《材料合成與制備》課程教學(xué)設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)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(duì)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?！恫牧虾铣膳c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(shí)體系中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生后續(xù)知識(shí)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(diǎn)和趨勢(shì)，深度融合現(xiàn)代信息技術(shù)，拓展課程的專業(yè)性和實(shí)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(jí)一流學(xué)科建設(shè)的發(fā)展需求。整個(gè)教學(xué)過程，需要堅(jiān)持知識(shí)、能力、素質(zhì)三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展，理論和實(shí)踐相結(jié)合、動(dòng)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(shí)?；诖?，筆者從課堂教學(xué)模式、課后實(shí)踐環(huán)節(jié)和課程考核等方面提出了以下幾點(diǎn)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(shí)不能面面俱到，同時(shí)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(shí)，學(xué)習(xí)和理解的動(dòng)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(duì)重點(diǎn)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(dòng)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(shí)脈絡(luò)。例如，在介紹薄膜材料的制備時(shí)，以時(shí)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(diǎn)有哪些差異，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鼓勵(lì)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(diǎn)，從而認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)與實(shí)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(shí)際問題的能力。

同時(shí)，由于當(dāng)今社會(huì)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(dòng)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(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在教學(xué)內(nèi)容中，介紹某種材料時(shí)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(shí)、新材料和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[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(shí)，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-烯烴點(diǎn)擊反應(yīng)制備的超支化環(huán)氧樹脂，由于獨(dú)特的樹枝狀結(jié)構(gòu)、分子間纏結(jié)點(diǎn)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(diǎn)?；诖?，張教授通過建立校企技術(shù)研發(fā)中心，設(shè)計(jì)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(chǎng)。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(shí)現(xiàn)了高性能環(huán)氧樹脂的循環(huán)回收利用，為設(shè)計(jì)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(shí)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(lì)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(tái)，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(dòng)態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。任課老師自身每天就會(huì)追蹤《科學(xué)》、《自然》、《德國應(yīng)用化學(xué)》、《美國化學(xué)會(huì)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XOM-L等科技知識(shí)平臺(tái)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(shí)間閱讀學(xué)習(xí)，發(fā)散思維，并與老師反饋溝通。同時(shí)在線上平臺(tái)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(duì)學(xué)習(xí)平臺(tái)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(duì)課程理論概念的理解及實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)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(shí)調(diào)整和補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容。

2 強(qiáng)化實(shí)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(jì)新材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用而開設(shè)的一門理論與實(shí)踐并重的課程，應(yīng)盡可能地為學(xué)生提供豐富的實(shí)踐平臺(tái)和科研條件[5]。課后實(shí)踐是學(xué)生揮主觀能動(dòng)性，靈活運(yùn)用課堂所學(xué)內(nèi)容的一個(gè)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(shí)驗(yàn)課，里面涉及球磨法制備納米氧化鈷、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(shí)際動(dòng)手操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)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(shí)點(diǎn)；若出現(xiàn)某些異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果時(shí)，他們會(huì)更加投入和專注于理論課的學(xué)習(xí)，并主動(dòng)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(shí)現(xiàn)知識(shí)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(shì)，鼓勵(lì)推動(dòng)學(xué)生早進(jìn)課題組、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與研究工作，并將最新的科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化，積極參加大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)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(jìng)賽、全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)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(bào)告會(huì)等。學(xué)生在掌握一定的材料制備理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，調(diào)研文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)合成某種材料的具體實(shí)驗(yàn)方案，與指導(dǎo)老師討論可行性后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃開展實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，探索實(shí)踐并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，依托本人的科研項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)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(huì)自聚合的生物粘附效應(yīng)，包裹碳納米管后作為二級(jí)反應(yīng)平臺(tái)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(jià)值。整個(gè)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(dòng)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(shí)踐動(dòng)手和科研能力。

3 多樣化考核方式，構(gòu)建科學(xué)的考核評(píng)價(jià)體系

課程考核是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)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(duì)理論知識(shí)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(shí)點(diǎn)的不良習(xí)慣來應(yīng)付考試，會(huì)降低學(xué)生平時(shí)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(shí)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(shí)踐技能和課后作業(yè)過程考核模塊納入評(píng)價(jià)范圍，與期末考試各占比50%，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)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(shí)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(diǎn)評(píng)、提問和討論，然后結(jié)合老師和小組自評(píng)成績(jī)得到最終分?jǐn)?shù)。整個(gè)過程中，學(xué)生通過自我探究和團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成確定課題、探索研究、總結(jié)提煉及匯報(bào)答辯，課上學(xué)起來，課下忙起來，做到真學(xué)，真想，真領(lǐng)會(huì)。交流問答的考核分?jǐn)?shù)則取決于課堂的主動(dòng)問答次數(shù)，以及對(duì)線上學(xué)習(xí)平臺(tái)推送的資料閱讀和討論情況，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，鞏固知識(shí)點(diǎn)并拓展知識(shí)的應(yīng)用能力。利用線上教學(xué)平臺(tái)打造試題庫，不斷實(shí)時(shí)更新，補(bǔ)充習(xí)題，課后及時(shí)發(fā)布作業(yè)，使學(xué)生隨學(xué)隨練，全面夯實(shí)理論基礎(chǔ)。同時(shí)，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(duì)知識(shí)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(píng)價(jià)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(dòng)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(shí)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，滿足本校材料化學(xué)專業(yè)高素質(zhì)、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。筆者對(duì)《材料合成與制備方法》課程教學(xué)改革的進(jìn)行了思考和嘗試，努力適應(yīng)學(xué)?！半p一流”學(xué)科的建設(shè)。通過前言信息輔助和拓展基礎(chǔ)知識(shí)，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容更新，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和發(fā)散思維；課后的實(shí)踐環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生自由探索和鉆研，加強(qiáng)了學(xué)生的能力訓(xùn)練和素質(zhì)提升；多樣化的考核方式則有助于提高學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，形成完整的知識(shí)體系。