基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

劉敬肖+史非+姜淑文+王志強(qiáng)+劉貴山+劉素花

摘要：為了無機(jī)材料專業(yè)創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革能夠有效推行，本文分析探討了基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路及其實(shí)施辦法，強(qiáng)調(diào)了科研實(shí)例和虛擬仿真以及立體化實(shí)驗(yàn)教材在創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)中的重要作用，對(duì)于推動(dòng)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以及培養(yǎng)具有創(chuàng)新、實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才具有較好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)踐能力；材料專業(yè)；基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；立體化實(shí)驗(yàn)教材

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）20-0278-03

當(dāng)前，黨中央、國務(wù)院高度重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)，在國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的號(hào)召下，基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有重要意義。遼寧省《關(guān)于推動(dòng)本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的實(shí)施意見》中明確了本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)思想，要求高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。材料是工業(yè)的基礎(chǔ)，也是各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的基石。材料類專業(yè)學(xué)生不但要掌握材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用效能之間相互關(guān)系理論及其相關(guān)技能，而且，還要具備創(chuàng)新性思維、實(shí)踐動(dòng)手能力和研究能力。而無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要課程，也是學(xué)生日后從事新材料研究與開發(fā)的重要專業(yè)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐課程。因此，為使無機(jī)材料專業(yè)創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革有效推行，本文結(jié)合大連工業(yè)大學(xué)無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)理論課程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的和特點(diǎn)，分析探討了基于創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路及其實(shí)施辦法。

一、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要意義

在無機(jī)非金屬工程材料專業(yè)的教學(xué)過程中，“無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)”理論課程及其相對(duì)應(yīng)的“無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力中發(fā)揮著重要作用。無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)是無機(jī)非金屬工程材料專業(yè)中一門理論性強(qiáng)、概念抽象、知識(shí)面廣的專業(yè)基礎(chǔ)課程。近年來，無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)建立了課程教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、視頻課堂、知識(shí)題庫、多媒體教案等一系列教學(xué)方法和多媒體教學(xué)形式，并且在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果，課程也成為遼寧省專業(yè)精品課程。2014年大連工業(yè)大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)在遼寧省專業(yè)評(píng)價(jià)中綜合排名位居省內(nèi)同類專業(yè)第2名，2015年獲評(píng)遼寧省無機(jī)材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，這是本專業(yè)不斷探索專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果體現(xiàn)，也是大連工業(yè)大學(xué)多年來重視大學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)的成果體現(xiàn)。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)和知識(shí)層次要求的進(jìn)一步提高，尤其是新材料品種的日益發(fā)展，傳統(tǒng)的平面知識(shí)和簡(jiǎn)單的模擬逐漸不能適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新和應(yīng)用型人才的要求?；诖耍瑸榱烁玫匕l(fā)揮精品課程的作用，教研組積極探索新的無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路和教學(xué)模式，力圖結(jié)合專業(yè)發(fā)展、學(xué)科方向調(diào)整、就業(yè)形勢(shì)需要和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等不同要求，進(jìn)一步提升專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使學(xué)生真正掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的精髓，提高其動(dòng)手實(shí)踐能力和分析問題、解決問題能力，并使其在技術(shù)實(shí)踐過程中具有創(chuàng)新性思想。因此，對(duì)無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的教學(xué)改革，對(duì)于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思想和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才具有重要意義。

二、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體舉措

無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的基本思路是，緊密圍繞教育部提出的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和遼寧省提出的應(yīng)用型人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略部署，根據(jù)無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)體系的構(gòu)成和特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。具體舉措如下。

1.用科研實(shí)例提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容涉及了無機(jī)材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用效能的基本理論問題，主要包含4個(gè)模塊：（1）無機(jī)材料微觀結(jié)構(gòu)理論知識(shí)模塊：主要內(nèi)容為材料結(jié)構(gòu)基本知識(shí)，例如晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷和固溶體等；（2）無機(jī)材料表面與界面知識(shí)模塊：主要內(nèi)容為固體表面與界面以及漿體的膠體化學(xué)原理等；（3）無機(jī)材料熱力學(xué)模塊：主要內(nèi)容為熔體和相平衡、相圖等；（4）無機(jī)材料高溫動(dòng)力學(xué)模塊：主要內(nèi)容為擴(kuò)散、相變、固相反應(yīng)和燒結(jié)等基礎(chǔ)理論[1-5]。

為了讓學(xué)生真正理解和掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要注重將科研和生產(chǎn)實(shí)例融入到基礎(chǔ)理論的講解中，特別是教師自身的科研實(shí)例往往會(huì)引起學(xué)生的極大興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。例如，在講授晶體結(jié)構(gòu)缺陷內(nèi)容時(shí)，一方面通過比喻、類比法等介紹晶體通過熱振動(dòng)產(chǎn)生的本征缺陷以及通過雜質(zhì)原子摻雜、取代產(chǎn)生的非本征缺陷；另一方面，通過介紹具體的科研實(shí)例來形象地說明由于雜質(zhì)引入而產(chǎn)生缺陷的機(jī)理及其對(duì)材料的影響，如教師正在進(jìn)行的鈦酸鋇基熱敏陶瓷的研究，就是由于La3+摻雜和取代部分Ba2+，使材料微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷和載流子，從而獲得室溫能夠?qū)щ姷牡碗娮桠佀徜^陶瓷；而Mn2+的摻入又會(huì)因晶界的改變而使其達(dá)到良好的熱敏電阻效應(yīng)。教師對(duì)某種新材料在研究中遇到的問題及其涉及到的相關(guān)理論知識(shí)的介紹，常常會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生一種豁然開朗的感覺：噢，原來專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)在材料研究中起到如此重要的作用。這樣可使學(xué)生深刻地體會(huì)到，只有學(xué)好專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)才能產(chǎn)生創(chuàng)新思想，提高分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而研究和發(fā)明一種性能更好的新材料。在一個(gè)個(gè)科研實(shí)例的穿插講解中，學(xué)生不但很輕松地深刻理解了相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且還提高了學(xué)好無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的興趣和動(dòng)力。

2.通過虛擬仿真促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)理論教學(xué)中，晶體結(jié)構(gòu)和缺陷部分是學(xué)生感到最抽象、最難學(xué)的內(nèi)容。為了讓學(xué)生充分體會(huì)材料晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的重要影響，課堂上教師可通過模型、動(dòng)畫舉例、類比法加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還可通過增加對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在電腦上自行組裝晶體結(jié)構(gòu)，使其充分理解晶體密堆積原理、立方結(jié)構(gòu)、六方結(jié)構(gòu)和四方結(jié)構(gòu)的不同以及其他有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的理論知識(shí)。

無機(jī)材料晶體結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以展現(xiàn)不可視的晶體結(jié)構(gòu)或原子排列原理，而且對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識(shí)具有重要作用。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展方向[6]。

3.通過創(chuàng)新性和研究性實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。在無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)始終把創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)目標(biāo)放在首位。構(gòu)建多層次、模塊化的實(shí)驗(yàn)課程體系，特別是加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的建設(shè)[7]。高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生必須具有系統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)和很強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力[8，9]。近幾年，教研組教師在響應(yīng)國家培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力的號(hào)召下，相繼開設(shè)了一系列的專業(yè)基礎(chǔ)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，例如涉及到相變以及成核和析晶理論知識(shí)的“陶瓷結(jié)晶釉的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和涉及到缺陷和擴(kuò)散知識(shí)的“摻雜鈦酸鋇功能陶瓷的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”等，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力方面取得了顯著成效。為了進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，教師還要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加更多有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力的科研創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，提高其分析問題和解決問題的能力。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)對(duì)于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)起著重要作用。在材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了通過虛擬實(shí)驗(yàn)仿真使學(xué)生理解、掌握和鞏固相關(guān)理論知識(shí)基礎(chǔ)外，還要讓學(xué)生親自動(dòng)手組裝一些最新功能材料的晶體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在學(xué)到基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，還能掌握材料領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)及其相關(guān)理論。例如，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)是目前新型功能材料研究中經(jīng)常涉及的晶體結(jié)構(gòu)，它們?cè)诠獯呋牧稀㈦娮庸δ芴沾珊推渌虏牧项I(lǐng)域中發(fā)揮著重要角色。其中，具有較高實(shí)際應(yīng)用意義的鎢青銅結(jié)構(gòu)材料，在制備過程中，微觀結(jié)構(gòu)的空穴中會(huì)由于進(jìn)入不同直徑的金屬離子，導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶面指數(shù)等參數(shù)發(fā)生較大的變化，直接影響到材料的光學(xué)、電學(xué)等宏觀性質(zhì)，而這些微觀變化僅僅通過平面文字描述及簡(jiǎn)單的多媒體模擬很難做出全面系統(tǒng)的描述。這一點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中我們深有體會(huì)，學(xué)生往往更愿意看得到和摸得到這種材料，如果能夠自己組裝這種材料的晶體結(jié)構(gòu)就更有效果了，用“身臨其境”表示這種情況可能更恰當(dāng)些。因此，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試用基本單元“原子”為骨架自己搭建出材料的微觀結(jié)構(gòu)，能夠促使學(xué)生更快明白這種材料的結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系理論。

在加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)方面，還要力爭(zhēng)每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都涉及到一種新材料的制備及應(yīng)用，使所涉及的材料制備過程及性能測(cè)試能夠充分利用到無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)。也就是說，在新材料的制備過程中，要讓學(xué)生充分體會(huì)課堂學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)和新材料制備中的體現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

4.努力建設(shè)立體化實(shí)驗(yàn)教材。立體化實(shí)驗(yàn)教材體系的建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有力保證[10]。針對(duì)無機(jī)材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)立體化教材建設(shè)，教研組將從完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、電子課件和網(wǎng)絡(luò)課程三個(gè)方面入手：（1）在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及新材料應(yīng)用之間相互關(guān)系方面的介紹，讓學(xué)生對(duì)所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)全面的基礎(chǔ)理論知識(shí)框架及其在實(shí)際科研、生產(chǎn)中的應(yīng)用背景的認(rèn)識(shí)，以此促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和提高實(shí)驗(yàn)的興趣和動(dòng)力。（2）在電子課件方面，通過制作動(dòng)畫、拍攝視頻等，制作生動(dòng)形象的電子課件，使學(xué)生對(duì)所要用到的實(shí)驗(yàn)儀器和操作步驟有一個(gè)完整的了解和掌握。（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程，可完成實(shí)驗(yàn)原理預(yù)習(xí)、操作步驟預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)與難點(diǎn)、思考問題、在線討論、輔導(dǎo)答疑和文獻(xiàn)資源下載等幾方面內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程的開設(shè)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的自學(xué)、預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和總結(jié)突破了傳統(tǒng)的時(shí)空限制而變得輕松靈活，為真正的動(dòng)手實(shí)踐奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，材料在電子、信息、生物、環(huán)境等科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的作用日益顯著。許多新產(chǎn)品的開發(fā)和新技術(shù)的進(jìn)步，都依賴于材料的改進(jìn)和新材料的研發(fā)。材料專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思想和實(shí)踐能力方面發(fā)揮著重要作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再單單是為了增強(qiáng)和鞏固專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且，更為重要的作用是通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教師的科研項(xiàng)目和成果相結(jié)合，會(huì)大大提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握和科學(xué)研究的興趣和動(dòng)力；而實(shí)驗(yàn)仿真和立體化實(shí)驗(yàn)教材有助于進(jìn)一步提高專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使學(xué)生都能成為具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才，從而滿足社會(huì)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的人才需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王艷榮.無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐與改革探討[J].高教論壇，2007，（2）：128-129.

[2]李敏.《無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程建設(shè)與教學(xué)模式探討[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（23）：39-41.

[3]宋曉嵐.《無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程建設(shè)與教學(xué)改革探討[J].理工高教研究，2004，23（2）：109-110.

[4]馬晶，張永明，曹大力.無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐與學(xué)習(xí)方法探討[J].科教文匯，2012，（1）：56，69.

[5]楊為中，周大利，尹光福，姚亞東，茍立.無機(jī)材料物理化學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐與教學(xué)改革[J].教學(xué)研究，2010，33（5）：38-40.

[6]李亮亮，趙玉珍，李正操，林元華，潘偉，聞星火.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（2）：5-8.

[7]王志偉，張?zhí)锩?構(gòu)建多層次、模塊化、開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J].黑龍江高教研究，2008，169（5）：162-163.

[8]吳鳳嬌，把多鐸，許景輝，張寧.高校大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的審視與思考[J].中國電力教育，2013，（25）：42-44.

[9]朱蓓薇，李冬梅，董秀萍，張彧.大學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].遼寧教育研究，2008，（6）：80-81.

[10]王云，禇慶昕，涂治紅.射頻電路與天線立體化實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，123（11）：124-126.