材料化學(xué)實驗教學(xué)體系的改革與優(yōu)化

孟蘇剛，樊佑，鄭秀珍①

（淮北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北235000）

0 引言

材料的發(fā)展是改善人類生活環(huán)境質(zhì)量，推動科技進步和社會發(fā)展的有力手段. 古代社會就曾以無機材料（石器、銅器、鐵器）的使用作為時代劃分和人類文明進步的標(biāo)志，而在當(dāng)代文明的3大支柱中，材料更是占據(jù)首要位置（能源與信息的發(fā)展有賴于材料的革新與發(fā)展）［1］. 因此，材料化學(xué)密切聯(lián)系著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和國民經(jīng)濟的發(fā)展，是21世紀人類社會發(fā)展中的重要學(xué)科之一［2］. 材料化學(xué)在化學(xué)專業(yè)本科生的培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用. 材料化學(xué)（以下簡稱為材化）是化學(xué)和物理等多個學(xué)科的交叉，也是高等院校化學(xué)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程［3］. 雖然實驗在材料化學(xué)的發(fā)展歷程中起到?jīng)Q定性的作用，但是材化實驗教學(xué)明顯落后理論課程教學(xué)的發(fā)展. 相對于師范類院校，差距尤為明顯，這極大程度地限制學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維發(fā)展［4］. 因此，如何對師范類院校材化實驗課程進行改革和切實提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，是實驗教學(xué)亟需解決的問題［5］. 淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料化學(xué)課程組在多年材化實驗教學(xué)過程中一直積極探索符合我校特點和適應(yīng)高新科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的材化人才培養(yǎng)方案，并取得階段性成果，如構(gòu)建以“基礎(chǔ)驗證性、前沿設(shè)計性和應(yīng)用綜合性”為特點的實驗課程標(biāo)準，并實施了“重實效、重過程和重個體”的教學(xué)體系，以及以學(xué)生作為主持人的開放實驗項目立項和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為特色的能力培養(yǎng)模式. 本文以淮北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材化實驗課程的發(fā)展及改革實踐進行總結(jié)，以期對師范類院校材化實驗課程的改革有所啟示，進一步提高實驗課程教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量.

1 材化實驗課程培養(yǎng)目標(biāo)

材化實驗作為材化專業(yè)的專業(yè)核心課程. 其總的培養(yǎng)目標(biāo)是：使學(xué)生掌握納米材料的制備原理以及分析測試方法，提高學(xué)生實驗操作技能，使學(xué)生理解和掌握材料化學(xué)的研究方法和技術(shù)及其材料的基本應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，進而為學(xué)生畢業(yè)從事材料相關(guān)方面的開發(fā)和研究打下堅實的理論知識和實踐基礎(chǔ). 具體目標(biāo)如下：（1）了解并掌握無機非金屬、金屬、高分子等材料的典型合成方法，熟悉復(fù)合材料特性衡量指標(biāo)并建立性能與材料結(jié)構(gòu)及成型工藝的基本聯(lián)系；（2）掌握常用的材料表征手段及分析方法；（3）提高學(xué)生動手能力和實驗技能；（4）培養(yǎng)學(xué)生科研思維和創(chuàng)新能力.

2 教師隊伍

教師是人類靈魂的工程師. 可見教師對于學(xué)生學(xué)習(xí)和成長的重要性，對于動手能力要求高的實驗學(xué)科更不例外. 為了促成材化實驗的改革成功，首先對授課教師隊伍的年齡和專業(yè)等進行重組. 一方面，同時注重經(jīng)驗豐富老教師的指導(dǎo)作用和年輕教師的“新鮮血液”作用. 如課程組教師中：40-45歲的占比為22.2%、35-40歲的占比為44.4%和低于35歲的占比33.4%，教師年齡結(jié)構(gòu)更為合理. 另一方面，優(yōu)化課程組教師的專業(yè)和學(xué)歷. 目前，材化課程組具有博士學(xué)位的教師占比88.9%，另11.1%的教師正在進行博士學(xué)位的就讀. 此外，教育部中西部年輕骨干教師訪學(xué)和博士后各一人. 以此進一步增強交流，開闊視野和取長補短，為材化專業(yè)的發(fā)展儲備力量. 因為材料科學(xué)是一門交叉學(xué)科，涉及化學(xué)、物理、材料等多個學(xué)科領(lǐng)域，所以課程組的教師專業(yè)背景應(yīng)具有多樣化，如無機化學(xué)、物理化學(xué)、高分子、材料化學(xué)、材料物理等. 發(fā)揮各個教師專業(yè)所長，對應(yīng)于不同的實驗項目，最大化授課效果.

3 實驗課程改革

材料化學(xué)專業(yè)作為不同于我校師范類專業(yè)的一門新開設(shè)專業(yè)，學(xué)生人數(shù)由2011年第一屆的34人，經(jīng)過快速增長和衰減的調(diào)節(jié)（2012-2016年），目前學(xué)生人數(shù)穩(wěn)定在80人左右（圖1）. 學(xué)生人數(shù)的增加無疑對任教教師和實驗教學(xué)都提出了更高的要求. 為了能適應(yīng)新時代對材料化學(xué)專業(yè)人才的要求和培養(yǎng)具有專業(yè)基礎(chǔ)知識扎實、實踐操作能力過硬和創(chuàng)新精神豐富的綜合性人才，我校在課程內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進行多項改革.

圖1 招生人數(shù)關(guān)系圖

圖2 實驗項目改革情況圖

3.1 課程類型和學(xué)時

新知識的快速增長，要求當(dāng)前的學(xué)生必須具備豐富、扎實和前沿的專業(yè)知識. 材化課程組在2015年和2017年分別對材化實驗進行課程調(diào)整和改進，2019-2020年完成了課程標(biāo)準化建設(shè). 如圖2，實驗學(xué)時從最初的24學(xué)時增加到72學(xué)時，學(xué)時總量增加了2倍，學(xué)時的增加充分保證全面的將理論課程中的重要知識點在實驗室中得到重現(xiàn)和學(xué)生扎實的實驗技能的培養(yǎng). 除此之外，優(yōu)化后的實驗內(nèi)容并重驗證、設(shè)計和綜合. 在保障學(xué)生基礎(chǔ)理論知識得到鍛煉和吸收的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計性和綜合性實驗進一步提升學(xué)生的自主設(shè)計的創(chuàng)新能力以及綜合能力培養(yǎng)等.

3.2 課程內(nèi)容

由于材化實驗和材化相關(guān)專業(yè)理論課程都是大學(xué)三年級開設(shè)，而改革前材化實驗僅僅安排在上學(xué)期，這樣理論與實驗課程步調(diào)失衡，極不利于學(xué)生對于知識的理解和吸收. 改革后，理論課的進程與實驗課的安排相互配合. 通過課程進程的優(yōu)化，使得學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)與實驗操作緊密銜接，促進學(xué)生對知識的深刻理解、消化和轉(zhuǎn)化. 此外，為了培養(yǎng)學(xué)生掌握獲取材料化學(xué)基礎(chǔ)理論知識和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的科學(xué)方法，通過學(xué)習(xí)和交流獲取新知識的能力，以及掌握中外文資料查詢、文獻檢索及計算機數(shù)據(jù)處理的基本方法，課程內(nèi)容改革還包含以下幾個方面：首先，實驗涉及材料范圍包括無機非金屬材料、金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料以及最新前沿研究熱點材料等，如石墨相氮化碳的制備和性質(zhì)研究；其次，實驗具體項目包含材料的組成、結(jié)構(gòu)、合成與制備、性質(zhì)研究和材料應(yīng)用等方面；第三，實驗內(nèi)容中涉及文獻檢索和計算機數(shù)據(jù)處理及專業(yè)軟件的使用.

3.3 實驗室面積和實驗器材

為了應(yīng)對學(xué)生招生人數(shù)的增加和課改后課時的提高，2019 年實驗室面積在原來的基礎(chǔ)上增加了3倍，基本滿足實驗課程項目和開放實驗順利開展的場地需求. 同時對實驗器材進行了擴充和更新，保證實驗基本設(shè)備每2人一套，大型儀器設(shè)備運轉(zhuǎn)正常.

4 教學(xué)過程改革

4.1 引入具身學(xué)習(xí)理念

相對于傳統(tǒng)的基于大腦的認知學(xué)習(xí)理念，具身學(xué)習(xí)強調(diào)感官、情緒、運動和精神學(xué)習(xí)的交互性［6］. 如圖3所示，感官學(xué)習(xí)通過感官生成意義，情緒學(xué)習(xí)來源于情緒和感覺，運動學(xué)習(xí)通過肢體語言生成意義，精神學(xué)習(xí)通過自我意識和相互關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)［7］. 通過各個維度對學(xué)生個體學(xué)習(xí)影響的重視，亦被稱作全人學(xué)習(xí)［8］. 如在實驗室張貼名人科學(xué)家頭像及其科學(xué)貢獻，就非常有助于營造科學(xué)、嚴謹?shù)膶嶒炃榫? 而通過定期更新材料領(lǐng)域最新科研成果海報，讓學(xué)生置身于良好的學(xué)習(xí)、科研氛圍之中，顯著地開闊學(xué)生的視野，同時提高教學(xué)效果. 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化信息教學(xué)模式如微信公眾平臺可以更好地通過視覺引發(fā)美好情緒及精神的協(xié)同遞進學(xué)習(xí)［9］，如以圖片的形式展示納米材料的微觀形貌和以簡易動畫的形式播放儀器設(shè)備原理等.

圖3 具身學(xué)習(xí)應(yīng)用于材化實驗?zāi)Ｐ蛨D

圖4 以氮化碳（g-C3N4）為例的一體化、分階段、多層次的實驗教學(xué)模式圖

4.2 優(yōu)化教學(xué)模式

師范類化學(xué)專業(yè)的學(xué)生材料基礎(chǔ)知識相對匱乏［10］，很多學(xué)生在理論課程中學(xué)習(xí)納米材料一直覺得高深莫測，認為納米材料離自己很遠，就好像一直和一個不曾見面的人聊天，內(nèi)心總是很渴望知道對方的樣子，見面才算是真的認識（感性認識），而了解對方的內(nèi)心（本質(zhì)、秉性）才算熟悉（理性認識）. 為此，在擴展實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我們對實驗教學(xué)模式進行改進. 通過對實驗項目的整合，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)效果，改變以往不連貫、分散的實驗項目，改革成連續(xù)的全面的實驗項目，實現(xiàn)一體化、分階段、多層次的實驗教學(xué)模式. 如圖4，通過石墨相氮化碳（g-C3N4）納米材料的水熱法制備，不僅聯(lián)系學(xué)生材料合成課程中納米材料的成核—生長—長大的材料制備原理，而且聯(lián)系有機化學(xué)和高分子化學(xué)中有機物聚合的知識. 氮化碳納米材料的X-射線粉末衍射（XRD）、場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）和熱重-示差掃描量熱（TG-DSC）測試正好是材化專業(yè)理論課《材料分析測試方法》所講的內(nèi)容. XRD 可以分析氮化碳材料的物相. 通過FESEM測試，學(xué)生可以看到自己合成樣品的真實樣子（形貌）. TG-DSC可以分析氮化碳對熱的穩(wěn)定性，不同氣氛（N2、空氣或O2）下，氮化碳表現(xiàn)出不同的熱穩(wěn)定性. 除此之外，學(xué)生更關(guān)心材料的實際應(yīng)用. 通過將納米材料應(yīng)用于納米材料最具潛力的應(yīng)用之一——光催化，使得學(xué)生對材料在催化及環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用具有更直接的認識. 染料光催化降解一般為一級動力學(xué)反應(yīng). 通過對降解動力學(xué)數(shù)據(jù)的處理，又聯(lián)系物理化學(xué)中催化反應(yīng)動力學(xué)的理論知識點. 優(yōu)化的課程設(shè)計既溫故已學(xué)知識，又強化現(xiàn)學(xué)理論. FESEM可以表征材料的形貌，XRD可以檢測材料的本質(zhì)，TG-DSC可以測試材料的熱特性，光催化性能測試則可以讓學(xué)生了解材料的實際用途. 以此，讓學(xué)生從感官到精神、感性到理性等方面更深刻的理解和掌握材料化學(xué)相關(guān)知識.

4.3 多元化培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰?/h3>

改革后的實驗學(xué)時雖然擴充2倍，但課堂時間畢竟有限. 為了滿足“好學(xué)學(xué)生”進一步提升自我的愿望、激發(fā)“懶學(xué)學(xué)生”學(xué)習(xí)的興趣以及深度培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，我們通過聯(lián)合學(xué)校做了以下幾個方面的舉措：第一、設(shè)立校級大學(xué)生開放實驗項目，由學(xué)生作為項目主持人，教研組教師指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生知識轉(zhuǎn)化、自主創(chuàng)新以及科學(xué)研究能力［11］. 第二、積極鼓勵學(xué)生申報省級大學(xué)生挑戰(zhàn)杯創(chuàng)業(yè)比賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，培養(yǎng)學(xué)生自主策劃能力的同時使學(xué)生了解社會發(fā)展動態(tài)，為職業(yè)生涯做好規(guī)劃. 第三、學(xué)生和教師實行導(dǎo)師制，一個導(dǎo)師分配若干個學(xué)生，讓學(xué)生參與到導(dǎo)師的科研課題中［12］，讓學(xué)生接觸到更多的材料合成方法、大型儀器設(shè)備（如透射電鏡、X-射線光電子能譜儀、核磁等）、數(shù)據(jù)處理軟件以及材料發(fā)展的最新進展和前沿等. 通過這3種方式，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，并且有多名學(xué)生的實驗成果申請專利和發(fā)表論文等. 如g-C3N4納米復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究［13］、金屬有機框架配合物在藥物傳輸方面的研究［14］和金摻雜聚L-半胱氨酸修飾電極測定多巴胺［15］.

4.4 改進實驗報告與成績評定

傳統(tǒng)實驗報告格式單一，實驗結(jié)果固定. 往往出現(xiàn)報告抄襲且抄襲者得分高的情況，這樣嚴重地限制學(xué)生創(chuàng)作能力的發(fā)揮、學(xué)習(xí)的積極性以及公平性. 為此，我們對以往固定、單一的實驗報告模式進行改進，詳情如下：每個實驗均應(yīng)撰寫實驗預(yù)習(xí)和實驗報告，在講解課程時，以提問-討論的方式檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí). 對于設(shè)計和綜合性實驗，可根據(jù)具體情況自行設(shè)計實驗報告的形式. 任課教師在課堂上即對實驗報告批閱，及時指明有錯誤或不妥處，必要時由學(xué)生補做實驗，當(dāng)堂評定成績，并簽名和簽日期. 本課程的考核并重基礎(chǔ)理論知識和實驗動手能力，學(xué)生最終成績?yōu)閷嶒瀳蟾嫫骄煽兣c考試成績之和的二分之一，而各項成績均采用百分制.

5 結(jié)語

經(jīng)過多年不斷的摸索與改革，材化專業(yè)實驗課程教學(xué)取得較好的教學(xué)效果，不僅整體提升學(xué)生實驗操作技能，而且明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性. 學(xué)生基本具有材料化學(xué)專業(yè)所需的實事求是、勇于實踐、不斷創(chuàng)新、善于應(yīng)用的專業(yè)素質(zhì). 2018至2020年，學(xué)生的考研率高達29%，一次性就業(yè)率超過90%，已參與工作的學(xué)生獲得所在單位的正面評價. 隨著材料科學(xué)的發(fā)展，課程組教師將在教學(xué)中不斷更新知識，改進教學(xué)方法與模式，爭取進一步提高教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量，與時俱進，培養(yǎng)適應(yīng)新時代需求的材料化學(xué)專業(yè)大學(xué)生.