新工科背景下“硅酸盐材料”的教学改革与实践

孙  青 ， 张  俭 ， 盛嘉伟 

（浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014）

[摘  要]：以硅酸盐产业转型对高素质复合型“新工科”人才的培养需求为切入点，分析了当前“硅酸盐材料”课程的教学现状，从课程目标、课程架构、组织形式和考核模式等方面提出了多维度、多层面的教学改革方案，探讨了教学、科研和实践三者之间的循环体系关系，落实体系建设、知识传授和能力培养的“三位一体”人才培养目标，为培养复合型工程人才提供新思路。下一步的工作重点将放在开发配套“硅酸盐材料”课程的配套实验和搭建企业与高校互通平台上，助力学生创新能力、综合能力和团队精神的培育。

[关键词]：新工科；硅酸盐材料；教学改革；实践探索

[基金项目]：2019年浙江工业大学教学改革项目资助“新工科背景下面向行业转型升级的《硅酸盐材料》教学改革探索与实践”（项目编号：JG201905）。
[作者简介]：孙青（1987-），男，山东滕州人，博士，浙江工业大学材料科学与工程学院讲师，硕士生导师，主要从事硅酸盐材料和环境功能材料的研究；张俭（1970-），女，浙江杭州人，硕士，浙江工业大学材料科学与工程学院助理研究员，主要从事无机复合材料的研究；盛嘉伟（1970-），男，浙江新昌人，博士，浙江工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，主要从事无机功能材料的研究。

[中图分类号] G642.0  [文献标识码] A 

根据教育部印发的《制造业人才发展规划指南》预测，到2025年新材料领域人才需求缺口将达到400万人。“新时代”呼唤材料类“新工科”人才，新型人才的培养需面向行业转型、新兴产业和区域发展方向同步推进。深化教学改革，调整人才培养的模式和结构是培养新工科人才的有效路径^{[1, 2]}。

以“硅酸盐材料”为主的无机非金属材料与金属材料、高分子材料、复合材料并列为现代四大材料，是材料领域的重要组成部分^{[3, 4]}。传统硅酸盐材料主要以天然矿物或者岩石等矿物资源为原料生产水泥、玻璃和陶瓷三大硅酸盐产品，是国民经济的重要基础产业。改革开放以来，特别是进入21世纪以来，我国硅酸盐行业取得突飞猛进的发展，行业规模扩张迅速，科技进步明显加快，行业结构不断优化。在新型光电材料、电子信息材料、生物陶瓷材料和纳米复合材料中均能频繁看到硅酸盐材料的影子^{[5, 6]}。

目前，传统硅酸盐材料“水泥、玻璃和陶瓷”三大产业正处在转型升级的关键时期，产业发展重点向以下三方面推进：传统与智能相结合；产业结构向产业链高端上延伸；发展方式在绿色可持续上着力。由此可见，硅酸盐材料的产业转型方向与“新工科”人才的培养要求相一致。因此，亟需革新“硅酸盐材料”课程的教学内容和教学模式，紧跟“新工科”人才培养方向。

1  教学现状

在以往教学过程中发现，“硅酸盐材料”作为材料类专业课，知识点较多、系统性较强，教学授课内容主要集中在传统水泥、玻璃和陶瓷的制备工艺和结构性能方面，涉及新兴硅酸盐材料的相关知识偏少。学生在课堂上只能掌握该学科的基础知识，无法真正通过学习掌握硅酸盐材料共性的制备和应用方法，以及先进硅酸盐材料及无机非金属材料最新的知识，不利于未来的学习和就业。在教学层面上来讲，课程出现了无法避免的由专业背景带来的枯燥性，个别学生对学习内容较难产生浓厚的兴趣。

在引导学生学习上，教师也面临着较大的挑战。学生在上大学前接受的基本都是灌输式的被动学习模式，如果这种学习模式继续沿用到大学阶段，可能会导致部分学生丧失独立思考的能力和学习动力，最终对课程丧失兴趣。从改变教学模式到适时引导学生适应极强专业性带来的不适，这些层面都需兼顾。

2  教学改革

教学改革的主要理念如下：(1)“新工科”教育理念：适应新产业、新经济对高素质复合型“新工科”人才的需求，将理论教学与创新应用相结合。(2)工程教育理念：在“新工科”教育背景下，人才培养目标主要以产业需要和社会需求为导向，注重培养学生解决复杂工程问题的能力，培养引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才。(3)关注学生发展，重视目标导向：要建立完善的学业评价体系，注重评价学生学到和掌握的知识情况及运用能力。

教学改革主要分为教学层面的改革及学生层面的改革。教学层面的改革可细化为教学内容的改革、教学模式的改革、教学方法的改革及教材的改革^{[7, 8]}；学生层面的改革则旨在关注每位学生本身，引导其学习、发展。

2.1  教学层面的改革

教学内容的改革需紧跟“新工科”国家教育大战略，针对新型硅酸盐材料行业对人才的需求对教学内容进行删减、补充和更新。为了保证学生对课程内容有良好的接受能力，在现行授课内容的基础上，对课程结构进行系统梳理，删除重复和陈旧过时的教学内容，增加最新的研究成果和相关学科内容。例如，重点讲授硅酸盐材料的微观结构和结构性能关系，研究硅酸盐材料制备的基础理论和共性技术，并通过联系当前我国硅酸盐材料的实际生产与技术发展水平，突出介绍硅酸盐材料的新工艺、新方法及新产品方面的研究进展。此外，还可以将课堂教学内容与“中国制造2025”、“大国重器”等新兴、战略材料需求相结合，将硅酸盐材料的教学和研究转向高新技术领域，介绍硅酸盐材料的整体加工和功能材料高层次化的设计应用。

在教学模式上，将传统的灌输式教学模式与实物、访谈和专题调研等多种教学模式相结合，多渠道、多形式让学生了解产业发展现状和人才需求方向。“启发-讨论式”授课模式就是一种较好的启发学生学习能动性的教学方式，通过引入趣味性强、互动性强的阅读文献和自学内容，采用问题导向、分组讨论或前沿讲座的形式，激发学生的求知欲和学习兴趣，充分使学生融入到课堂教学活动中^[9]。另外，教师在教学过程中应当充分利用现代化教学手段，开发新的多媒体教学课件，结合教师的科研活动，引入更加生动、图文并茂的教学内容。但要注意，不同的教学内容应该采用不同的教学模式，杜绝用一种教学方式应对所有的教学内容，防止教学单一化现象的出现。

教材的改革，同一门课程的不同教材在主体内容上十分相似，但实际的侧重点各有不同。参考我校的培养模式和课程设置，硅酸盐材料这门课程所选的教材还存在需要完善的地方。可根据教学经验和调研实际，重新选别教材内容，补充最新的研究成果，同步更新教案，让学生通过教材的变革以小见大，窥见整个行业的变革和进展。

2.2  学生层面的改革。

学生层面的改革首先可在课程教学设计上做出改变。在实际操作上，要强调不同相关学科之间的融合，设计课堂讨论问题，让学生从简单的课题入手边学边做，采用渐进式和研究式学习方式，理解并运用原本枯燥乏味的科学原理和理论知识。通过引入科学实例，尤其是生活中较熟悉的能够激发学生兴趣的例子，更能引起学生的兴趣和共鸣，达到举一反三，灵活运用课本知识的教学目的。

其次，教师要当好学生的领路人，引导学生在学习模式上发生改变。在大学学习阶段，学生除了被动的接受老师教授的知识外，还应当尽快养成主动式、探索式、研究式的学习习惯，养成批判性及创新性思维方式。但学习习惯的改变不是一朝一夕就可以做到的，教师应当以引导和鼓励为主，针对不同学生对环境的适应能力、对知识的接受能力和学生自身领悟能力的不同，采用不同的引导方法，帮助学生顺利渡过适应期，逐渐让学生建立起自主学习能力，这就要求教师掌握“因材施教”的根本。教师带领学生参与“挑战杯”、“新苗”等大型赛事也是有助于教学相长的有效方式，可帮助学生在筹备赛事的过程中，通过查阅文献培养快速检索能力、阅读分析能力、分析问题解决问题的能力，也有助于自主学习能力的培养，还可以在团队协作过程中培养团队协作能力，积累合作经验。

3  教学、科研和实践三者的结合

教学、科研、实践这三者并非是独立存在的，也不是层层递进的关系，而是在同一个循环中相互关联影响（见图1）。教学理论在科研发展和实际应用中可起到指示性作用，反之，理论的完善同样需要借助于科研和实践，实践中产生的问题、发现的规律可补充形成一个新结论。

图1  教学、科研、实践三者之间的关系示意图

“硅酸盐材料”作为应用型工科类课程，实践在教学中的重要性不容忽视。如何从理论教学转向实践应用，这中间需要以科研作为桥梁。因此，将教学、科研、实践三者有效结合起来对于培养“新工科”背景下的应用型人才非常关键。

3.1  科研的重要性

科研能力的培养在学生整体培养过程中十分重要，对学生科研能力的要求是随着时代背景的变化而加深的。学生参与科研是一种探究式学习过程，是一种创新型的人才培养模式，是一条帮助学生从被动学习模式转化为主动学习模式的有效途径，有助于培养学生的动手能力、创新能力和将理论知识转为实践的能力，有助于帮助学生建立科研思维，有助于教学相长。

3.2  教学与科研的有机统一

教学与科研应当是相互成就的关系，教学应用于科研，科研反哺教学，再将两者有机统一起来，达到教学与科研共同前进的目的。

教师在课堂上可将教学与所做的科研项目串联起来，将科研项目转换为典型科研教学案例展示给学生。一方面可以帮助学生直观的感受理论向科研的转化与应用，对于相关知识理解的更加深刻；另一方面对于教师而言，通过和学生学习讨论科研案例，或许能在温故科研案例的过程中得到新的启发，使案例本身焕发出新的科研活力。另外，在科研案例的分享展示过程中，还可以帮助学生了解教师所做课题的基础情况，为有志于进入实验室学习的学生做好铺垫。

具体到“硅酸盐材料”这门课程，科研实验的开展可围绕“陶瓷、水泥、玻璃”的制作展开，例如：搭建陶瓷小屋、水泥基材模型屋、玻璃工艺房等趣味性实验小屋，制作陶瓷杯、陶瓷工艺品、多彩玻璃杯等有趣有益的实验产品等。在新型陶瓷研制过程中，产品的一些工艺参数、烧结参数、气氛选择可与教材原理相结合，让学生切身领悟到教材原理之于实际产品应用的指示性作用。

3.3  串联教学与实践

教学渗透科研、科研反哺教学，再经科研迈向实践^[10]。这是教学的最终目的，也是学生学习的必经之路。在教学通往实践的道路上，可以参观实习为基石，构筑教学通往实际应用的大道。参观实习的形式需依托于高校与企业的合作。一个企业常包含研发部与生产车间。这两个部门就很好地涵括了科研、实践。在学期中或寒暑期组织学生进入工厂参观学习，从基础的工厂生产运作、再到企业最新成果的展示，让学生深切体会科研成果转为直接生产力的过程，感悟“科学技术是第一生产力”的魅力。

4  优化考核体系

课程考核不仅是对学生整体学习情况的评价，也可以体现出教学成效，对修正、完善下一步的教学方案具有重要意义。在考核中，要注意教学的多元化发展，均衡理论和实践在最终考核成绩中的体现。具体来讲，在考核时要将课堂表现和考试成绩结合起来。课堂表现主要参考小组讨论和上课活跃度两方面。小组讨论的初衷是为了培养和锻炼学生的主动思考能力，也可以体现出学生在团队中的组织能力和协调能力等。在小组讨论评价中应确保每个成员都得到认可，但也要注意应根据学生的具体表现，做出成绩区分，以此来调动学生的主观能动性。此外，本课程还将引入学生小论文考核，考查学生的资料收集水平、讨论分析能力以及解决实际问题的能力。

5  结束语

课程是人才培养的核心环节，课程的改革不是一蹴而就地，需要不断总结或成功或失败的教学经验，一步一个脚印地稳步前行。本文对“硅酸盐材料”这门课程在教学内容、教学模式、教学方法、考核方式等方面的改革进行了深入探索及分析，并开展了教学实践，已初见成效。

[参考文献]

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[5] LI D, YANG K, LI Y, et al. A porous lithium silicate ceramic separator prepared from diatomite: Effect of LiOH on pore structure, composition and electrochemical properties of the separator [J]. Journal of Power Sources, 2021, 482: 228945.

[6] 王兴军, 周治平.硅基光电集成用铒硅酸盐化合物光源材料和器件的研究进展 [J]. 中国光学, 2014, 7(02): 274-280.

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[9] 孙志明. 关于“矿物材料工程”学科课程建设的探讨 [J]. 中国校外教育, 2015, (21): 111.

[10] 宋金刚, 游遨, 林莎. 基于“科研反哺教学”视角下的课堂改革思考与实践 [J]. 广东化工, 2020, 47(22): 216-217.

Teaching Reform and Practice in the Course of Silicate Material Based on Emerging Engineering Education

SUN Qing, ZHANG Jian, SHENG Jiawei

(College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract: Taking silicate industry transformation to the cultivation demand of high quality compound "new engineering" talents as the breakthrough point, this paper analyzes the current teaching status of the course of silicate material. The multidimensional and multifaceted teaching reform plan is proposed from aspects such as curriculum objectives, curriculum structure, organization form and the evaluation model. The circulation system relationship among teaching, scientific research and practice is discussed, and the "trinity" talent training goal of system construction, knowledge impart and ability cultivation is carried out to provide new ideas for the cultivation of compound engineering talents.The next step will focus on the development of supporting experiments of supporting "Portsilicate materials" courses and the construction of communication platform between enterprises and universities, so as to help students with the cultivation of innovation ability, comprehensive ability and team spirit.

Key words: emerging engineering education; silicate material; teaching reform; exploration and practice