“產(chǎn)教+科教”雙融合下材料科學與工程基礎(chǔ)課程教學模式創(chuàng)新與實踐

張贊，王占忠*，郭亞南，楊立芹，荀達，李朋

(1.邢臺學院物理與電子工程學院，河北 邢臺 054001；2. 邢臺學院教育科學教學部， 河北 邢臺 054001)

0 引言

科技進步日新月異，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，然而產(chǎn)業(yè)需求側(cè)和人才培養(yǎng)供給側(cè)在質(zhì)量、水平上還不能完全適應(yīng)。二十大報告指出教育、人才與科技的“三位一體”，強調(diào)產(chǎn)教融合、科教融匯的重要性。深化產(chǎn)教融合、科教融匯，促進人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈有機銜接，是推進人才培養(yǎng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的迫切要求，對新形勢下全面提高教學質(zhì)量具有重要意義。而課程是實現(xiàn)教育變革和推動人才培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)提升的核心，因此深化產(chǎn)教融合、科教融匯的著力點在于課程。材料科學與工程基礎(chǔ)是材料類專業(yè)核心課程，對學好材料類專業(yè)其他課程至關(guān)重要，但該課程理論環(huán)節(jié)主要探究晶體內(nèi)部的微觀世界，內(nèi)容抽象復(fù)雜，用板書和多媒體教學難以與學生產(chǎn)生共鳴，造成學生死記硬背多、被動學習多[1]；實踐環(huán)節(jié)還存在高危險系數(shù)，如高溫、易爆、毒性或環(huán)境問題，還有的需要昂貴材料或大型實驗設(shè)備，無疑制約了學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致在學生的持續(xù)發(fā)展中出現(xiàn)能動性較差、適應(yīng)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力不足和缺乏職業(yè)能力培養(yǎng)等現(xiàn)象。根據(jù)教學實施中存在的這些“痛點”，課程堅持以學生為中心的核心理念，以成果導(dǎo)向為目標，踐行科研、科技、產(chǎn)業(yè)與教學融合，在課程教學與實踐過程中，重點從教學內(nèi)容、教學方法、教學環(huán)境和教學評價四個方面進行了探索研究，持續(xù)改進教學模式，取得了初步成效。

1 課程教學改革的基礎(chǔ)

1.1 課程內(nèi)容和作用的介紹

“材料科學與基礎(chǔ)”課程是材料類專業(yè)的核心課程，是大學階段重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課的鏈接紐帶[2]，該課程主要介紹材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，在材料類專業(yè)知識體系中起著舉足輕重的作用。通過課程的學習，相關(guān)專業(yè)本科學生能夠建立材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝、性能及應(yīng)用的共性規(guī)律[3]及其制約規(guī)律，理解材料制備和使用中的科學問題和工程問題，為設(shè)計、研發(fā)并使用材料奠定基礎(chǔ)。同時掌握典型結(jié)構(gòu)材料及制品的檢測技術(shù)原理，使學生及時了解材料行業(yè)中新領(lǐng)域、新思維、新方法、新成果的發(fā)展動態(tài)。本課程可以為后續(xù)其他專業(yè)課程學習奠定基礎(chǔ)，并能夠提升專業(yè)的認知度和專業(yè)認同感，同時對于發(fā)展新材料、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力具有深遠的意義。

1.2 課程教學改革的基礎(chǔ)條件

經(jīng)過多年的建設(shè)，“材料科學與工程基礎(chǔ)”課程具有良好的“科教+產(chǎn)教”融合實踐教學改革實施基礎(chǔ)。校內(nèi)建有材料工程實踐能力創(chuàng)新示范中心，中心建有實驗室10 余個，比如材料加工實驗室、力學性能實驗室、金相顯微實驗室以及掃描電鏡實驗室等，固定資產(chǎn)達1100 多萬元，可以滿足部分材料檢測實踐教學需求；課程專業(yè)學院教學團隊經(jīng)驗豐富，“雙師”比例達80%以上，多次榮獲校級以上教學比賽獎項，申報成功河北省高等教育教學改革項目2 項和校級教學改革項目5 相；獲批市級以上科研項目多項，其中國家自然科學基金項目2 項；與企業(yè)簽訂橫向課題多項，同時與武漢大學、天津大學、重慶大學、天津理工大學等開展了深度合作；所在學院與河北博遠科技有限公司、晶澳太陽能科技股份有限公司、亨得利公司、博遠冶金粉末、河北沃嘉智能設(shè)備等公司進行深度合作，為課程開展深度產(chǎn)教和科教融合教學改革奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 “產(chǎn)教+ 科教”雙融合下教學改革探究與實踐

2.1 重構(gòu)現(xiàn)代化教學內(nèi)容

2.1.1 科學合理地設(shè)計課堂教學內(nèi)容，將“思政元素”融入課堂教學

在講授專業(yè)知識的同時，發(fā)掘課程中的“思政元素”，積極開展課程思政建設(shè)。例如通過講授材料發(fā)展歷程，使學生了解我國近現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展歷程與成就，樹立學生專業(yè)自信感，強化專業(yè)認同感。另外將專業(yè)典型人物、先進事跡融入教學內(nèi)容[4}，培育學生的科學素養(yǎng)、工匠精神和愛國情懷，如將“材料院士”涂銘旌一生創(chuàng)業(yè)史、顧真安院士一生奮斗史融入課堂，告誡材料的發(fā)展并不是一帆風順，需要幾代偉人用青春、用熱血換來的輝煌，激發(fā)學生為材料事業(yè)獻身的勇氣；原子好比個體，晶格好比團隊，充分利用原子與晶格知識點作為引入點，將材料相關(guān)知識與現(xiàn)實生活結(jié)合起來，引導(dǎo)學生認識團結(jié)協(xié)作的重要性；第二相顆粒提高基體材料強度和韌性知識點關(guān)聯(lián)馬克思主義哲學觀，促使學生提升哲學思辨層次，樹立正確的世界觀。

2.1.2 推動產(chǎn)教融合和科教融匯，豐富教學內(nèi)容

通過校企合作開發(fā)了新型活頁式和工作手冊式教材，將教學資源隨信息技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級情況及時動態(tài)更新，同時將邀請技術(shù)人員進課堂[5]，比如講到晶體的凝固章節(jié)時，與已經(jīng)開展合作的企業(yè)，將汽車輪轂生產(chǎn)的流程引入課堂，增強教學內(nèi)容的實踐性、職業(yè)性和標準性。建立以教材教學內(nèi)容為基礎(chǔ)的原則，依托科研成果和學科發(fā)展趨勢適時更新和拓寬教學內(nèi)容，利用先進的科研方法豐富教學手段，為學生接觸學科前沿、開展科研實踐創(chuàng)造條件[6]，比如已將科研課題中材料模擬案例、建模案例引入課堂，像通過模擬演示泡沫鋁的壓縮，學生能夠清晰看到泡沫鋁的微觀坍塌動態(tài)過程，可以將微觀抽象的知識點以宏觀具體的效果呈現(xiàn)出，更容易使學生加深對課程難點深層次的理解，列舉碳納米管、石墨烯等超塑性新材料與傳統(tǒng)金屬材料理論和應(yīng)用作對比，拓寬學生的專業(yè)視野。

2.1.3 利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)教學資源

利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真模塊和材料檢測虛擬仿真模塊。微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真模塊，將抽象和微觀的晶體幾何形態(tài)和點陣在虛擬平臺上可視化，宏觀呈現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)與材料物性的直觀聯(lián)系；材料檢測虛擬仿真模塊，將檢測設(shè)備、檢測方法、檢測工藝和檢測原理等宏觀呈現(xiàn)，解決了因材料設(shè)備昂貴，數(shù)量較少，無法滿足學生實驗課程的實際操作要求。同時利用現(xiàn)代技術(shù)也制作了精品微課并設(shè)計教學課件?？傊矛F(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)出多樣化教學資源。

2.2 探索多樣化教學方法

2.2.1 貫徹“教師為主導(dǎo)，學生為主體”的原則，采用啟發(fā)、案例、討論的上課模式

在講授過程中，適時運用“合作、探究、互動、評價”的教學模式，充分體現(xiàn)以學生為主體，積極引導(dǎo)學生主動融入課堂教學，啟發(fā)學生思考與解決問題，培養(yǎng)學生自主學習的能力，例如在講解金屬多晶體一節(jié)時，探究晶粒尺寸大小對晶界數(shù)量、集中應(yīng)力的影響，進一步討論晶粒尺寸對金屬硬度強度和塑性韌性的影響；在鐵碳合金一節(jié)，為講授鐵碳合金基本相和鐵碳合金狀態(tài)圖，引入某品牌的保溫杯為“316 不銹鋼”材質(zhì)作為開場白，有助于激發(fā)學生的好奇心，為課程知識點的引入起到了良好的效果。

2.2.2 開展豐富課堂實踐教學活動，提升學生創(chuàng)新實踐能力

開展了豐富實踐教學活動，由傳統(tǒng)型的“教師教學”模式逐步向探究性的“師生研討”與“學生探究”模式的平滑過渡[7]，體現(xiàn)知識、技能和情感三大目標。在課堂教學中，組織學生進行思維導(dǎo)圖構(gòu)建、工藝流程設(shè)計、模型建立等比賽，通過自評和互評，挑選出優(yōu)秀的活動作品。以小組為單元設(shè)置課程目的，通過課堂討論問題，翻轉(zhuǎn)課堂形式講解各組的研究成果，全面探索綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)。

2.2.3 將科研融入教學，開展以問題為導(dǎo)向的合作式、探究式、互動式教學模式

“材料科學與工程基礎(chǔ)”課程對教學的重點在于邏輯思維的建立以及解決問題的方法和能力，能根據(jù)課程特點，通過科研和教學融合，解決理論理解不深刻，實踐創(chuàng)新能力偏弱的難題[8]。根據(jù)教師的縱橫向課題，整理出與教學目標接近的問題，按小組形式分配給學生，開展以問題為導(dǎo)向的合作式、探究式、互動式教學模式[9]，使學生由被動接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習者，促進師生互動和生生互動，比如講到“彌散強化”知識點時，列舉本人的科研項目“含石墨烯泡沫鋁復(fù)合材料的制備及壓縮性能的研究”，在泡沫鋁基體中加入石墨烯后，探討第二相對泡沫鋁壓縮性能的影響，以實際科研應(yīng)用為案例，采用“探究+互動”的形式引導(dǎo)學生學習，加深對微觀的深層次知識點的理解，培養(yǎng)學生的分析能力和創(chuàng)新能力以及批判通用能力。

2.2.4 信息技術(shù)與教學結(jié)合，提升教學效率

結(jié)合學情與課程特點，一些微觀的理論知識點如等徑球體的最緊密堆積、位錯、擴散、復(fù)雜相圖以及晶體結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容很抽象復(fù)雜，已將三維動畫引入課堂來形象和生動地來演示給學生，幫助學生深刻理解和掌握抽象的理論。

2.3 創(chuàng)設(shè)豐富的教學環(huán)境

依托學習通平臺強大功能和豐富的教學資料創(chuàng)設(shè)課程教學環(huán)境，開展線上線下混合式教學，提高學生的自主學習能力和學習效果。為解決章節(jié)重難點，以提出、分析、解決問題為基本思路，逐級匯總和加工文章內(nèi)容，依此設(shè)計出一級主題，并分出層次細化為二級、三級[10]，同步上傳課程課件、學習目標和重難點，滿足學生課前預(yù)習以及課后復(fù)習的要求。同時設(shè)計問題探討、翻轉(zhuǎn)課堂活動、在線作業(yè)等互動板塊，基于科研問題和行業(yè)需求將科研課題中涉及課程中的一些工藝流程、性能強化機理、模擬案例、學術(shù)成果引入課堂教學。這樣學生通過課前自主預(yù)習能對所學的知識有基本的認識，課堂中學生討論及課堂提問的活躍性顯著提高，對問題也有了更深層次的理解和思考。

2.4 建立多元化教學評價體系

課程傳統(tǒng)考核方式由平時表現(xiàn)(40%) 和期末成績(60%)構(gòu)成，考核方式比較單一，缺乏創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)，很難激發(fā)學生的學習欲望，無法客觀有效的評價學生綜合能力、科研素養(yǎng)和創(chuàng)新思維活躍度[11]。把考核方式多樣化、全程化作為轉(zhuǎn)變目標，將綜合能力考核設(shè)置為核心考察內(nèi)容，建立更加科學的成績評定體系。依托課程教學大綱為基礎(chǔ)，建立一套符合學生個性化學習的教學評價體系，滿足過程和總結(jié)性的多元化特點，具體分為：

(1)線上預(yù)習：主要利用平臺內(nèi)學習模塊中的課程視頻和課件資源進行學習，然后進行的預(yù)習自測環(huán)節(jié)，占比20%。學生可根據(jù)自評結(jié)果了解自身的不足以及與其他同學的差距，更有針對性地進行學習強化，教師則可根據(jù)學習資源的完成度和預(yù)習自測答題情況對學生進行綜合評分。

(2)課堂表現(xiàn)：基于課程重難點知識并對學生進行課堂提問，根據(jù)其課堂反饋表現(xiàn)作為評分依據(jù)，占比10%。

(3)專題演講和討論：將思維導(dǎo)圖構(gòu)建、工藝流程設(shè)計、參與問題討論、模型建立、成果展示等任務(wù)引入考核的全過程，由觀摩學生和教師評分相結(jié)合，占比20%。

(4)閉卷測試：按照課程培養(yǎng)目標及課程要求，以閉卷形式對學生的學習成果進行測驗，將起到更好的督促作用，占比為50%。試卷主要分為識記、理解、簡單應(yīng)用和綜合應(yīng)用四大題型，這樣利于教師了解學生對于課程整體的理解和運用的情況，基于測試結(jié)果來綜合評價學生的自主學習效果[12]。通過這種評價方式集中測試學生的綜合素質(zhì)明顯提高以及考慮問題的角度與解決問題的方法明顯多樣化。

3 課程改革效果與反思

隨著教學改革的步伐逐漸深入，發(fā)現(xiàn)學生在理論知識和科學素養(yǎng)等方面都有很大的進步，在課堂上更加活躍參與問題討論，在考試試卷在保持命題難度系數(shù)不變的情況下，學生卷面成績總體呈現(xiàn)上升趨勢，教師教學能力也獲得鍛煉，逐漸向一流課程的目標發(fā)展。通過問卷調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：學生由之前的81%的滿意度提升到90%。案例訪談中由課程改革前個別同學的一般滿意或者不滿意，提高到改革后的特別滿意或者滿意。以上均有力證明了材料科學與工程基礎(chǔ)課程改革和創(chuàng)新的成功。學生創(chuàng)新實踐的積極性顯著提高，報名參與中國大學生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽-材料熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽、全國大學生金相技能大賽和全國大學生微結(jié)構(gòu)攝影大賽的學生人數(shù)越來越多。近兩年指導(dǎo)學生參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽共獲獎20 余項，其中省級以上獎項5 項。同期還組建了2 個學科交叉科研團隊，1 個仿真實踐課題助研團隊，1 個“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊。在科教協(xié)同的大環(huán)境當中，通過教師對學生的鼓勵、帶動和引領(lǐng)作用，學生的學術(shù)視野得到開闊，更有興趣進行科學研究，激發(fā)了做科研的興趣和潛力，在文獻檢索、科研實驗設(shè)計、項目申報等方面均得到了有針對行的訓練，科研方面提升效果也是異常明顯，近兩年已申報成功多項大學生科研項目，讓高達50 余人次走進實驗室，參與科研項目，達到潤物細無聲的效果。

4 結(jié)語

地方本科院校應(yīng)用轉(zhuǎn)型背景下，課程建設(shè)是科研與教學、企業(yè)與學校的基礎(chǔ)契合點。本文從教學內(nèi)容、教學方法、教學環(huán)境和和教學評價四個方面對“材料科學與工程基礎(chǔ)”課程進行改革，實現(xiàn)科教和產(chǎn)教的雙融合，不斷提升學生的實踐應(yīng)用能力，滿足材料行業(yè)對應(yīng)用型和復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求。此次課程改革對于提升本校材料專業(yè)的教學質(zhì)量起到了基礎(chǔ)作用，也給予同級的其他本科院校相關(guān)專業(yè)課程改革提供一定的借鑒作用。