“雙一流”背景下材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐*

張雁紅，王海燕

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，科技創(chuàng)新突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)擁有扎實(shí)理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)實(shí)踐能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才急為需求。創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是高等教育“雙一流”建設(shè)的基本任務(wù)之一，也是衡量一流大學(xué)的重要指標(biāo)之一[1]。為了加快推進(jìn)“雙一流”建設(shè)的步伐，全國(guó)各大高校紛紛依據(jù)地方特色，準(zhǔn)確尋找自身定位以確定符合本校實(shí)際情況的人才培養(yǎng)體系，有針對(duì)性地設(shè)置能體現(xiàn)實(shí)踐性和應(yīng)用性的專(zhuān)業(yè)課程。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)是面向我校材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，共56學(xué)時(shí)，內(nèi)容涉及不同材料在各個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景、材料制備及性能表征方面的知識(shí)。課程通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握典型的納米材料、高分子材料、無(wú)機(jī)功能材料、復(fù)合材料的制備方法，熟悉常用的現(xiàn)代分析測(cè)試儀器操作流程，并且能夠分析解讀相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)使用常用化學(xué)軟件作圖，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力、獨(dú)立思考和分析解決問(wèn)題的能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，是培養(yǎng)創(chuàng)新型和綜合性人才的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)一直以驗(yàn)證性的合成實(shí)驗(yàn)為主，對(duì)材料的性能表征以及綜合應(yīng)用很少提及，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力以及提高環(huán)保意識(shí)方面都差強(qiáng)人意，更無(wú)從談起培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和批判性思維。因此，無(wú)論從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式還是教學(xué)理念，對(duì)于材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革都勢(shì)在必行。本文就“雙一流”建設(shè)背景下，我校材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀以及改革措施進(jìn)行深入探討，希望通過(guò)不斷的改革嘗試能夠有效改善教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生綜合能力培養(yǎng)以及“雙一流”建設(shè)提供借鑒。

1 優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)實(shí)踐性與應(yīng)用型都非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)必修課，不僅能銜接材料化學(xué)中的基本理論知識(shí)、更能鞏固基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作。然而，目前很多高校由于實(shí)驗(yàn)資源的限制，僅開(kāi)設(shè)一些經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容比較陳舊。學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，依葫蘆畫(huà)瓢、按部就班地按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行，只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很少關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。因此，為了突破傳統(tǒng)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)方面存在的弊端，學(xué)院積極探索，不斷進(jìn)行改革，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，逐步扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)“重理論、輕實(shí)踐”的現(xiàn)象。為了培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)關(guān)注國(guó)內(nèi)外材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，我們結(jié)合教師科研項(xiàng)目，引入了一系列系統(tǒng)完整、具有前瞻性和探索性的綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。比如“硫化鋅納米粒子的合成及性能研究綜合實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)將材料化學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，內(nèi)容涉及納米材料的制備、表征及實(shí)際應(yīng)用、再到相關(guān)機(jī)理研究，教學(xué)內(nèi)容層層遞進(jìn)、教學(xué)節(jié)奏有條不紊，不僅拓寬了學(xué)生的科學(xué)視野，激發(fā)了學(xué)生的求知欲；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以近距離接觸大型精密儀器、親自解讀實(shí)驗(yàn)譜圖并使用相關(guān)化學(xué)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，非常有利于系統(tǒng)全面地訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 采用多元化教學(xué)模式，打造高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)

長(zhǎng)期以來(lái)，材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)大多以教師為中心、采取“灌輸式”的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容敷衍式地完成預(yù)習(xí)報(bào)告；課堂上，教師花大量時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)以及數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。學(xué)生則不假思索、機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)流程，很少潛心鉆研實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果更是“知其然不知其所以然”。這種被動(dòng)的學(xué)習(xí)方法容易使學(xué)生滋生依賴(lài)他人的惰性思想，不利于學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。當(dāng)今社會(huì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，各大高校紛紛利用信息技術(shù)開(kāi)展人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革[2]，我校材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程也利用慕課、微課、雨課堂等多媒體資源開(kāi)展“線上+線下”混合式教學(xué)模式。課前，教師制作實(shí)驗(yàn)課件、錄制操作視頻，利用網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)布學(xué)習(xí)鏈接，要求學(xué)生在線預(yù)習(xí)，學(xué)生則可以突破時(shí)空限制，隨時(shí)利用手機(jī)和電腦，反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)教師會(huì)發(fā)布一些實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)性問(wèn)題和討論題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)師生互動(dòng)、學(xué)生之間互動(dòng)等形式，切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)難點(diǎn)，自主完成預(yù)習(xí)任務(wù)。課中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”，讓學(xué)生以小組的形式就自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和預(yù)習(xí)效果進(jìn)行匯報(bào)展示，教師有針對(duì)性地加以矯正和修改，然后學(xué)生有思路、有目的地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果遇到一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和預(yù)想的情況不一樣，學(xué)生將會(huì)主動(dòng)反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并嘗試分析解決問(wèn)題。這種混合式教學(xué)模式和翻轉(zhuǎn)課堂的有機(jī)結(jié)合，突出了學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

3 借助虛擬仿真平臺(tái)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)廣度和深度

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸被應(yīng)用到本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用多媒體和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)人機(jī)交互構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在虛擬平臺(tái)體驗(yàn)逼真的實(shí)驗(yàn)操作流程，有效地彌補(bǔ)和拓展了實(shí)際教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[3]。

2020年春季學(xué)期，由于新冠疫情形勢(shì)嚴(yán)峻，各高校大學(xué)生普遍延期返校。為了貫徹落實(shí)教育部“停課不停學(xué)”的方針政策，我校充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源開(kāi)展了理論與實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程借助于虛擬仿真平臺(tái)，圓滿(mǎn)完成了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了大型儀器測(cè)試表征的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)與實(shí)操。

以X射線粉末衍射為例，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含了多個(gè)相互銜接的模塊，如：實(shí)驗(yàn)原理、儀器配置、樣品配置、儀器操作、數(shù)據(jù)分析等。實(shí)驗(yàn)原理模塊詳細(xì)地介紹了實(shí)驗(yàn)方法及儀器工作原理等基礎(chǔ)知識(shí)；儀器配制模塊利用3D技術(shù)，將X射線粉末衍射儀器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)直觀形象地呈現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生真切地感受到儀器的基本構(gòu)造和具體工作原理；樣品配置模塊對(duì)測(cè)試樣品的形狀、厚度、粒徑尺寸均給出了具體要求，學(xué)生可以利用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)模擬樣品研磨、壓片等具體過(guò)程；儀器操作模塊分別設(shè)置了演示和練習(xí)模式，學(xué)生可以先通過(guò)觀看動(dòng)畫(huà)視頻，留意各實(shí)驗(yàn)步驟的注意事項(xiàng)和細(xì)節(jié)，然后再按照提示，進(jìn)行規(guī)范的操作練習(xí)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的觀察分析能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。學(xué)生還可以有針對(duì)性地進(jìn)行模擬試錯(cuò)，感受因操作不當(dāng)引起的安全事故，增強(qiáng)學(xué)生的安全防范意識(shí)。數(shù)據(jù)分析模塊可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在線分析，便于學(xué)生實(shí)時(shí)快捷地總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，提高了學(xué)生的邏輯思維能力和推理計(jì)算能力。

整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程高度再現(xiàn)了大型精密儀器的內(nèi)部構(gòu)造，還原了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生可以不受儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，實(shí)現(xiàn)跨地域、跨時(shí)間的自由學(xué)習(xí)模式；此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合了大學(xué)生感興趣的網(wǎng)絡(luò)操作，兼具教學(xué)性和趣味性的特點(diǎn)，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中積極地發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新思維，提高實(shí)踐能力。

4 建立科學(xué)的考核機(jī)制，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的考核標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)形式直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，以往的實(shí)驗(yàn)成績(jī)雖然也是由平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分評(píng)定，但平時(shí)成績(jī)更多關(guān)注學(xué)生的考勤和衛(wèi)生情況，再加上學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容類(lèi)似，實(shí)驗(yàn)報(bào)告大多照搬課件講義，因此最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)區(qū)分度不明顯，這種考核方式很難全面客觀地衡量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力，也會(huì)大大降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。為了適應(yīng)目前多元化的教學(xué)模式，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，更加注重過(guò)程性評(píng)價(jià)。首先，平時(shí)成績(jī)更加強(qiáng)化預(yù)習(xí)效果，慕課的使用不僅可以監(jiān)測(cè)學(xué)生的出勤率，還可以跟蹤視頻學(xué)習(xí)進(jìn)度，通過(guò)線上自測(cè)題的反饋可以把握學(xué)生預(yù)習(xí)效果及課堂學(xué)習(xí)效率。其次，在實(shí)驗(yàn)課中，不僅關(guān)注學(xué)生的基本操作、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、有意識(shí)地增加了一些教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)，教師針對(duì)預(yù)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的具體問(wèn)題以及實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)難點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考討論，鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)言，提高課堂參與度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)價(jià)過(guò)程，更重視學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，及時(shí)批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，解決出現(xiàn)的問(wèn)題。最后，期末考試分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，理論部分主要考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論的解釋?zhuān)粚?shí)驗(yàn)操作主要考察學(xué)生操作過(guò)程的熟練程度以及操作的規(guī)范性和對(duì)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)的領(lǐng)悟。總之，通過(guò)多角度的考核方式，不僅可以全面衡量學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握情況以及真實(shí)的實(shí)驗(yàn)水平，還可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5 滲透綠色環(huán)保理念，加強(qiáng)課程思政教育

傳統(tǒng)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的傳授具體明確，頗具指導(dǎo)性，但是對(duì)學(xué)生思想政治素養(yǎng)和人生觀、價(jià)值觀的引導(dǎo)略顯薄弱。習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上提出了“課程思政”的理念，要求高校所有課程都要發(fā)揮思想政治教育作用[4]。在“雙一流”建設(shè)背景下，課程思政教育是各大高校教學(xué)改革面臨的重要任務(wù)之一。實(shí)驗(yàn)課由于其實(shí)踐性的特點(diǎn)，是開(kāi)展課程思政教育最好的載體[5]。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)教學(xué)過(guò)程都蘊(yùn)含著豐富的思政元素。我們始終把安全教育和綠色環(huán)保理念滲透在實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，要求學(xué)生踏踏實(shí)實(shí)做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作、嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則、培養(yǎng)良好的科研態(tài)度和實(shí)驗(yàn)習(xí)慣[6]；引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，合理使用藥品劑量、避免浪費(fèi)，將產(chǎn)生的廢液廢物集中分類(lèi)處理、不可隨意排放，提倡綠色化學(xué)理念和加強(qiáng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)意識(shí)；要求學(xué)生真實(shí)地記錄和保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，注重科研誠(chéng)信和學(xué)術(shù)規(guī)范，培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生要自覺(jué)整理好實(shí)驗(yàn)臺(tái)面、做好清潔工作，養(yǎng)成良好的衛(wèi)生習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和責(zé)任感。通過(guò)教師在課堂上有意識(shí)地融入德育教育和思政教育，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更有利于提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)、傳遞給學(xué)生正確的人生觀和價(jià)值觀[7]。

6 結(jié) 語(yǔ)

在“雙一流”建設(shè)背景下，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)將面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)是材料系學(xué)生提高專(zhuān)業(yè)能力的核心課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力起到舉足輕重的作用。通過(guò)引入創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)，有利于拓寬學(xué)生科學(xué)視野、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手、分析解決問(wèn)題的能力；互聯(lián)網(wǎng)新媒體的靈活應(yīng)用、“線上+線下”混合式教學(xué)模式以及翻轉(zhuǎn)課堂的有機(jī)結(jié)合適應(yīng)當(dāng)代大學(xué)生思維活躍的特點(diǎn)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)組織和語(yǔ)言表達(dá)能力；虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)模擬抽象、極端、高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生可以跨地域、跨時(shí)間、沉浸式地感受一些在現(xiàn)實(shí)中不可及的高精度、高危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。形象直觀的動(dòng)畫(huà)演示使實(shí)驗(yàn)靈動(dòng)有趣，有助于激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索能力；多元化的考核方式以及課程思政教育的巧妙滲透，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)積極性，還可以增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，引導(dǎo)他們樹(shù)立正確的三觀，從而更好地服務(wù)于社會(huì)。