钟向丽 宋宏甲 王金斌

[摘 要] 随着“互联网+教育”时代的到来，新工科建设逐渐被提上日程，这为高校课程建设和改革迎来了新的机遇和挑战。探讨新工科背景下将科研融入本科生功能材料类课程教学的重要意义，针对课前准备，课堂演练和课后拓展三個阶段提出了将科研融入功能材料课程教学实践的具体做法，同时从建构主义学习理论角度分析了将科研融入本科生功能材料课程教学的必要条件，以期加强新工科背景下人才创新能力、多学科融合视野以及实践能力的培养，促进新工科建设人才培养目标达成。

[关键词] 新工科;科研;功能材料类课程

[基金项目] 2017—2020年湖南省普通高等学校“十三五”专业综合改革试点项目（22）;2019-2021年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“独立学院‘立体式创新创业人才培养模式构建研究”（1235）

[作者简介] 钟向丽（1976—），女，陕西旬阳人，博士，湘潭大学材料科学与工程学院教授（通信作者），主要从事铁电薄膜及其存储器研究;宋宏甲（1986—），男，湖南辰溪人，博士，湘潭大学材料科学与工程学院副教授，主要从事氧化物薄膜的制备及其抗辐照特性研究;王金斌（1972—），男，湖南邵阳人，博士，湘潭大学材料科学与工程学院教授，主要从事铁电材料与器件研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] B    [文章编号] 1674-9324（2021）24-0113-04   [收稿日期] 2021-02-20

一、引言

国内外新经济的快速发展对新型工科人才提出了越来越高的要求，高校、科研院所作为人才培养基地，担负着更重的责任[1]。2017年教育部高等教育司发布了关于开展新工科研究与实践的通知，“复旦共识”“天大行动”以及“北京指南”相继提出，我国新工科背景下的高等工程教育改革得到高度重视[2]。新工科具有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征，人才培养是新工科服务经济发展的核心任务，对高等教育的人才培养方案改革、人才培养模式、人才培养质量要求提出了新的挑战。创新创业能力是对新工科培养人才的首要能力要求，高等教育人才培养需要将创新创业能力培养贯穿于人才培养的各个环节[3]。但是传统功能材料类课程存在内容多，涉及领域广，课时有限等问题。传统工科教育逐渐无法满足新产业和新经济的快速发展对人才创新能力的需求。鉴于此，笔者依托多年的功能材料教学改革实践，提出将相关科研成果、科研方法等融于功能材料类课程的方法、必要条件和意义，以期为功能材料类课程的教学、人才培养提供一些改进思路，进而达成功能材料类课程学而深思、探索科学、学以致用的教学目标，为培养具有创新创业能力的工程科技人才提供基础动力，满足行业和产业的当前和未来发展需要[4]。

二、科研融入功能材料类课程教学实践的方法与条件

（一）科研融入功能材料类课程教学实践的方法

教育技术专家何克抗教授指出，教学是教师与学生充分互动的过程，教师的教和学生的学，缺一不可，教学的中心是学生，教师主要起到辅助、指导的作用[5，6]。因此，在教学过程中要正确处理好教师主导，学生主体的关系。本文在上述思想的指导下从课前、课中、课后三个环节着手，构建了将科研融入功能材料类课程教学实践的方法，具体方法如下。

1.课前准备。教师方面，将科研融入功能材料课程教学，需要任课教师具有较强的科研素养，能够结合功能材料的教学大纲，灵活运用科研成果素材。一方面，需要筛选契合课堂主题的科研素材，既能与课堂联系，又能升华课堂内容。另一方面，任课教师需要提炼科研成果中的创新思路，涉及的学科基础知识及应用领域，同时将课堂涉及的科研成果提前下发给学生，提出一些能启发学生创造性思考的问题。学生方面，研读教师下发的科研成果，并回答问题，在这个过程中学生对不懂的问题可以上网查阅资料寻求解决方案，如果仍有疑惑可以记录下来，到课上找教师解决。

2.课堂演练。由于教学周期比较短，功能材料课程是学生实践材料科学思维很好的训练场，因此合理安排并利用好课上时间是很重要的一环。在课上，教师可以收集学生课前阅读存在的问题，答疑解惑;同时教师可以以最新科研成果为素材，启发学生运用所学材料学科的组成、结构、物理性能和使用效能之间的关联规律，分析科研成果。通过对科研文献的剖析，有利于启发学生“发现问题”“分析问题”到“解决问题”，达到思维训练的目的。

3.课后拓展。通过课前自学，课堂答疑，科研成果调研和分析等环节后，学生对新知识有了一定的认识和了解，形成了自己的知识结构。在此基础上，学生可以进一步深入学习并运用新学知识。首先，学生可以通过专业数据库、互联网等获得关于课堂讨论功能材料的最新科研成果，追踪前沿，通过制作海报、PPT等方式展示科研成果。其次，借助教师提供的功能材料方面的科研平台，深入实验室进行实践。再次，学生可以参加学生类创新项目，或者参与教师科研项目，通过科研思路提出、科研成果调研、科研实验实施以及科研成果总结和输出的锻炼，深入思考和理解材料科学的思维，同时提升创新能力。

（二）科研融入功能材料课程教学的必要条件

新工科背景下的教学理念和教学模式对参与教育教学的师生以及软硬件科研平台提出了新的要求，下面将从学生、教师和科研平台等维度分别阐述。

1.有准备的学生。克林伯格指出，“教与学是统一的，但不是同一的，教师的某一活动未必能使学生必然地产生相应的活动，即所期待的学生的反应。学习不是教授的简单的反射。”建构主义学习理论认为，学生作为知识的建构者，其已有的知识结构、储备和思维方式等对新知识、新资料的加工和建构都有非常重要的影响[7]。功能材料课程一般开设在大学四年级的第一学期，该阶段的学生已经学习过“材料科学基础”“材料工程基础”“材料物理性能”和“材料分析测试方法”等材料学科的专业基础课程，以及“大学物理”“基础化学”和“物理化学”等公共基础课程，掌握了理解和分析功能材料课程中科研的基础知识。因此，在教学实践过程中，教师需要详细了解学生对上述基础知识的掌握情况，才能把握将科研融入功能材料教学的范围、深度以及难度，更好地开展将科研融入功能材料课程教学。学生作为学习的中心主体。只有充分调动其积极性，才能使得将科研融入功能材料课程教学得以顺利进行。笔者在将科研融入功能材料课程的教学实践过程中，采用分组方式完成课题调研、PPT汇报和相互点评，小组内学生的分工和协调，一方面增强学生的团队合作能力，更重要的是小组内学生之间可以取长补短，从而降低某些学生因基础储备不足引起的学习难度增加，提升兴趣和积极性。通过学生点评，能更深入了解学生的现有知识水平，利于教师更好地组织课堂，建立学生现有知识和课堂新知识的联结。

2.科研经验丰富的教师。将科研融入功能材料课程教学，教师作为整个教学过程的引导者，需要具备如下素养：首先，具有丰富的科研经验，深谙科研思路的形成，包括发现问题，剖析问题，解决问题等的手段和方法，在授课过程中灵活运用授课技巧。比如，讲解磁功能材料，讲述“磁畴壁存储”这一新兴存储，需要引导学生思考“畴壁存储”与“畴存储”的异同，“畴壁存储”的优势及实现难点等，在课程中引入科研成果后，需要对其进行剖析，引导学生思考其中的科学和技术的创新之处，启发思维。这些都需要教师自身具有丰富的科研经验和良好是思维能力。其次，将科研融入课程教学，需要教师具备引导学生思考问题的能力，即引导学生和教师进行共同探索，在探索过程中思考、讨论和质疑。建构主义理论指出，学习不是教师向学生单向传输知识的机械过程，而是需要学生自主建构知识的有意义加工。在学习过程中，学生的新旧经验发生冲突，知识结构完成升华和重组，进而获得对新知的认识和把握。教师的有效引导，有助于学生将课堂知识和最新科研成果进行综合思考和加工，起到较好的教学效果。再次，教师需要热爱科研，对科研充满激情，从思想政治方面引导和启发学生热爱科研，培养学生热爱创造。教师对科学孜孜不断的追求和探索，会感染学生。比如，笔者所在教学团队薄膜材料及器件力学教育部创新团队和低维材料与器件力学湖南省科技创新群体，为将科研融入功能材料教学实践提供了很好的保障。

3.良好的科研平台。将科研融入功能材料课程教学，旨在锻炼学生的科学思维，学会融会贯通，提升学生的创作力。对于功能材料课程涉及的知识，比如形状记忆合金、磁功能材料等，具有较强的应用背景，实践对于深化课程所学，内化所学知识，进而达到学习迁移具有重要意义。因而，在科研融入功能材料课程教学中增设实践内容是必要的。实践课程的开设需要相应的实验平台，笔者所在的湘潭大学材料科学与工程学院，具有特种功能薄膜材料国家地方联合工程实验室、低维材料及其应用技术教育部重点实验室、薄膜材料及器件、材料设计及制备技术等2个湖南省重点实验室、1个湖南省国防科技重点实验室、材料科学与工程国家级实验教学示范中心、薄膜材料产业化湖南省高校产学研示范基地等科研和教学平台，拥有功能材料课程科研中涉及的材料制备和检测设备，比如脉冲激光原子层系统、微纳米压痕仪、万能材料试验机、X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等。这些良好的科研平台为课程教学中理论和实践结合提供了保障。并且，通过课程的引导，学生可以根据自己的兴趣爱好和学科特长，进入相应的课堂团队，在教师指导下进行科学研究，进一步夯实学生基础，开发创造力。笔者所在课题组每年都指导一定数量的本科生创新课题。

三、科研融入功能材料类课程教学的意义

（一）深化课本，接轨前沿

功能材料课程教学内容覆盖范围广，信息量大，更新速度快，而现有纸质教材出版周期长，更新速度慢，不能很好地满足课堂教学需求。有的功能材料类教材按照材料种类分章节，比如李长青等编著的“十二五”国家重点图书出版规划项目材料科学研究与工程技术系列《功能材料》，分为非晶态合金、磁性材料、导电材料、形状记忆合金、储氢材料、光学材料、超导材料、生命医学材料。对于半导体材料、功能陶瓷等涉及较少。有的课本主要介绍某类功能材料的基本概念、物理化学特性、材料分类以及应用特性等，对于具有该功能的新型材料，比如纳米结构材料、薄膜结构材料、二维结构材料等特定结构的材料较少涉及，但是这类新型材料对于促进功能材料发展和应用具有重要意义，在新技术、新产业和新经济发展中具有不可替代的作用。将科研融于功能材料类课程的教学中，教师可以紧跟时事和学科发展动态将最新科研成果引入课堂，学生也可以自主查阅资料了解最新研究成果，在师生的共同作用下，深化学生对材料的组成、结构与性能、应用之间关系的理解。此外，传统功能材料课程课时有限，供学生学习的时长不足，学生的学习不够深入。在融入科研成果的课程教学中，学生的学习自由度变大，学习时间和空间不再限于课堂，可以在课下学习，这样学生的学习时长和投入增多了，学习效果也会相应提升。

（二）掌握方法，拓展思路

将功能材料的科研思维和方法引入课程中，可以提升学习技能，锻炼学生思维，使得学生逐渐从接受教师讲授知识过渡到自行搜寻知识甚至创造知识。具体而言，通过最新科研成果的检索，学生可以掌握各类中英文数据库的检索技能，追踪关于某种功能材料的最新研究成果，从而拓宽知识面，激发学习热情。给学生展示最新科研成果，剖析科研成果的“前世今生”，能启发学生思考。比如学习非晶态材料时，引入镀膜针头（针头表面镀有非晶合金纳米膜），镀膜针头具有无痛注射的优点，那么为什么非晶态薄膜可以降低打针疼痛？可以启发学生从非晶态材料的原子排列和结构缺陷等角度思考其高硬度、高强度特性，理解针头镀膜后的低摩擦系数、小穿刺力、较好疏水性、抗粘沾黏性佳等。引导学生思考该材料是针对什么问题而研发的，为什么这样的材料可以解决问题，将类似的学习方法融入课程，可以启发学生结合材料学的组成、结构、物理化学性能和使用效能，从“发现问题”“剖析问题”到“解决问题”。提升学生对新材料新技术的兴趣，积极主动探索科技前沿。

（三）夯实基础，学科融合

功能材料作为与结构材料并列的材料科学分支之一，涉及领域广，功能涵盖热、声、光、电、磁、化学、生物等。有的课本内容按功能分章节，讲授思路一般是介绍围绕某一功能材料的结构和功能及应用展开，每类功能材料独立讲解，很少交叉融合，这不利于学生深入理解和学习功能材料的基礎。实际上，很多材料兼具多种功能，在功能材料的学习过程中会涉及物理、化学、生物、电子等多学科交叉。将功能材料相关的科学前沿科研成果在课程中进行展示和讲解的过程中，会运用到材料学科、物理学科、化学学科和微电子学科等多学科的知识和思维，一方面，可以使得学生们客观认识功能材料的丰富内涵，另一方面，可以实现学生所学物理、化学、材料等基础知识融会贯通，学以致用，使得学生深刻认识基础知识对于功能材料的关键意义，进而激发学习基础知识的耐性和兴趣。功能材料主要用于电子、通讯、计算机、仪器、仪表、信息、能源、航空航天、医疗卫生等与国计民生息息相关的各个领域。科研成果一般以应用为背景，通过科研成果引入，可以拓宽课程上功能材料的应用领域，培养学生多学科交叉、多领域融合的视界。

四、结语

综上所述，科研融入功能材料类课程具有深刻意义，通过课前准备，课堂演练和课后拓展，一方面可以拓展课堂，将课堂与科学和技术前沿接轨，丰富课堂，拓宽学生视野，夯实学生基础，另一方面，可以促进学生创新能力的提升以及学科交叉融合思维的养成。另外，将科研成果融入功能材料课堂，利于增强学生的课堂参与度，激发学生课后深入学习的动力，提升学生运用材料科学的基本规律分析问题和解决问题的能力，进而有助于提升新工科培养人才的创新能力、多学科融合视野以及实践能力，促进新工科建设人才培养目标达成。同时，将科研融入功能材料课堂教学需要依据学生基础、教师素养和科研条件科学地、适度地进行，把握好学生现有知识和新知识的联系，才能达到科研融入课堂，激发学生创新热情，提升创新能力的效果。

参考文献

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

[3]彭丽明，凌长明，徐青.新工科背景下创新创业教育教學方法革新探讨[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（15）：

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[4]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[5]何克抗.建构主义──革新传统教学的理论基础（上）[J].电化教育研究，1997（3）：3-9.

[6]何克抗.如何实现信息技术与学科教学的“深度融合”[J].教育研究，2017，38（10）：88-92.

[7][日]佐藤正夫.教学论原理[M].北京：人民教育出版社，1996.

Teaching Exploration and Practice on the Functional Materials Courses under the Background of “Emerging Engineering Education”

ZHONG Xiang-li， SONG Hong-jia， WANG Jin-bin

（School of Materials Science and Engineering， Xiangtan University， Xiangtan， Hunan 411105， China）

Abstract： With the coming of the era of “Internet + education”， the construction of “emerging engineering education” has been put on the agenda， which brings new opportunities and challenges for the course construction and reform of colleges and universities. This paper studies the importance of integration of scientific research into functional materials courses under the background of “emerging engineering education”. The strategies for how to integrate scientific research into functional materials courses have been discussed ranging from the preparation before the class， the practice in class and the exploration after class. We also put forward some requirements for integrating scientific research into functional materials courses from the perspective of constructivism theory. Our research result is conducive to strengthening the training of talent innovation ability， multidisciplinary integration vision and practical ability， so as to promote the achievement of the talent training goal of “emerging engineering education” construction.

Key words： “emerging engineering education”; scientific research; functional materials courses