求廖杂育 University Education October, 2017 教学相长,与时俱进 交互式教学在《材料科学导论》中的实践与改革 朱熠民杨振国 (复旦大学材料科学系,上海200433) 摘要]《材料科学导论》是复旦大学面向材料科学系及上海第二军医大学临床医学专业二年级本科生的一门专业 必修课,并于2015年被评为上海市精品课程。本文探讨了目前材料科学基础类课程存在的问题,结合本课程的教学评 价与成果,总结了在教学方法、课程设置、课外实践等方面全方位革新的心得体会。 [关键词]材料科学:交互式教学;案例教学;与时俱进 [中图分类号]G642 [文献标志码」A [文章编号]2095-3437(2017)11-0023-04 引言 材料所共有的基础知识和概念,即材料的组成、结构、组 材料是人类赖以生存和发展的物质基础,它是被用来织与其性质及性能的相互关系。第二部分为固体材料的原 制造一切有用制品的物质。新材料则是人类社会发展和文子结构、晶体结构、缺陷类型、热力学与相图、凝固与结 明进步程度的里程碑标志,纵观人类使用材料的发展历晶、扩散与迁移、显微组织与性能等一些基本原理和概念。 史,从上古石器时代到上世纪末的信息时代,每个时代的第三部分为固体材料的基本性能,同时安排三个与其相配 变革无一不是由于发现并广泛利用了某种新材料,这极大套的综合实验的观察和操作[1:1)磁控溅射法制备透明 的提高了人类征服及改造自然的能力,从而促进了社会生导电氧化物IT0薄膜:2)橡胶材料的拉伸试验;3)偏光 产力水平的高速提升。如今的社会正处于新一轮科技革命显微镜法观测聚苯烯的球晶形态。第四部分为八类新材料 和产业变革的大环境中,新材料正是高新技术的一个重要的特点及其在高科技领域中的应用 组成部分,它是该领域中的基础和先导,因而在国务院去 我国许多高校都设立了材料科学基础类课程,普遍认 年提出的《中国制造2025》中被列为十大领域之 为材料科学入门容易深入难[2-4],其特点表现为概念多、 复旦大学材料科学系现有三个本科专业:材料化学 内容广、涉及面宽,同时也存在概念抽象、内容缺少连贯 材料物理和电子科学与技术。自2010年起,首次开设了性、材料之间缺少必然联系的特点,尤其是材料性能繁琐 《材料科学导论》这门面向三个专业的平台基础课:2011枯燥,缺乏理论依托,因而学生在学习材料科学过程中普 年起上海第二军医大学临床医学专业也必修该课程。该课遍存在学得快、忘得快的现象,甚至不知学后究竟有何用 程旨在以交互式教学的模式,通过系统的学习和实验演故本课程的重点和难点在于让学生理解基础学科与材料 示,使学生掌握材料的基础理论、基本方法和主要性能 科学的有机衔接,明确基础材料的分类,掌握材料的结构 教学中结合实际材料案例吸引学生兴趣,鼓励他们探索并与性能间内在的相互关系。针对这些重点与难点,教师强 了解新材料的特点、特征和特性及其在在高科技领域中的调在讲授过程中始终保持理论与实际相结合,讲解材料科 应用,为材料专业学生今后设计、研发、推广基础材料和学的各个知识点时均选用实际材料案例来分析和解释,以 新材料在国民经济各个领域中的应用提供重要基础,并在此加深学生对材料属性的理解和知识点的把握。对于仅用 创新能力和综合能力方面得到有效的训练和培养。对于七语言无法描述准确的新材料,利用三维动画视频,从三围 年来的建设与改进,本文总结了以下一些收获体会,以期视角理解新材料的特性,进一步激发学生对新材料的兴 为提高材料科学基础类课程的课堂教学效果提供借鉴参趣 课程教学的创新 二、课程内容设置 本课程教学的创新包括:1)教学相长,引导性教学 《材料科学导论》授课内容大致分为四个部分,第一和自主性学习相结合:2)与时俱进,丰富生动的实时案 部分为现代材料科学的基本概念、学科特点和发展趋势,例教学:3)走出课堂,近距离观摩与操作综合实验:4) 包括金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体等五大基础激情授课,寓教于乐的交互式讲解;5)慕课教学,完善 收稿日期:2017-04-20 感谢上海市教委对本文的大力支持。 作者简介:朱熠民(1992—),男,汉,上海人,博士研究生,研究方向:印制电子及风电设备的失效分析。通 讯作者:杨振国(1958—),男,上海人,博士,教授,博导;主要从事材料失效分析与复合材料等研究。 23
太学杂育 的数据化资源共享平台。从教学方法、教学内容、教学实断地完善、充实、丰富和提高。基于这些特点,此类课程 践、讲授方式及教学手段等方面全方位进行研究和革新,往往涉及数量庞杂的原理、概念和定义,且描述材料的宏 充分借鉴国内外相关课程,取长补短不断完善,同时追踪观结构易,讲解微观结构难,在授课过程中普遍存在内容 材料领域的研究动态,保持课程的前沿性。另外通过初次抽象、难理解,学生较难掌握等问题。 接触实验设备的体验,激发学生的科研兴趣,探索培养创 面对这些普遍存在的问题,《材料科学导论》不仅兼 新复合型专业人才的有效模式。 顾了基础理论体系的构建,而且做到了知识结构的“与时 (一)教学相长,引导性教学和自主性学习相结合 俱进”。教师瞄准最新颖、最前沿的材料领域发展方向, 在传统的课堂教学与学习过程中,教学方法相对单每年都对课件进行适当的补充、充实和拓展,及时反映五 通常以教师讲授为主,单方面向学生灌输知识,大致大基础材料和八类新材料的研究现状。例如授课时必定会 表现为“多教少学”甚至“多教不学”的特点[5]。对于结合每年10月份公布的诺贝尔物理学奖、化学奖等所涉 门理工类专业基础课来说,这种教学方法主要存在两个及的新材料进展成果,即时制作课件讲解新材料的特点、 问题:1)学生的知识积累仅限于数学、物理、化学等基制备和应用,比如2010年的二维石墨烯材料、2011年的 础学科,初次接触专业课程往往难以消化大量专业知识,准晶体铝合金材料等。同时,主讲教师每年都有国内外学 他们的学习积极性很容易被打击,从而对整个课程失去兴术会议的大会报告,会直接把邀请报告的内容有选择地讲 趣:2)学生积极性不高,课堂的氛围必然死气沉沉,教授给学生听,使学生对新材料、新工艺、新方法、新技术 师就会感到索然无味,这就会导致授课的过程越发枯燥单等取得的新进展有比较清楚的了解,既增长学生的见识, 调,同时得不到学生的反馈,教师也就无从改进,从而陷又开拓学生的视野,促进他们的自主思考和探索,创新能 入恶性循环 力得到了有效的激发和培养 本课程的主讲教师早在2003年就在材料化学专业开 此外,主讲教师非常注重理论联系实际,将材料应用 设了必修课《材料科学基础》课程,无论是教学内容还是与经济社会密切联系在一起。在授课时会讲述自己实际的 教学效果,均获得学生的一致好评,正是在此门课程的基研究课题,将一些关键的知识点串联起来,辅以一批重大 础上,教师对课程内容进行了大幅改进,开设了《材料科项目的案例分析如秦山核电站[6]、嘉兴火电厂[7]、上海 学导论》课程。基于此前七年的教学经验,教师提出了采石化[8]、汕头印制电路板厂[9]等,直观地让学生了解到, 用“引导性教学和自主性学习”相结合的教学方式,除了材料知识的合理运用和恰到好处的分析方法,不仅为国民 讲授材料科学的基本内容外,适时提出一些与讲授内容相经济重大工程解决了关键技术问题,也为社会公共安全与 关的专业知识让学生在课堂上讨论,或让学生课后查阅相生产提供了坚实保障。除了这些实时案例的分析,教师还 关文献再给出回答。这既促进了学生学习的主动性,培养会结合历史上著名的案例来引起学生的共鸣。例如在讲述 了综合分析的能力,又保证了教师所“教”的内容更易被固体材料的基本性能时,具体分析了泰坦尼克号沉没的案 学生接受,而不是学过就忘,同时也能从学生给出的解答例,配合丰富的图例展示,形象生动的讲解了金属的断裂 中“学”到自己疏忽的知识内容,在今后的授课中可以再韧性和脆性断裂现象,使学生对于抽象的材料性能有了更 度完善。在这样教学相长的教学方式下,教师从被动的为直观的认识,在课后巩固复习的时候也更容易记住这个 “教”转变为主动的“导”,学生从被动的“听”转变为知识点。 主动的“取”,大大提高了学生对专业知识的兴趣与接受 (三)走出课堂,近距离观摩与操作综合实验 程度。 材料科学是一门实践性很强的学科,如果仅仅通过理 (二)与时俱进,丰富生动的实时案例教学 论教学,专业知识只是以文字的形式展现在学生面前,学 材料科学基础类课程是材料专业学生接触的第一门生的接受程度必然存在一定的困难。另外,学生对“摸不 专业课,是一门研究材料的成分、结构与性质相互关系的着”的内容只能死记硬背,即便熟背了所有内容,这些知 学科。它从化学的角度,研究材料的化学成分与原子结构、识在学生的脑中必然是以一个个原理、一则则定义或一条 原子键合及微结构的相互关系;从晶体学和固体物理学的条公式的状态呈现,与掌握知识相去甚远,更不提融会贯 角度,研究材料的组织形态、微结构、内部缺陷与性质、通、学以致用了。面对这个问题,本课程首先在课件中加 性能的相互关系。同时,材料研究还是面向工程实际应用入三维动画视频[10],使学生可以从三维立体的视角观察 的,必须从工程应用的角度,研究材料的制备方法、加工和认识材料的特性和特点,例如碳60、碳纳米管和原子 工艺等问题。通过工艺和技术的开发,制备具有特殊性能构型、量子点内电子波函数等,这在一定程度上解决了讲 的、可批量生产的、满足工程应用要求的工程材料。因此,解过程中生硬枯燥的问题 材料科学具有三个基本特点:1)学科交叉。它是物理、 但是材料科学作为一门实验学科,实验才是它的灵魂 化学、金属学、陶瓷学、高分子化学、计算科学等基础学所在。所谓“耳闻不如一见”,《材料科学导论》为学生 科相互交叉、融合和复合的结果;2)应用性强。它与工提供了走出课堂、走进实验室的机会,近距离观摩教师操 程应用密切相关,发展材料科学的目的在于研制新材料,作仪器演示实验,甚至允许学生亲手尝试做实验。不同于 改进材料的性能,满足工程实际的需要;3)不断发展 原本枯燥沉闷的课堂教学,通过这种“走出去”的教学模 它是一门不断发展的学科,随着各个分支学科的发展而不式,极大的提升了学生的兴趣,不仅可以提前感受做科研 24
求廖杂 2017年10月 University Education October. 2017 的氛围,也可以在参观过程中与教师更近距离的讨论学习 (五)慕课教学,完善的数据化资源共享平台 过程中的困惑。学生通过亲眼看、亲手做的实践过程,加 利用复旦大学新一代互联网课程平台,《材料科学导 深了他们对抽象知识的具象化理解。例如在橡胶拉伸试验论》建立了精品课程网站[12],包括教学大纲、教学课件、 中,学生可以直观地观察材料拉伸时的过程和现象,此时教学视频、参考资料、拓展阅读等,并按知识点的模块设 课本上只有一根曲线的固体拉伸过程一下子就能被理解计分成了41个教学视频短片,全部公开共享,充分满足 了。另外,学生对理论与实际相结合的概念也有了初步认了学生课前预习和课后复习的需求。近年来,慕课在国内 知,从而激发他们对新材料研究的向往,同时训练他们的高校迅速兴起[13,14],本课程也探索了这种教学方法。 动手能力、观察能力、理解能力、分析能力及创新能力。慕课视频的长度一般在10分钟左右,因而材料专业大量 (四〕激情授课,寓教于乐的交互式讲解 的理论和概念可以分段讲述,学生在学习每个知识点的时 如前所述,作为一门理工类课程,且包含数量庞杂的候都可以保持高度集中,而且可以将这种“碎片化”的学 概念和公式,学生普遍认为材料科学基础课程难懂、沉闷。习分散到日常学习中,相较于在课堂中长时间持续接受知 教师如若只是照本宣科,将课件上的概念复述一遍、公式识点,慕课在学习效率上更占有优势,在未来材料科学基 推导一遍,没有轻重缓急、抑扬顿挫,那么整个课程就会础类课程的发展中必然是重中之重。 索然无味,无法吸引学生,学生也不会敬佩教师,对教师 四、教学效果与评价 所讲的会信任。因此,感情的投入对于一名教师来说至关 《材料科学导论》自开设以来,得到了校内外专家的 重要,也就是需要在讲课过程中释放激情。激情主要来源肯定评价。参照学生每年的盲评与评教结果,本课程的教 于两个方面,一是教师对教学工作的热爱,包括对自己职学质量和主讲教师都获得了学生们的一致好评。学生在盲 业的珍爱和对学员的信托责任:二是教师对教学内容的自评部分需要回答对本课程的满意与改进两个问题,绝大多 信[1教师只有动真情,才能引导学生成才。《材料科数学生都做出了非常详细且正面的评价。例如“杨老师在 学导论》十分注重课堂氛围,其讲授方式正具备了这几大课堂上思路清晰,设计了很多互动性的问题,每个人都能 特点。主讲教师时时刻刻都激情洋溢,胸有成竹,从来不积极的参与到课堂中,课堂效果较好”、“杨老师教学认 照本宣科,而是联系实际,侃侃而谈,非常能吸引同学的 注意力,也很有感染力。能达到这个效果主要取决于三个,治学严谨,讲课生动,思路清晰,注重理论与实践相 因素,一是讲课全神贯注,一个人的精神饱满程度取决于绘声绘色,还穿插许多有趣小故事,即便每周三节课也会 他投入了多少;二是热爱教学工作,这样才能每时每刻都印象深刻!课程内容丰富,涵盖面广,时效性高”等。 微笑着对待学生;三是课前认真备课,心中有数,讲话才 在教师和学生助教的努力下,本课程于2015年被评 能有底气。虽然本课程已经开设多年,但每堂课前主讲教为上海市精品课程。另一门也由本课程主讲教师开设的课 师都会认真备课,否则如果对自己讲的东西不太熟悉,那程《材料失效分析》也于2013年被评为复旦大学校级精 在讲台上是无论如何激昂不起来的,学生也一定会感觉得品课程、2015年被评为上海市本科重点建设课程、2016 到。 年被评为上海市精品课程。两门课程都获得了学生的普遍 此外,主讲教师也探索了新颖的讲授方式。一个特点欢迎 是交互式授课。主讲教师讲课特别贴近生活,帮助学生从 熟知的事物中联想到抽象的概念,加深对材料属性的理解 五、结束语 和知识点把握。例如,讲解聚合物材料特性时,特别举出 《材料科学导论》课程构建了比较完备的材料科学教 生活中无处不在的、常用的七种塑料:1号PET、2号HDPE,学的知识架构体系,其在教学上所取得的成果主要归结于 号PVC,4号LDPE,5号P,6号P,7号PC,以及为以下三点。首先,通过引导性教学和学生自主性学习的教 何不同的塑料品种必须选用不同的塑料种类的原因,并从学方法,提升课堂教学效率,在有限的学时中,充分带动 塑料的力学性能、热性能及性价比,讲解材料选用的基本学生利用课前课后的时间,强化教学效果。其次,通过改 依据和设计方法。为了增加与学生之间的互动,教师还会革教学内容,结合前沿的实际案例,纵深拓展,以基础课 携带并展示各种不同材料做成的实物,如矿泉水瓶是PET,带动未来专业课程的学习。最后,进一步改革教学实践和 盖子是PP等,然后让学生推测实物所对应的塑料种类并讲授方式,增进师生间的互动讨论,将教学空间从教室延 结合之前所讲授的知识点说明原因。通过这种授课方式,展到实验室,激发学生对材料科学研究的兴趣和向往,培 既可以鼓励学生独立思考,加深对知识点的理解,也加强养学生具有分析解决实际问题的综合能力。希望上述本课 了课堂上师生之间的互动性,活跃了课堂氛围。另一个特程在教学实践与改革中的总结和心得,能够推动国内材料 点是英文讲解。凡是涉及到英文缩写,教师必在黑板上展科学基础类课程教学模式的不断创新,激励提高材料专业 开其全称,凡是涉及有趣的字词,也必讲其英文,这样通的教育教学质量,从而为现代社会培养出更多创新复合型 过两种语言的对比让学生对所学知识的含义有了更加准的专业人才。 确的认识。对于要出国的学生,这对他们背诵托福和GRE 单词都有好处;对于以后要继续做科研的学生,相当于提 [参考文献 前教授专业词汇,对于他们以后阅读文献、写文章都很有 帮助。学生在这个过程中感受到自身的提升,自然对课程[1]胡林峰,张群,杨振国.《材料科学导论》实验内容的 内容保持浓厚的兴趣和热情 更新与拓展[J.东北大学学报(社会科学 25
太学杂育 版),2013,15:59-62 analysis of one peculiar‘Yin-Yang’ corrosion [2]张代东,房大庆,宫长伟,柴跃生,田玉明,郑建军.材 morphology on heat exchanger tubes in purified 料科学基础精品资源共享课建设探讨[冂.中国现代 terephthalic acid(PTA)dryer [J]. Engineering 教育装备,2016,01:64-66 Failure Analysis, 2013, 31: 203-210. [3]张瑞英,刘慧敏,许萍,刘军.配合网上教学教好材料9]Fei- Jun Chen, Shi yan, Zhen-Guo Yang. Failure 科学基础课程[J.中国现代教育装 analysis on electrolytic Ni/Au surface finish of 备,2016,01:70-72. PCB used for wire bonding and soldering [JI [4]陈建清,江静华,杨东辉,宋丹,马爱斌.“材料性能 Soldering Surface Mount Technology, 2014, 学”课程的教学改革与实践[J.教育教学论 6(4):180-193 坛,2016,43:104-106 [10]贾淑果,宁向梅,田保红,王顺兴.材料科学基础多媒 [5]张荣伟.论“教”与“学”的五种关系范型[J].教 体教学探讨[J.中国现代教育装 育发展研究,2012,10:50-56 备,2010,05:87-89 [6]zhen- Guo Yang, Yi Gong,Jian- Zhong Yuan. Failure[1]姚莉.教师授课成功的秘诀——激情[J].重庆与世 analysis of leakage on titanium tubes within 界,2011,09:66-67 heat exchanger in a nuclear power plant. part I:[12]杨振国.上海市精品课程:材料科学导论[M].网址: electrochemical corrosion[]. Materials and http://jpkc.fudaneducn/s/255/main.htm,eilp Corrosion,2012,63(1):7-17 市教委,2015.5 [T]Yue- Yue ma, Shi yan,Zhen- Guo Yang at al. Failure[13]王勇,孙丽丽,谭秀娟,陈桂娟.慕课(MOCs)背景下 analysis on circulating water pump of duplex 材料类专业课教学理念和模式研究[J.时代教 stainless steel in 1000 MW ultra-supercritical 育,2015,04:7-8. thermal power[J. Engineering Failure Analysis,[1l4]张春艳.“慕课”应用于材料工程类课程教学改革探 2015,47:162-177 讨[J].学周刊,2015,34:219-220 [8 Yi Gong, Zhen-Guo Yang, Xin-Hao Meng. Failure