暴露出一定的问题，仍有进一步改革的必要。

1.“材料科学与工程基础”课程理论教学与实验教学在教学内容相关性上较薄弱。该课程的理论教学，在机理探究方面具有涉及范围广、知识点基础等特点，而相匹配的实验项目，通常以材料认知为主要的教学目的，虽然能够一定程度上增强学生对该专业基础的理解，但由于实验内容与理论教学的相关性较弱，难以使学生主动地将实验内容与课堂理论知识点相关联，这是当前“材料科学与工程基础”实验课设置上所面临的难题。例如，密度、吸水率、孔隙率的测试通常是“材料科学与工程基础”实验课程的实验内容之一，虽然该部分能够助力学生理解材料的自身性质，但该内容并无法帮助学生理解该课程所涉及的相关理论知识。如何通过实验教学，真正实现运用理论知识解释实验结果，实验结果印证理论知识，是当前该课程的改革方向。

2.“材料科学与工程基础”课程理论教学与实验教学在教学模式上尚未实现融合。传统的教学模式是理论教学与实验教学分离，且理论教学内容与实验教学内容不同步，学生在接受理论知识点时，实验教学可能还没做到或者已经做完了相应实验，这样导致学生在接受知识的时候，无法实现同步接受，学生无法用已学的理论知识解释接触到的实验现象，这会在一定程度上影响学生自身尝试理论结合实验的效果。此外，虽然理论课与实验课在名义上属于同一门课，但通常是由不同教师去讲授，授课教师之间连贯性的缺失，会弱化理论课与实践课之间的关联。

3.“材料科学与工程基础”课程理论教学与实验教学在考核形式上缺少关联。通常理论考试以闭卷的形式进行考核，主要考核学生对相关概念的理解，对相关理论的计算，通过理论解决典型问题的能力，以及对相图内部信息的提取与运用。这种考核方式能够比较全面地掌握学生对书本内容的理解程度，是一种比较成熟的考核手段。该课程的实验教学考核形式以实验报告与实验结果为主要考核形式，依据实验过程中的表现，以及实验报告的撰写情况，对学生的表现进行打分，综合考量学生对实验过程的理解与掌握程度。尽管在理论教学与实验教学的考核上都已经成熟，但如果考虑到理论结合实验的教学模式，该考核形式并无法综合考量学生对理论与实验结合的应用效果。

二、“材料科学与工程基础”理论结合实验的改革方法

针对上述问题，需要有针对性地加强理论教学与实验教学之间的联系，通过打破两种教学方式之间的壁垒，基于理论知识有针对性地设计实验内容，将理论与实验的教学在形式上实现联络，在内容上融为一体，让学生能够透过实验现象学到理论本质，基于理论知识解释实验机理，理论教学与实验教学之间的相辅相成，才能让学生真正消化理论知识，实现学以致用。

（一）打破理论教学与实验教学的壁垒

为了加强理论教学与实验教学之间的联系，真正打破两门课之间的隔阂，可以将理论教学与实验教学融合在一起，力求在理论教学过程中，出现知识点，便将相关实验以学生动手操作的形式，自行验证或观察。使得理论教学不再局限在教室，而实验教学也不再局限在实验室，通过将教室与实验室打通，让学生能够在吸收理论知识的当下，用实验手段去证实。不同于传统理论课与实验课单独授课的形式，这种将两个课堂合二为一的方式能够让学生意识到自己在学以致用，同时能够有效激发学生观察实验现象、提出相关疑问，寻找相关答案，获取相关理论知识的自我学习意识。而教师，不仅扮演讲授知识点的角色，还扮演了解决学生困惑、推动学生自我思考的角色。理论教学与实验教学合二为一的教学模式，能够大大提升学生的学习热情，改善学生对理论知识的吸收效果。

例如，在讲晶体结构时，不仅可以通过多媒体形式，以图片和视频的形式让学生了解晶体的组成、分类，也可以在讲解过程中，结合X射线衍射分析中所使用的布拉格方程，让学生更加深入理解晶体及晶面间距的概念。此外，可以结合材料模拟软件，让学生根据晶体经构图，模拟出或者直接通过实验得到已知材料的XRD图谱，通过具体讲解X射线衍射分析及XRD图谱模拟以及测定过程，加深学生对晶体学理论知识的理解，以及对晶体分析等实验方面的认知。

（二）基于理论教学设计实验内容

为了实现理论与实验的高度融合，教师需要依据理论教学有针对性地设计实验内容，实验内容可涵盖学生的实际操作、计算机软件模拟、演示实验，甚至是涉及高精尖仪器的视频内容学习，基于上述理论课堂与实验课堂的融合，实现时刻将“理论解释实验，实验验证理论”的教学思想渗入课堂。针对性的实验设计，需要教师能够深入理解理论教学内容，把知识点分散在实验内容中，以科研探究的方式，让学生理解实验现象所反映出的科学道理，从而在教学的过程中，不断加深学生分析问题、解决问题的能力。

例如，在讲解“材料的形变和再结晶”章节时，低碳钢的应力—应变曲线是该章节的核心内容，为了让学生能够深入理解低碳钢的应力—应变曲线，教师可以在课堂开始前，向学生展示低碳钢的拉伸试验，让学生能够直观地观察到材料在外力作用条件下出现的弹性形变阶段、屈服阶段、颈缩现象、断裂现象，并结合实验讲解弹性极限、屈服强度和抗拉强度，以此引出该章节对材料形变规律及其微观机制的探究。

（三）基于实际实验现象总结理论知识

学生对于理论知识的理解，是一个循序渐进的过程，需要由浅入深、由表及里地对某一具体理论系统进行认知，这一过程中，始于对概念的理解，以应用理论知识解决实际问题为学习目的。为了达到该目的，传统的教学模式多以现有例题为分析对象，由于例题在长期的传承过程中变化较小，学生通常在教学前就已经对题目有所了解，使得该教学模式对于学生而言是带着答案看问题，教学效果大打折扣。如果能够重新设计实验或者根据现实已有的实际问题，切实地让学生看到实验过程中所出现的难题，自己依据课本中已学理论知识，尝试解释实际实验结果，该方式有望激起学生的学习欲望，提升学生分析实际问题的能力。

例如，在讲解“材料的形变和再结晶”章节时，学生对于晶界的理解在該章节中起到重要作用。晶界自身具有协调、促进、障碍和起裂作用，这是理论知识教学传授给学生的，属于概念知识。如果在教学过程中，教师能够给出现实生活中所存在的实际问题，如航空发动机叶片通常采用的是单晶体，避免了晶界，通过抛出该问题让学生去思考该问题的答案，并通过视频资源让学生了解叶片在航空发动机中的工作环境，通过这些周边资料，让学生讨论分析航空发动机叶片采用单晶体避免晶界的原因。整个学习过程中，通过抛出实际问题，让学生运用理论知识解释或解决该实际问题，不仅能够加深学生对概念的理解，更能让学生融会贯通，实现对理论的运用。

（四）理论与实验相融合的考核机制

理论教学与实验教学的高度融合，其目的是为了让学生能够在掌握基础知识的基础上，灵活运用理论知识解决实际问题，因此，单一的闭卷考试及实验报告形式均无法达到该教学目标考核的目的。为了考核学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力，教师可以合理调整成绩组成，通过给出课程相关的实际问题，设置实际问题的分析与考核，配合闭卷理论考试，实现对学生学习效果的综合考核。

例如，最终的考核成绩可以按照闭卷考试成绩60%，实验技能20%，实际问题分析20%的权重来分配。首先，在考核模式上将理论教学考核与实验教学考核融为一体，不再孤立，让学生意识到实验在该门课程中的重要意义。其次，在实验教学的考核上，不再简单以实验报告作为衡量标准，通过运用课程相关知识解释实际问题，具体考查学生分析问题、解决问题的能力，在考核环节让学生理解理论与实际问题之间的联系，加深对“材料科学与工程基础”这门课程理论知识点的认知。

通过打破理论教学与实验教学的壁垒，基于理论教学设计实验内容、实际实验现象总结理论知识，并建立理论实验相融合的考核机制，有望进一步增强“材料科学与工程基础”这门课对材料学专业学生的影响。不仅让学生能够拥有扎实的专业基础知识，也能够把学以致用融入专业培养计划中，助力于解决当前“学生就业难，企业招工难”的困境，为国家培养并输送有用的专业人才。

结语

高校教育已不局限在传统的理论教学当中，提升学生基于理论知识分析问题、解决问题的能力是当前教育努力的方向。本文提出的理论与实验高度融合的“材料科学与工程基础”课程改革方案，能够通过打破理论教学课堂与实验课堂之间的壁垒，并有针对性地设计实验方案，基于实验现象总结理论知识，实现“理论解释实验结果，实验结果印证理论知识”的双向教学。在此基础上，通过建立理论与实验相融合的考核机制，实现对学生综合能力的全面考核。本文所提出的课程改革方案，能够适应新时代高等院校的发展需求，对其他学科的教学改革具有重要的借鉴意义。