“一體兩翼”內(nèi)核賦能《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革

＊劉輝 龐凌燕 李軍奇 陳三平 楊奇 劉俊莉

（1.陜西科技大學(xué) 陜西 710021 2.西北大學(xué) 陜西 710069）

材料合成技術(shù)反映一個國家的科技與工業(yè)水平，每一種新的材料設(shè)計與合成原理的提出、材料制備技術(shù)或加工工藝的出現(xiàn)都很可能伴隨材料發(fā)展的一次飛躍，推動材料創(chuàng)新[1]。作為材料類“新工科”學(xué)生的基礎(chǔ)必修課，《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程是材料科學(xué)領(lǐng)域的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課程，是新材料研究的必備理論基礎(chǔ)，對于材料的合成原理和設(shè)計思路、功能材料的制備及表征、復(fù)合材料的設(shè)計與制備、界面化學(xué)修飾研究等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義，是培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新能力的最重要支撐。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，各種新材料層出不窮，許多新材料也在不斷發(fā)展中，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，材料制備化學(xué)也在不斷發(fā)展，是與現(xiàn)代科學(xué)聯(lián)系最為緊密的基礎(chǔ)課程之一。因此，《材料制備化學(xué)》是培育具有工程思維和創(chuàng)新能力的“新工科”人才的肥沃土壤[2]。

1.《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》的改革必要性及課程痛點分析

隨著“新工科”內(nèi)涵的不斷深化，以材料類為代表的工科教育教學(xué)理念、模式、內(nèi)容、方法等已發(fā)生巨大變化[3-5]。《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》必須從教育教學(xué)實際出發(fā)，讓學(xué)生立足基礎(chǔ)理論工具，掌握材料領(lǐng)域的新知識和新方法，具備一定的科研、創(chuàng)新能力。然而，在實踐過程中該課程的實際效果與預(yù)期目標(biāo)仍然存在一定的距離，究其原因目前存在如下兩個方面的痛點問題：

（1）《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》與一流課程要求存在距離，課程內(nèi)容有待更新。該課程作為新材料新技術(shù)的重要支撐點和落腳點，其課程內(nèi)容是先進材料及制備技術(shù)的孵化器。然而與日新月異的材料技術(shù)的迅猛發(fā)展相比，當(dāng)前的課程內(nèi)容，立足較為傳統(tǒng)的化學(xué)制備方法開展，面對飛速發(fā)展的科學(xué)進展，一方面課程內(nèi)容略顯陳舊，導(dǎo)致教學(xué)理念的實施受到掣肘，且各個內(nèi)容模塊之間聯(lián)系松散，缺乏必要的科學(xué)內(nèi)核鉸鏈；另一方面，現(xiàn)有內(nèi)容對能力的培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)實際需求存在脫節(jié)現(xiàn)象，缺失了科學(xué)理論到工程實際的連接。如何與時俱進地更新高階性課程內(nèi)容，增加課程任務(wù)的挑戰(zhàn)度，是《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的最重要問題[6-8]。不僅如此，由于該課程更關(guān)注技術(shù)本身，忽視了課程的育人功能，因此如何提升《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容的科學(xué)性、創(chuàng)新性、含金量和應(yīng)用性？如何將課程育人與課程知識體系有機結(jié)合？這是材料制備化學(xué)課程內(nèi)容改革亟待完成的重要任務(wù)。

（2）傳統(tǒng)的《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式創(chuàng)新不足、難以全面支撐人才培養(yǎng)?！恫牧现苽浠瘜W(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)活動通常體現(xiàn)為重知識，教師更關(guān)注學(xué)生有沒有理解本節(jié)課程的知識點，而忽略了設(shè)計科學(xué)的學(xué)習(xí)活動，借此鍛煉學(xué)生的應(yīng)用能力、探索能力和創(chuàng)新能力。即便經(jīng)過初步探索，采用線上線下混合式教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有所提升，學(xué)生將理論知識用于解決實際問題的能力仍然有較大欠缺，理論與實踐之間的跨度沒有明顯縮小，這與“新工科”的能力要求仍存在差距[9]。因此，如何創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，強化能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)，全面支撐《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程改革，是課程模式改革面臨的重要難題。

2.提煉“一體兩翼”課程內(nèi)核，優(yōu)化課程內(nèi)容

為了更好地契合行業(yè)需求和研究需要，首先在相關(guān)行業(yè)進行了能力需求的調(diào)研。一方面，到相關(guān)院校材料類認(rèn)證專業(yè)及本校所屬工科專業(yè)及相關(guān)大型企事業(yè)單位進行調(diào)研，經(jīng)過充分溝通交流，總結(jié)提煉出企業(yè)對納米材料與技術(shù)專業(yè)要求的能力特點，調(diào)研結(jié)果指導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容改革，通過教學(xué)設(shè)計將能力指標(biāo)要求編織進適當(dāng)?shù)恼n程內(nèi)容和環(huán)節(jié)中；另一方面，通過對本學(xué)院各個專業(yè)學(xué)生進行問卷調(diào)查，考察學(xué)生個體對培養(yǎng)過程和能力需求的主觀意向，充分聽取學(xué)生主體的意見，采集所需相關(guān)原始數(shù)據(jù)，有針對性地進行具體實施方案的修改。

在前期調(diào)研學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將知識、能力、情感等目標(biāo)分割成具體指標(biāo)，巧妙編織進課程內(nèi)容中。凝練課程體系內(nèi)核，依托溶液法、固相法、溶膠凝膠法、水熱溶劑熱法、微波法、模板法、氣相沉積法、機械剝離法、LBL法等眾多先進科學(xué)制造方法與技術(shù)，打造一條“制備方法—設(shè)計原則—熱力學(xué)原理—動力學(xué)原理”+“科學(xué)前沿+工程實例”的深入淺出的“一體兩翼”課程體系鏈（圖1），深挖課程背后的科學(xué)內(nèi)涵和研究前沿，突出與時俱進，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中抓課程內(nèi)核與規(guī)律，提升學(xué)習(xí)的科學(xué)性與系統(tǒng)性；對標(biāo)“金課”的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的要求，在課堂內(nèi)容中刪除如“化學(xué)反應(yīng)方向的判斷”“系統(tǒng)內(nèi)能”“化學(xué)反應(yīng)速率”“催化劑的作用原理”“溶液法概念及操作”“高低溫區(qū)間及獲得方法”“水熱合成一般步驟”等低階性、基礎(chǔ)性的內(nèi)容，轉(zhuǎn)而將上述基礎(chǔ)內(nèi)容錄制成43節(jié)在線視頻，依托學(xué)堂在線平臺建設(shè)《無機合成原理及技術(shù)》MOOC課程，供學(xué)生有選擇地進行自主學(xué)習(xí)。線上課程的建設(shè)為高階性、創(chuàng)新性課程內(nèi)容提供了更加充分的時間和空間。

圖1 《材料制備化學(xué)》“一體兩翼”課程內(nèi)容體系內(nèi)核

為了更好地加強對學(xué)生能力的培養(yǎng)，在“制備方法—設(shè)計原則—熱力學(xué)原理—動力學(xué)原理”這條主線的基礎(chǔ)上，為其制定兩個拓展提升方向，稱之為“兩 翼”，即：科學(xué)前沿+工程實例。一方面，通過適時引入國內(nèi)外最新的科學(xué)研究前沿、研究成果與研究理念，幫助學(xué)生更好地了解科學(xué)發(fā)展動向，拓展視野與思路，提升課程內(nèi)容的創(chuàng)新性，通過將本校的科學(xué)研究成果與課程內(nèi)容結(jié)合，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)，同時立足研究內(nèi)容，設(shè)定一定的自主探究的科學(xué)任務(wù)，設(shè)置合理的最近發(fā)展區(qū)，提升課程內(nèi)容的高階性和挑戰(zhàn)度；另一方面，增加經(jīng)典的工程案例，契合“新工科”學(xué)生的實踐需要，通過學(xué)習(xí)經(jīng)典工程案例，學(xué)生鍛煉工程思維；設(shè)置第三課堂，即真實的遠程工程場景，工程師在線拋出實際工程問題，學(xué)生嘗試將理論知識用于解決真實的工程案例，提升課程的趣味性與挑戰(zhàn)度，同時打通工科學(xué)生從理論上到實踐的最后一公里。

在該研究中，首先抓住《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程改革載體——課程內(nèi)容作為切入點，重新劃分知識模塊，提煉邏輯內(nèi)涵清晰、含金量高的“一體兩翼”課程內(nèi)核鏈條；引入科學(xué)前沿，設(shè)置合理的最近發(fā)展區(qū)，增加理論到實踐的延伸，支撐學(xué)生自主探究，體驗沉浸式學(xué)習(xí)。

3.轉(zhuǎn)變課程模式，建立四維聯(lián)動混合式智慧課堂

根據(jù)課程內(nèi)容模塊的不同，分配不同的課程模式。對于較為基礎(chǔ)性，例如化學(xué)反應(yīng)方向的判斷、系統(tǒng)內(nèi)能等基礎(chǔ)概念、化學(xué)反應(yīng)速率、催化劑的作用原理等內(nèi)容整理成線上資源，主要利用第一維度的線上課程作為載體，供學(xué)生選擇性自學(xué)。除此之外，教師還將課程的主線框架錄制課程在線視頻，方便學(xué)生把握課程架構(gòu)，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)維度。

對于激光合成、等離子體合成、化學(xué)氣相沉積CVD法等包含較多反應(yīng)路徑和態(tài)勢的合成方法而言，科學(xué)理論和課程難度均較高，更多借助第二維度的線下智慧教室，在教師主導(dǎo)下，設(shè)置合適的問題梯度，建立適度的最近發(fā)展區(qū)，供學(xué)生完成教師指導(dǎo)下的分組探究式學(xué)習(xí)。例如，在激光化學(xué)氣相沉積這一方法模塊，從技術(shù)上條件出發(fā)，啟發(fā)學(xué)生分組完成任務(wù)，思考關(guān)于反應(yīng)過程、反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)物選取的原則：激光化學(xué)氣相沉積技術(shù)是激光與CVD的聯(lián)用，相比于單純的激光和CVD，該技術(shù)的優(yōu)勢在于？激光和CVD技術(shù)的過渡區(qū)域體現(xiàn)在什么方面？制備產(chǎn)物通常會具有什么特點？對于該特點的產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)設(shè)計怎樣的接收裝置？反應(yīng)物對激光具備怎樣的響應(yīng)特點？從給予的備選產(chǎn)物中選擇一例，試用激光CVD設(shè)計合成路線。在上述細(xì)化問題的探究學(xué)習(xí)下，學(xué)生能激發(fā)出更多的主動性。

對于科學(xué)前沿問題，主要依托第二維度的智慧教室完成，但形式略有不同，教師就某一技術(shù)熱點發(fā)出任務(wù)，同學(xué)們根據(jù)小組的研究興趣自行查閱科學(xué)研究資料，將符合該課題的科學(xué)研究前沿結(jié)果進行小組展示，展示過程除了要體現(xiàn)成果的先進性，還應(yīng)該與課程的結(jié)構(gòu)進行緊密聯(lián)系，將研究的原理落腳到課程內(nèi)容體系中，借此可以學(xué)生可以提升信息素養(yǎng)、鍛煉科學(xué)的思維方法，形成嚴(yán)密的科學(xué)邏輯。

根據(jù)課程內(nèi)容的改革，針對實際工程案例，將采用遠程工程現(xiàn)場作為第三維度的課堂。教師通過前期的交流與校企合作，與企業(yè)形成良好的共享關(guān)系，教師將工程中的實際問題進行凝練，鏈接到課程具體內(nèi)容中，適時提供第三維度的工程課堂，拋出工程問題。例如在激光合成精細(xì)陶瓷粉末中，如何解決激光束聚焦強與反應(yīng)產(chǎn)物均勻性的問題，學(xué)生從激光合成原理出發(fā)，分析在實際工程中的具體問題，提升其工程思維能力。

為學(xué)生解決實際問題中提供需要的設(shè)備與環(huán)境支持，課程配備第四維度的課堂，即依托“本科生導(dǎo)師制”及本科生實驗室，開展實驗實踐探索工作。學(xué)生將第三課堂中問題的可能解決方案匯報給指導(dǎo)教師，并進入實驗室進行具體的驗證與改進，最終將改進的結(jié)果匯報給課程教師及第三課堂工程師，突破科學(xué)研究到工程應(yīng)用的屏障。

綜上，通過建立“線上互動資源—線下智慧課堂—真實工程現(xiàn)場—實驗場所”四維聯(lián)動混合式智慧課堂，全方位支撐課程的理念更新和內(nèi)容改革，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)維度，滿足不同學(xué)習(xí)習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，將科學(xué)前沿和真實的工程問題引入課堂，激發(fā)學(xué)生解決實際問題的能力。

4.結(jié)論

本文針對《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的現(xiàn)狀和存在的問題進行了剖析，從教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式等方面提出了教學(xué)改革意見，進行了教學(xué)改革探索與實踐。首先提煉了一個以“制備方法—設(shè)計原則—熱力學(xué)原理—動力學(xué)原理”為主體、以“科學(xué)前沿”和“工程實際”為兩翼的、邏輯內(nèi)涵清晰、含金量高的“一體兩翼”課程內(nèi)核鏈條；設(shè)計建立“線上互動資源—線下智慧課堂—真實工程現(xiàn)場—實驗實踐”四維聯(lián)動混合智慧課堂，可以滿足學(xué)生拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)維度，滿足不同學(xué)習(xí)習(xí)慣，將真實的工程問題引入課堂，激發(fā)學(xué)生解決實際問題的能力，打通“新工科”學(xué)生理論到實踐的最后一公里。同時，必須清醒認(rèn)識，隨著材料制備技術(shù)的不斷提升與進步，《材料制備化學(xué)基礎(chǔ)》課程的內(nèi)容也需要不斷地更新和提升，課程教學(xué)改革需要與時俱進、持之以恒地進行。