材料化學(xué)課程教學(xué)改革的探索

楊曉偉,黃 兵,趙志遠(yuǎn),孫玉珍,左玉香

(鹽城師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

《材料化學(xué)》是為適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展和化學(xué)發(fā)展的需要而生的一門課程，作為一門交叉性和前沿性的學(xué)科，它包含了材料的結(jié)構(gòu)、材料的制備、材料化學(xué)熱力學(xué)等材料學(xué)的基本知識(shí)，覆蓋了金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和高性能復(fù)合材料的相關(guān)基本知識(shí)和應(yīng)用，綜合了無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、晶體學(xué)、生物學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科，具有明顯的學(xué)科綜合性和學(xué)科跨域性的特點(diǎn)[1-2]。該課程是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，課程是關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用的化學(xué)，從組成材料的原子結(jié)構(gòu)出發(fā)，涉及到材料固有的物理、化學(xué)特性，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系，合成制備高質(zhì)量、高性能材料，以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的最終目標(biāo)-應(yīng)用。在課程的教學(xué)過程中，如果仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，已不能向?qū)W生完美地呈現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的全過程，使教學(xué)與科研脫節(jié)，不利于學(xué)生獨(dú)立思考能力、實(shí)踐能力和科研思維的培養(yǎng)，致使課程效果欠佳，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和廣泛的視野，學(xué)習(xí)的積極性也受到影響[3-4]。

1 課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

《材料化學(xué)》課程作為材料化學(xué)專業(yè)的必修課程，包含了48個(gè)課時(shí)的理論教學(xué)和16個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，共計(jì)64個(gè)課時(shí)。作為一門新興學(xué)科，《材料化學(xué)》是新材料研究與開發(fā)工作的基礎(chǔ)，也是化學(xué)、材料科學(xué)與技術(shù)交叉發(fā)展的必然要求。在教學(xué)內(nèi)容選取上，材料化學(xué)課程教學(xué)主要以“夯實(shí)基礎(chǔ)、側(cè)重應(yīng)用、提高素質(zhì)”為目標(biāo)，根據(jù)材料化學(xué)課程的特征，結(jié)合本身專業(yè)要求，我們選取化學(xué)工業(yè)出版社出版，曾兆華、楊建文[5]編著的《材料化學(xué)》，教學(xué)內(nèi)容主要為材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備和應(yīng)用。此外，還介紹了光子材料、電子與微電子材料、生物醫(yī)用材料、高性能復(fù)合材料、納米材料等新型材料的性能及應(yīng)用。適當(dāng)?shù)匾胍恍┙?jīng)典理論：晶體理論、能帶理論、金屬結(jié)構(gòu)近似模型等，介紹一些迷人神奇的材料，如堅(jiān)不可摧的碳材料、充滿創(chuàng)造力的塑料、不可思議的發(fā)泡材料、不屈不撓的金屬材料等，增加了課堂教學(xué)的趣味性，同時(shí)引入諸多世界上前沿性的創(chuàng)新成果。此外，作為拓展知識(shí)，增加材料的表征，以X射線光電子能譜、X射線粉末衍射譜、紅外光譜、掃描電子顯微鏡、激光粒度儀等為代表，通過標(biāo)準(zhǔn)熟知材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在關(guān)系，介紹在材料組成、晶體結(jié)構(gòu)、尺寸大小、形貌及性能等方面一部分常規(guī)測試儀器的基本測試原理及其應(yīng)用。

2 教學(xué)模式的探索

作為一門理論性較強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的材料化學(xué)課堂教學(xué)模式已不能順應(yīng)時(shí)代的潮流，不僅要在教學(xué)內(nèi)容上改革，更要從教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行改革，以達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型全面性人才的目標(biāo)。教學(xué)模式的改變，除教師要在教學(xué)中發(fā)揮積極引導(dǎo)作用之外，還要不斷啟發(fā)學(xué)生，通過互動(dòng)研究討論，分組課題、實(shí)踐鍛煉等相互結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生自主思考能力和自主創(chuàng)新意識(shí)。

我們選用的曾兆華、楊建文編著的《材料化學(xué)》教材，前五章主要涉及緒論、材料的結(jié)構(gòu)、性能、熱力學(xué)基礎(chǔ)、制備等基本知識(shí)，理論知識(shí)概念偏多，知識(shí)體系繁多復(fù)雜，對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)部分仍然以教師講授法為主；在教材的后五章，主要對(duì)各類高性能新型材料進(jìn)行應(yīng)用介紹，及其作為拓展知識(shí)的神奇材料及材料表征等內(nèi)容，可以將學(xué)生分若干課題組，每一部分內(nèi)容選取一人作為課題負(fù)責(zé)人，課題負(fù)責(zé)人分配具體方向給小組成員，通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)及閱讀中英文最新進(jìn)展，做出一個(gè)詳盡的研究報(bào)告，以PPT、視頻等形式進(jìn)行匯報(bào)驗(yàn)收結(jié)題。在匯報(bào)過程中記錄好每位課題組成員的講述情況、回答問題情況、討論發(fā)言情況等，及時(shí)對(duì)學(xué)生的疑惑困惑給出答疑，教師針對(duì)研究報(bào)告中涉及的知識(shí)點(diǎn)以及研究進(jìn)展等給出總結(jié)性陳述，在教師的指導(dǎo)和每個(gè)課題組成員的相互配合協(xié)作下，每位同學(xué)都較好的完成了這項(xiàng)任務(wù)。

此外，在課堂教學(xué)模式上，引入“微課”[6-7]這種新興教學(xué)手段，材料化學(xué)的學(xué)習(xí)是在分子和原子層次上，研究材料的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的學(xué)科，在課堂講授過程中，有相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、三元相圖等內(nèi)容理解起來有難度，傳統(tǒng)的講授模式枯燥缺乏新意，而利用微課演示動(dòng)畫，三維重構(gòu)軟件等從微觀結(jié)構(gòu)化抽象為具體，化虛為實(shí)，教學(xué)內(nèi)容變得淺顯易懂，使學(xué)生便于快速的理解和吸收，從而達(dá)到更好的課堂教學(xué)效果。同時(shí)其優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在學(xué)習(xí)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，學(xué)生可以隨時(shí)通過微課及時(shí)查缺補(bǔ)漏，可以提高學(xué)生的整體水平，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加飽滿和積極。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)是材料化學(xué)專業(yè)課教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，不但讓學(xué)生掌握嫻熟的操作技術(shù)還培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)能力和創(chuàng)新思維，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，實(shí)驗(yàn)課堂的豐富有趣對(duì)教學(xué)也有一定的促進(jìn)作用。

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)一般開設(shè)在大學(xué)三年級(jí)，在此之前，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，掌握了基本的實(shí)驗(yàn)技能，但是基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)往往使學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考及總結(jié)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)自主動(dòng)手能力欠缺，因此在強(qiáng)化、鞏固基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作的前提下，材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)更加注重學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ卣箤I(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如我們開展可材料的合成制備實(shí)驗(yàn)：沉淀法制備納米鈦酸鋇材料、水熱法制備微孔材料、鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的制備、熒光材料的制備、甲基丙烯酸甲酯的懸浮聚合、多孔聚苯醚材料的改性和制備等無機(jī)有機(jī)材料制備實(shí)驗(yàn)；材料的性能測試實(shí)驗(yàn)：材料的比表面積測定、材料的顯微結(jié)構(gòu)觀察、材料導(dǎo)電性能測定、高聚物的熱重分析等，通過一系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，使學(xué)生深刻理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，對(duì)理論知識(shí)加以深化和創(chuàng)新，提高了學(xué)生對(duì)材料合成的基本認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了其探索實(shí)驗(yàn)的興趣。

在實(shí)驗(yàn)課堂上，培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，課堂上的師生形成互動(dòng)模式，能夠充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，在日常的教學(xué)中，慢慢培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。同時(shí)基于老師的科研方向，引入一些開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以研究小組為單位(人數(shù)限定不超過8人)，在確定課題研究范圍內(nèi)，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師在聽后給予一定的點(diǎn)評(píng)以及修改建議，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)材料的性能進(jìn)行測試表征，為將來的畢業(yè)實(shí)驗(yàn)和日后繼續(xù)研究深造打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以上是本人對(duì)材料化學(xué)教學(xué)改革的一些探索，針對(duì)我校課程特點(diǎn)，選擇合適的教材，在教材基本教學(xué)的基礎(chǔ)上，拓展一些創(chuàng)新性的研究成果，以多媒體微課教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多樣化教學(xué)方法為輔助手段，學(xué)生在深刻學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，也增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、操作能力的培養(yǎng)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)能發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和水平，為更好的滿足企業(yè)、研究所對(duì)所需人才的基本要求奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。