《材料合成與制備》課程教學(xué)設(shè)計與探索-

《材料合成與制備》課程教學(xué)設(shè)計與探索*馬藝函，譚軼璇（中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074）材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被視為社會文明進(jìn)化的重要標(biāo)志，是當(dāng)代文明的三大支柱之一，人類社會的進(jìn)步和發(fā)展離不開各種新材料的不斷涌現(xiàn)。材料的合成與制備技術(shù)則是對微觀原子和分子的合理操縱，使之互相結(jié)合并最終轉(zhuǎn)變成為具體功能用品的一系列連續(xù)過程，是研發(fā)新材料和新器件的核心，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。《材料合成與制備》作為材料化學(xué)專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，是合成與制備-組成與結(jié)構(gòu)-性能-使用效能“四面體”知識體系中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對學(xué)生后續(xù)知識的銜接、綜合能力和思維方式的培養(yǎng)至關(guān)重要［1］。在教學(xué)過程中，需緊密聯(lián)系材料科學(xué)發(fā)展的熱點和趨勢，深度融合現(xiàn)代信息技術(shù)，拓展課程的專業(yè)性和實踐性，淘汰水課，打造金課［2］,適應(yīng)本校材料化學(xué)專業(yè)國家級一流學(xué)科建設(shè)的發(fā)展需求。整個教學(xué)過程，需要堅持知識、能力、素質(zhì)三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展，理論和實踐相結(jié)合、動手能力與創(chuàng)新能力并重，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識?；诖?，筆者從課堂教學(xué)模式、課后實踐環(huán)節(jié)和課程考核等方面提出了以下幾點思考和探索。1轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，構(gòu)建課堂教學(xué)新模式《材料合成與制備》課程圍繞現(xiàn)代材料制備的基礎(chǔ)理論和相關(guān)方法技術(shù)展開，涵蓋金屬、無機(jī)非金屬、高分子材料等傳統(tǒng)工程材料，以及單晶、非晶、薄膜和納米材料等新型材料，涉及到多學(xué)科的交叉滲透，兼具專業(yè)性、應(yīng)用性和前沿性［3］。但這些內(nèi)容繁多且分散，章節(jié)之間欠缺明顯的聯(lián)系和規(guī)律性，授課時不能面面俱到，同時部分合成機(jī)理和工藝方法僅憑抽象的文字描述不能給予學(xué)生充分的感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)和理解的動力不足，達(dá)不到良好的教學(xué)效果。因此，教師在教學(xué)中要針對重點內(nèi)容，從材料合成的科學(xué)性和理論性入手，以典型的應(yīng)用案例和科研成果為引導(dǎo)，利用圖片、動畫和視頻等多媒體手段詳細(xì)介紹材料合成過程中的反應(yīng)原理、制備方法、生產(chǎn)儀器、影響要素和應(yīng)用前景等，并啟發(fā)學(xué)生參與討論和思考，大膽發(fā)揮想象力，深刻理解材料結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能之間的關(guān)聯(lián)性，最終形成完整系統(tǒng)的知識脈絡(luò)。例如，在介紹薄膜材料的制備時，以時下火熱的手機(jī)折疊OLED屏為引例，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想之前學(xué)過的哪些合成方法適用于制備薄膜材料，如真空蒸鍍、化學(xué)氣相沉積和溶膠-凝膠法等，三種方法的側(cè)重點有哪些差異，并充分調(diào)動學(xué)生的積極性，鼓勵學(xué)生思考大尺寸OLED屏的制備工藝和相應(yīng)的技術(shù)難點，從而認(rèn)識到所學(xué)知識與實際生活息息相關(guān)，更好的理解和掌握所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。同時，由于當(dāng)今社會高新技術(shù)的發(fā)展日新月異，許多具有優(yōu)異性能和特殊功能的材料及其制備方法也在推陳出新，這里面既包括傳統(tǒng)材料,也包括新型材料，二者互相推動甚至還可以相互轉(zhuǎn)化。因此，照本宣科式的按照單一課本教學(xué)是無法滿足材料合成與制備這門實踐性很強(qiáng)的課程。在教學(xué)內(nèi)容中，介紹某種材料時可穿插本校老師的相關(guān)研究進(jìn)展和最新成果，這有利于學(xué)生更好地了解本專業(yè)的前沿知識、新材料和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢［4］。例如，在講述傳統(tǒng)高分子材料環(huán)氧樹脂的合成方法時，我們介紹了本院張道洪教授在超支化環(huán)氧樹脂取得的一系列研究成果。利用硫醇-烯燒點擊反應(yīng)制備的超支化環(huán)氧樹脂，由于獨特的樹枝狀結(jié)構(gòu)、分子間纏結(jié)點少和大量的官能團(tuán)，相較于傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂，其具有分子量高、黏度低、反應(yīng)活性高和增強(qiáng)增韌的優(yōu)點?；诖耍瑥埥淌谕ㄟ^建立校企技術(shù)研發(fā)中心，設(shè)計并開發(fā)了適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的絕緣超支化環(huán)氧樹脂，具備優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性、潛伏性固化促進(jìn)劑、耐高溫、無溶劑等性能，并成功替代進(jìn)口相關(guān)產(chǎn)品，占據(jù)國內(nèi)30%以上的市場。此外，他們最近在超支化環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)中引入可降解的六氫均三嗪分子，實現(xiàn)了高性能環(huán)氧樹脂的循環(huán)回收利用，為設(shè)計和合成可降解熱固性聚合物及循環(huán)利用提供了新思路和途徑。這些新知識的補(bǔ)充和新信息的沖擊不僅激發(fā)了學(xué)生的極大興趣，而且激勵他們認(rèn)真學(xué)習(xí)專業(yè)課程，極大地提升了后續(xù)參與行業(yè)未來研究工作或考研深造的積極性。此外，充分利用學(xué)習(xí)通等在線學(xué)習(xí)平臺，豐富教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課堂管理，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。任課老師自身每天就會追蹤《科學(xué)》、《自然》、《德國應(yīng)用化學(xué)》、《美國化學(xué)會志》和《先進(jìn)材料》等國際頂尖雜志在當(dāng)前材料領(lǐng)域的科研成果，以及查閱中國知網(wǎng)、新材料在線和X0M-L等科技知識平臺的資訊，將獲取的相關(guān)信息整合重構(gòu)后統(tǒng)一推送給學(xué)生，學(xué)生可以利用碎片化的時間閱讀學(xué)習(xí),發(fā)散思維，并與老師反饋溝通。同時在線上平臺發(fā)布課程學(xué)習(xí)任務(wù),學(xué)生完成相應(yīng)的章節(jié)學(xué)習(xí)后方能進(jìn)行作業(yè)和習(xí)題的解答。教師提前對學(xué)習(xí)平臺提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行功能定位并匯總學(xué)生的問題與訴求，在下一次的線下教學(xué)中集中解答。這一方面可以促進(jìn)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新思維活躍度，加深對課程理論概念的理解及實際應(yīng)用，同時有利于教師選擇性地將科研思想、成果、先進(jìn)技術(shù)理論和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求融入教學(xué)，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及時調(diào)整和補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容。2強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性《材料合成與制備》課程是在研究材料制備工藝技術(shù)及設(shè)計新材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用而開設(shè)的一門理論與實踐并重的課程，應(yīng)盡可能地為學(xué)生提供豐富的實踐平臺和科研條件［5］。課后實踐是學(xué)生揮主觀能動性，靈活運用課堂所學(xué)內(nèi)容的一個重要環(huán)節(jié)。本學(xué)院配套開設(shè)的材料化學(xué)專業(yè)實驗課，里面涉及球磨法制備納米氧化鉆、化學(xué)氣相沉積法制備二氧化硅薄膜、超聲法制備氧化石墨烯、沉淀法制備白炭黑及高分子的本體和懸浮聚合等。學(xué)生通過實際動手操作，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果并探討影響因素，更加深入具體地理解和思考相關(guān)知識點；若出現(xiàn)某些異常的實驗現(xiàn)象或結(jié)果時，他們會更加投入和專注于理論課的學(xué)習(xí)，并主動與老師溝通交流，尋找解決問題的方法，拓展專業(yè)視野，最終實現(xiàn)知識的內(nèi)化和遷移。此外，可以充分發(fā)揮本院本科生導(dǎo)師制度的優(yōu)勢，鼓勵推動學(xué)生早進(jìn)課題組、早進(jìn)實驗室參與研究工作，并將最新的科研成果及時轉(zhuǎn)化,積極參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽、中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和大學(xué)生化學(xué)（化工）學(xué)術(shù)創(chuàng)新成果報告會等。學(xué)生在掌握一定的材料制備理論知識的基礎(chǔ)上，調(diào)研文獻(xiàn)，設(shè)計合成某種材料的具體實驗方案，與指導(dǎo)老師討論可行性后，依據(jù)實驗計劃開展實驗，記錄實驗過程及數(shù)據(jù)，分析實驗過程中遇到的問題，探索實踐并總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。筆者導(dǎo)師制名下的三名本科生在大一下學(xué)期就進(jìn)入了實驗室，依托本人的科研項目和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，以聚多巴胺修飾的碳納米材料為研究體系，開展了一系列嘗試。他們基于多巴胺在弱堿性條件下會自聚合的生物粘附效應(yīng)，包裹碳納米管后作為二級反應(yīng)平臺進(jìn)一步引入功能性分子，制備合成了一種水溶性聚多巴胺衍生物，其具有高效的抗氧化損傷保護(hù)作用，在生物醫(yī)藥和化妝品領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。整個過程中利用了自由基聚合反應(yīng)，邁克爾加成、席夫堿反應(yīng)、水熱法和溶膠-凝膠法等，這些制備方法的相關(guān)理論都在《材料合成與制備》課程中充分體現(xiàn)，不僅調(diào)動了學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神，還可以全方位地鍛煉學(xué)生實踐動手和科研能力。3多樣化考核方式，構(gòu)建科學(xué)的考核評價體系課程考核是檢驗學(xué)生對課堂內(nèi)容掌握程度、反饋學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要手段，也是教師制定教學(xué)策略、提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，需要客觀公平地反映學(xué)生對理論知識的理解及解決復(fù)雜問題的綜合能力［6］。單一的閉卷考試容易使學(xué)生養(yǎng)成臨考前突擊復(fù)習(xí)和死記硬背知識點的不良習(xí)慣來應(yīng)付考試，會降低學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性和持久度，并且無法體現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐能力?；诖?，本課程強(qiáng)調(diào)過程考核,把分組PPT展示、交流問答、實踐技能和課后作業(yè)過程考核模塊納入評價范圍，與期末考試各占比50%,實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造的有機(jī)融合。筆者在課程初始就發(fā)布小組任務(wù)，學(xué)生自由分組后結(jié)合自己的課外實踐環(huán)節(jié)任意選擇一種材料，在學(xué)期末以PPT的形式詳細(xì)介紹其制備方法、性質(zhì)及應(yīng)用，老師和其他同學(xué)可以點評、提問和討論，然后結(jié)合老師和小組自評成績得到最終分?jǐn)?shù)。整個過程中，學(xué)生通過自我探究和團(tuán)隊協(xié)作完成確定課題、探索研究、總結(jié)提煉及匯報答辯，課上學(xué)起來，課下忙起來，做到真學(xué)，真想，真領(lǐng)會。交流問答的考核分?jǐn)?shù)則取決于課堂的主動問答次數(shù)，以及對線上學(xué)習(xí)平臺推送的資料閱讀和討論情況，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，鞏固知識點并拓展知識的應(yīng)用能力。利用線上教學(xué)平臺打造試題庫，不斷實時更新，補(bǔ)充習(xí)題，課后及時發(fā)布作業(yè)，使學(xué)生隨學(xué)隨練，全面夯實理論基礎(chǔ)。同時，期末試卷內(nèi)容也做出一定調(diào)整，適當(dāng)增加開放性主觀題的比例，注重考察學(xué)生對知識的理解、重構(gòu)和再創(chuàng)造的能力和高階思維。通過構(gòu)建多元化、全方位的考核評價體系，達(dá)到以考輔教、以考促學(xué)的目的，激發(fā)學(xué)生積極探索的熱情，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。4結(jié)語“雙一流”建設(shè)背景下，需要以立德樹人為本，切實提高教學(xué)質(zhì)量和