分析深化材料科学基础课程改革助力应用型工程技术的人才培养

　　为了满足现代经济与社会发展对人才结构的需求，适应经济全球化、工业现代化发展趋势，20世纪90年代以来，我国高等教育由精英化转向大众化，同时进行了结构布局的调整，通过合并、升级等方式组建了大量的新建本科院校。而应用型本科院校因为可以终结大学生就业难，企业用工荒的冰雪两重天而成为新建本科院校的主流。据资料显示，2014年将有600所地方本科院校转向应用型。黑龙江工程学院作为首批新建应用型本科院校，及时调整人才培养方案，进行教育教学方法改革，切实提高应用型人才培养质量。
　　应用型本科院校以培养技术工程师、技术管理人员和技术研究人员为主，人才培养中应突出能设计、会施工、懂管理的应用型特点，在理论教学与实践训练并行的前提下，突出应用能力培养的主线，使培养的人才即具有较扎实的理论基础，又具有较强的现场处理和解决问题的能力。因此，应用型本科院校在进行课程设置时，依据地方和行业经济发展的特点，适当增加所需的专业课程，并对部分重要的、基础性的课程进行改革，以满足应用型工程技术人才培养的需要。
　　材料科学基础课程是材料类专业一门重要的专业基础课程，是课程体系中由通识教育课程向专业课程转变的过渡课程，具有举足轻重的作用。但由于该课程是学习其它专业课程的先导，所以内容主要涉及材料科学领域的一些基本概念、基本理论和基本研究方法，知识点多、理论性强、难学不易懂成为本课程的特点。以往教学过程中，多是注重教材内容的灌输，以学生对概念和原理的理解和掌握为主，对于教学过程中学生实践意识和实践能力的培养并没有重视，致使学生实践能力的培养在此课程的学习中出现断档。鉴于应用型本科院校人才培养的要求，开展了对本课程的内容结构及教学模式的探索和研究。
　　1　模块化教学内容的构建
　　依据学科发展规律，1998年，国内高等学校办学由二级学科模式逐步转为一级学科模式，材料类专业由无机非金属材料工程、金属材料工程等二级学科专业演变为材料科学与工程一级学科专业。材料科学基础课程正是在这样的背景下由原来的金属学原理课程发展而来，其知识体系也由原来的常用金属材料拓展到无机非金属材料和高分子材料等。
　　课程从材料的组织结构出发，揭示材料性能与材料结构和制备工艺之间的关系，全面阐述各种材料的共性基础知识及个性特征。作为材料科学与工程专业的基础课程，本课程内容符合图1所示的五要素模型规律。从图中还可以看出，材料科学不仅着眼于基础理论的研究，也考虑了实际的工程应用状况。
　　为了让学生较好地掌握本课程的知识脉络，将课程内容划分为四个模块。模块一：材料的微观结构，主要介绍不同尺度下材料的微观结构特征，内容包括固体材料的原子结构与结合键、材料的晶体结构、高分子材料结构、常见晶体缺陷等。模块二：材料制备理论，主要介绍材料制备过程中晶核的形成、晶体的生长及原子运动规律，内容包括材料的凝固理论、材料中原子的扩散定律等。模块三：材料制备工艺基础，主要介绍材料制备过程中组织与成分、温度、性能之间的关系及工艺制定原则，内容包括相平衡与相图、固态相变等。模块四：材料的性能，主要介绍材料使用过程中的力学性能和物理性能，内容包括材料的变形与断裂、固体材料的电子结构与物理性能等。通过模块方式，强化基本概念和基础理论，体现科学性、先进性和实用性，同时注意应用理论知识解决实际问题的能力的培养。依据这样的思路，编写《材料科学基础》教材一部，书中适当引进工程实践问题，增加了内容的深度和广度。
　　2　多维互动式教学模式的实施
　　实践不仅能出真知，而且是创新的源泉。通过实践和训练，能够加深学生对理论知识的理解和对实践对象的认识，可以磨练意志，提高承受挫折的能力，培养百折不挠的进取精神，在学生的学习过程中具有重要的作用，是提高学生能力的有效手段。因此，本课程以培养学生的工程意识、提高学生的工程能力为主线，采取多维互动的教学模式，分阶段、有层次地让学生对课程内容有所了解和掌握，切实感受材料在工程应用中的作用，并逐步培养运用知识分析问题、解决问题的能力。
　　2.1　培养实践意识
　　古人云譬犹练丝，染之蓝则青，染之丹则赤。因此，课程学习过程中注重对学生工程实践意识的培养。首先，在讲授教材相关内容的同时进行工程知识的渗透。例如，在材料制备理论模块中介绍了凝固理论和原子的扩散定律，其中原子的扩散定律与材料中的很多现象息息相关，也决定着一些重要的材料处理工艺的制定和实施。因此，以扩散定律的应用为基础，提出了机器零件中齿轮的失效分析及获得满足使用性能要求的齿轮的处理方法。因为结合了生活中常见的现象，所以学生对问题的讨论很热烈，都能够提出自己的想法，再通过教师的引导，使学生顺其自然地得到了对问题的解决办法，并很快地理解了相关的知识。除了教材中的内容外，课程教授过程中还与时俱进地添加了部分工程应用案例分析及科学研究的前沿动态，如挑战者号航天飞机爆炸原因分析、纳米材料及纳米技术的研究和应用等。通过这些鲜活知识的引入，使学生对各种材料的工程应用背景及材料的正确选择、应用和性能改进等方面有所了解，在潜移默化中培养了学生的工程意识。其次，积极调动学生的学习主动性，通过开展三个一活动，扩展学生的知识面，丰富学生的学习生活。三个一活动是将学生分成若干小组，每组以材料领域的一种新材料、新工艺或新技术为主题，查阅资料并进行归纳整理，然后派代表在课堂上进行汇报。经过努力，学生分别围绕智能材料、生物功能材料、先进复合材料、材料的原位自生方法、材料的计算机模拟技术等多方面进行了精彩的汇报。通过这样的活动，展现了学生较强的信息获取与总结能力及分工合作、团结友爱的团队精神，更重要的是让学生对材料的研究现状及发展动向有所了解，懂得学以致用，并为后续的专业学习和知识积累提供参考。
　　2.2　创造实践机会
　　纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。要想使学到的知识能够为我所用，必须身体力行，在实践中体验和感受。因此，课程学习过程中设置了实验环节，形成了验证性实验设计性实验综合实训的循序渐进的实践模式。
　　实践从最基本的专业技能训练开始，设置了金相试样的制备、金相显微镜的使用、铁碳合金平衡组织观察、材料硬度的测试等实验。通过这些实验，让学生掌握对材料进行研究时试样的处理方法及一些基本性能的检测方法。第二阶段训练注重学生收集、归纳信息并进行有效设计的能力的培养，以铝硅合金熔铸、铝合金的回复和再结晶等为题目，让学生通过查阅资料等调研过程，依据材料的使用条件及性能要求制定正确的材料处理工艺，设计完整的实验方案，并能够提供相应的理论依据。第三阶段训练注重学生对知识的综合运用能力的培养，学生根据前期制定的实验方法实施实验，收集实验数据，并对实验现象和数据进行分析整理，最终完成相关的研究报告。通过这样的实践训练，学生能够将所学的专业知识运用到实际问题的研究中，学会分析问题、解决问题的思路和方法，并能够感受到问题解决之后的成就感和喜悦之情，极大地提高了学生的学习兴趣。
　　2.3　提升实践能力
　　通过前期的学习和训练，学生已经掌握了材料的组织结构、性能和加工工艺的相关理论知识，具有了进行材料研究的基本专业技能，并对材料领域的研究前沿信息有所了解，若能够为学生搭建良好的平台，则可以帮助学生施展才华，较快地成长起来。因此，鼓励学生积极参加各种学科竞赛和科技创新活动，通过第二课堂提升学生的实践能力。
　　学生曾参加黑龙江工程学院主办的大学生科技创新项目、大学生创新创业项目及黑龙江省首届大学生材料科学与工程创新设计大赛等多项竞赛活动，分别进行了NiTi形状记忆合金表面羟基磷灰石涂层的制备、绿色环保型铝合金表面防腐涂层的实验研究、导电屏蔽复合材料一体化设计及制备等多个项目的研究，并取得了多项奖励。
　　3　累积式考试方式的施行
　　材料科学基础课程是学习其他专业课程的基础，因此是一门比较重要的考试课程。以往采取的考核方式是期末闭卷考试，以百分制计，仅凭此考试成绩作为最终的考核成绩。这种考核形式存在的弊端是，平时上课时学生不能严格约束自己，存在迟到、早退、上课不注意听讲，甚至旷课的现象，而到期末则搞突击学习，对专业知识只是短暂的记忆，没有深刻的消化理解与系统的归纳总结，严重影响了教学质量。
　　因此，对课程的考核方式进行改革，注重学生在全程学习过程中对知识的掌握和应用状况。考核仍采用百分制，但将课程的总成绩分为平时成绩和期末成绩两部分，其中学生出勤情况、平时作业、课堂讨论、实验操作及实验报告记为平时成绩，占总成绩的40%，期末闭卷考试成绩占总成绩的60%。这种方式不以一次考试成绩定高低，而是将学生的平时表现也考虑到总成绩中，对学生的平时学习起到监督和督促作用。教师在每次学生考试之后，对各个学生的成绩进行核算，并对全体学生的考试成绩进行分析，找出存在的主要问题进行剖析，在自省的同时，为今后进一步改进教学方法，提高教学质量奠定基础。
　　4　结束语
　　以培养工程意识、提高工程能力为主要目标，深化材料科学基础课程的内容和教学模式的改革。通过吸收现代教育思想和手段，加强实践教学环节的设置，强化理论知识和实践内容的协调，充分调动学生的学习主动性和思维创造性，努力培养面向21世纪具有全面素质和创新精神的应用型工程技术人才。