简谈材料科学基础课程教学改革的探索与实践

　　材料科学基础是材料类专业的一门重要专业基础理论课程，在基础课与专业课之间起着承前启后的作用，为无机非金属材料工程和材料化学等专业的后续课程奠定必要的理论基础，给从事材料科学研究和工程制造的科技人员讲授必备的专业基础知识。材料科学基础主要阐述材料的形成规律、微观结构和性能以及它们之间的相互关系，主要包括材料的组成、结构、性质关系模块、多相系统相平衡模块和材料制备中的高温动力学过程与显微结构控制模块等内容。学生在学习过程中，普遍反映材料科学基础内容多且抽象，不易理解，学习中抓不住重点。
　　为切实解决这些问题，切实巩固和提高教学质量，笔者和所在教学团队对材料科学基础进行了教学改革的探索和尝试，着重提高课堂教学效率，强调精选教学内容，优化课程设置，调整学生的考核方式，力求培养学生求异的思维能力，独立获取知识的能力以及创新的综合能力。
　　一、教学核心在课堂，课堂改革重效率
　　教学改革的核心和关键是课堂教学，实现有效教学是课堂教学的朴素要求，达到高效教学是课堂教学的主要任务。为此，应从设计新型思路、重构课堂结构、营造民主气氛、尊重个体差异、坚持激励原则等方面入手，努力实现高效教学，促进学生发展。
　　教育的目的并不仅是知识的传授，给出知识的教学方式向引起活动转变是教学设计的必要途径，学习过程给学生传输的自我肯定、理性思考和科学态度等内在精神远比获得单纯的知识更有意义。学科教师着重研究学生的已知与未知，研究学生的认知与情趣的发展，要改变以往教学中的机械训练，适当模拟把枯燥的课堂改变成有趣的情境，让学生自我倾向地探索、思考、理解。教师要改变以前单纯教学的思维，树立帮助学生学会学习的理念。
　　课堂的根本目的在于学生知识的主动构建与其情趣的积极发展，因此，教师的主要工作在于结合学生的自身实际与需求，最大程度地发挥其主观能动性，使学生在50分钟的课堂时间里获得真正意义上的东西。创造宽松的学习环境、营建活跃的探讨氛围，使学生获得心理上的自由与安全，有利于学生思维的跳跃发展，没有顾虑或顾虑较少地发表意见、提出问题、认真讨论，跳跃的思维、不同的观点往往碰撞出奇异的火花，不受束缚的学术交流使学生甚至教师在对事物的原有认知上获得新的启发，在认知能力上得到有效的训练，同时也激发了学生自主学习的激情。
　　学生在学习过程中出现的个体差异是必然存在的，其主要体现在认知差异上，认知上的差异使学生的认知水平、学习能力、思维策略与认知方式各有不同，因此，教师应当充分了解学生的个体差异，并尊重学生在学习过程中表现出的不同反应，设计不同层次的问题，安排不同类别的练习，引导每一个学生主动参与学习，在学习活动中提出各自解决问题的方式，并让学生养成善于与他人交流策略的习惯，以丰富学习经验。
　　在关注学生学业成绩的同时，更要关注学生的情感、态度的发展。对学习进行鼓励，尤其是课堂上的鼓励能在很大程度上提升学生的学习热情，使其在自我肯定后进一步被外界、尤其是授课教师所肯定，这是情感上的促进，也是在未来学习中遇到困难时继续探索、不会放弃的动力。
　　二、优化课程设置，精选主要内容
　　本课程内容繁多，概念抽象，是深层次专业知识的奠基石之一，以增强理论为基础，充分满足学校应用型工科专业人才的培养目标，并在秉承教授共性知识和贯彻丰富知识的原则下，进行精选课程内容，调整课程体系结构。
　　材料科学基础是研究材料四要素组成、结构、性能与效能以及它们之间的关系，以材料四要素为主线索对各个知识点深入浅出地进行讲解，使学生能由点及面地理解一个概念，触类旁通地认识各种材料。例如在讲解硅酸盐晶体结构时，列举不同硅酸盐晶体结构的材料，介绍在不同条件下各硅酸盐晶型的转变，以及晶型转变对材料性能的利弊影响。
　　科学的进步促进了材料的更新，在以基本无机非金属材料为基础的教学中适当引入相关的前沿新知识，扩充学生新材料、新工艺的知识面，给学生一个正确的方向进行独立思考，以便于在进一步的学习中事半功倍。例如在讲授晶粒概念时，引入纳米的概念，介绍纳米的由来、特点、物理性能、力学性能等知识，让学生了解目前国内外相关领域的最新发展研究状况。
　　注重知识的内在联系。学习的提高关键在于学习方法的选择，在授课过程中教师应该将科学的学习方法引入学生的学习中。将学生以前学到的相关知识，与将来专业课中要接触到的部分内容融合，承前启后的教学方法能使学生在学习过程中形成良好的知识网络结构，提高学生分析问题和解决困难的能力。例如在学习烧结内容时，简单介绍水泥的生产工艺，将理论与实际相结合，使学生在理解单纯概念的基础上再度提升一个层次。
　　三、运用多媒体技术化抽象为形象，把握利用程度变阻力为动力
　　由于材料科学基础课程内容中复杂概念、抽象的知识点较多，理论性强，给学生学习带来一定困难，如何更形象生动地展示课程内容、增强课程的吸引力就成为课程教学改革的一个重点。随着多媒体技术的发展，变抽象概念为形象立体描述成为可能。
　　材料的组成、结构、性质关系模块及相平衡模块是课程的重点，特别是材料的组成、结构、性质关系模块，是理解材料科学与工程主要要素之间相互关系的基础，但空间结构复杂，需要丰富的空间想象能力，学生依靠书本上的平面图很难了解材料内部结构的真实面貌。但是通过CAI课件形式就可以把传统教学方式所不能表述的材料结构以三维动画形式反映出来，生动地反映到教学中去。笔者利用计算机综合处理文字、声音、图像、图形、动画等信息研制出一个多功能课件。利用3Dmax制作晶体结构、硅酸盐晶体结构动态模型，可以生动形象地将它们的立体空间结构展示出来；利用Flash、Photoshop将多相系统相平衡模块中多相相图构成和相平衡结晶路程分析过程动态地表现出来。借助立体模型及多媒体手段，帮助学生建立微观结构的立体概念，使抽象的结构直观化地再现出来。
　　这种形象的教学方法从视觉上给学生一个冲击，彩色立体的静态图形、形象变换的动态视频，便于学生进一步对理论概念进行联想，使学生易于克服学习过程中的障碍，变晦涩概念为感性认识，激发学生学习的兴趣，从而增强了学习的主动性和自主性，逐步推动学生由完全逻辑推理思维方式向发散思维方式转变，同时也很大程度上解决了教师的难题，从另一个方面也提高了课堂教学的效率。
　　在多媒体课件运用过程中需要注意的是，既要善于采用现代化和多功能的教学手段又不能迷信于多媒体教学。多媒体技术为教师教学顺利实施提供了形象的表达工具，但同时也对学生形象思维的培养带来了不利因素，容易让学生对空间结构知识的学习产生依赖性，多媒体教学的过度使用也会限制师生的交流。因此，多媒体教学的使用程度是需要教师在实践中进行把握的。
　　四、典故联系概念提高兴趣，比喻贯穿教学深入浅出
　　在学生对于专业概念难以理解、兴趣受挫、教师讲解效果不理想的情况下，教师可以重塑思维，尝试在教学中适当地引入与理论相关的材料科学名人典故，以启发学生更好地理解复杂知识，无形中可使学生课后收集相关名人典故，从不同角度促进了学生学习的主动性。例如在学习扩散章节时，教师可以引入柯肯达尔在研究铜与锌的扩散规律时，始终以科学严谨的态度对已有研究持否定态度，进而证明了固体的非互易扩散。
　　同样，在教学中恰如其分地使用比喻，可以化抽象为具体，化繁难为简单，化深奥为浅显。例如在讲解晶体与非晶体概念时，以士兵为例，士兵的组织纪律性强，列队训练时就像排列整齐有序的晶体，而以电影院散场的观众为例，从整体上看是无序的非晶体。用场景模拟是一种通俗易懂、深入浅出的教学方法，且能让学生在深入理解概念的同时长期记忆繁杂的概念。
　　在比喻教学中，可比性是衡量度，没有共性的本体和喻体只会使教学适得其反，与此同时，简洁性与通俗性也是该教学方法的关键之处。
　　五、考核方式考虑多元因素，注重培养学生创新能力
　　期末成绩考核是对学生一学期学习的检验与评价，传统的单一考核方式使教学内容和方法的改革受到限制，如果考试制度因循守旧，教学方法改革也只能是纸上谈兵。单一的期末闭卷考试，必然会导致学生死记硬背用以应付考试，试卷的完成情况也不能全面客观地评价学生的学习。
　　为了改变这一状况，笔者尝试考核方式多元化，例如在上课过程中，有意布置一些任务让学生通过查阅资料结合所学知识，提炼出自己的观点，在课堂上用多媒体的方式为老师和同学有理有据地阐述自己的观点。这样的方式不仅是要求学生学会课堂知识，更是培养学生的创新能力，通过对所学知识的沉淀，找出自己感兴趣的部分，在其基础上构思自己的想法，利用学校数据库资源对新的观点进行检验和论证，这也是学生综合能力的体现。
　　六、学科建设与素质教育相互渗透，自然科学与人文科学有机结合
　　理工科教育把科学原理教育摆在首要位置，但同时必须大力加强人文素质教育，使两种教育在教学过程中相互渗透，彼此协调合作。人文素质教育虽不能解决具体的问题，却可以给予宏观的规范和指导。例如将教会学生如何正确地思维，如何把握事件的本质，用符合逻辑的方式思考科学问题，用严谨的态度对待科学研究项目，用独特的识别力寻求学科的发展，使学生在学习科技知识的同时，吸收人类精神文明的成果，塑造健康的人格。
　　对于材料科学基础这样一门专业性很强的课程，教学改革应该积极吸收学科领域内外一切相关的新知识、新理论。针对理工科学生哲学知识的匮乏，在教学过程中将自然科学范畴的材料专业知识与人文科学范畴的哲学知识有机地结合起来，通过浅显易懂的哲学概念对理论知识进行讲解，使专业课教学有了新的开展维度，促进了理工科通识教育的开展。例如学习材料结晶的过程，晶核形成至关重要，该理论的基本预设是，在原有的液相中通过不同的方式形成晶核，由相变推动力与相变阻力共同决定晶核的继续长大或消失，从哲学的角度看，结晶成核现象是旧事物中存在新事物的范例，存在于旧事物中的新事物包含了许多不稳定因素，但一旦环境条件适合，新事物就能由小到大，由弱变强，直至完全取代旧事物。