基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的近代測(cè)試與表征技術(shù)教學(xué)改革

林浩偉,邢士博,江 傲,苗 蔚,李金玲,程文喜,彭 進(jìn)

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

創(chuàng)新能力是提升國(guó)家綜合實(shí)力的重要戰(zhàn)略支撐,而高等教育是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要陣地。新材料作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo),對(duì)加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力起著關(guān)鍵作用。近年來,材料科學(xué)的發(fā)展日新月異,其中對(duì)材料體系從宏觀到微觀不同層次的結(jié)構(gòu)及性能表征起到了關(guān)鍵作用,而相關(guān)的測(cè)試表征技術(shù)是聯(lián)系材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和性質(zhì)特征之間的重要橋梁。

近代測(cè)試與表征技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)高等院校的高分子材料與工程專業(yè)廣泛開設(shè),作為一門重要的專業(yè)必修課,在講授多種近代測(cè)試技術(shù)的基本原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上,著重鍛煉學(xué)生依據(jù)測(cè)試方法的功能和局限性,準(zhǔn)確選擇合適的表征方法,合理分析高分子材料領(lǐng)域的工程案例問題的能力[1]。

1 課程存在的問題

目前,近代測(cè)試與表征技術(shù)課程教學(xué)普遍存在以下問題：①教學(xué)內(nèi)容陳舊,跟不上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展形勢(shì)。而材料學(xué)科發(fā)展非常迅速,相關(guān)學(xué)科間交叉融合特明顯,除了教材涵蓋內(nèi)容外,需要將前沿的學(xué)科知識(shí)補(bǔ)充進(jìn)課堂教學(xué),才能有效培養(yǎng)具有國(guó)際視野的專業(yè)人才;②教師授課方式單一,學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性有待提高。長(zhǎng)期以來,課堂教學(xué)主要是以教師為主體講授測(cè)試表征技術(shù)的工作原理,課程的應(yīng)用性與實(shí)踐性體現(xiàn)不足。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,與課程相關(guān)的視頻動(dòng)畫等電子資源層出不窮,而教師需要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,將新鮮生動(dòng)的教學(xué)素材融入到課堂教學(xué),增加課堂趣味性和互動(dòng)性,有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;③教學(xué)內(nèi)容重理論輕實(shí)踐,與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念聯(lián)系不夠緊密。在多年的實(shí)際教學(xué)過程中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)所占課時(shí)少,實(shí)驗(yàn)室設(shè)備陳舊,導(dǎo)致學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了測(cè)試表征技術(shù)的理論知識(shí),但缺少充分的理論聯(lián)系實(shí)際的鍛煉,造成學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力嚴(yán)重不足,不利于學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力的有效提升[2]。因此,開展基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的近代測(cè)試與表征技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐,對(duì)近代測(cè)試與表征技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、考核方式等進(jìn)行深層次改革,旨在使學(xué)生不但能更深入地理解基礎(chǔ)知識(shí),更能根據(jù)測(cè)試表征目的,靈活運(yùn)用相關(guān)測(cè)試技術(shù)知識(shí),多學(xué)科交叉融合,準(zhǔn)確分析、解決復(fù)雜工程問題,在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)出符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求,具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

2 教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1 對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適時(shí)更新以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向

目前國(guó)內(nèi)高校針對(duì)近代測(cè)試與表征技術(shù)課程選用的主流教材主要圍繞典型測(cè)試表征技術(shù)的測(cè)試原理及其應(yīng)用展開論述。表征手段主要包括紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜、差熱分析法、差示掃描量熱法、熱重分析法、凝膠滲透色譜法、掃描電鏡、透射電鏡等。而這些教材多數(shù)已出版10年之久,其中的案例分析基本圍繞傳統(tǒng)材料的測(cè)試表征展開闡述,跟不上材料學(xué)科知識(shí)日新月異的更新步伐,不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新思維能力。因此,該課程需在現(xiàn)有教材知識(shí)框架的基礎(chǔ)上,以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行適度的創(chuàng)新改革。引導(dǎo)學(xué)生在深刻理解測(cè)試原理及操作技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過自主查閱文獻(xiàn)、歸納總結(jié)、小組討論等方式將現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行延展深化;然后通過師生共同分析探討材料學(xué)科的發(fā)展態(tài)勢(shì),將與課程相關(guān)的最新研究成果融入教學(xué)過程,幫助學(xué)生講理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新研究、工程應(yīng)用融會(huì)貫通,從而為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維與能力培養(yǎng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。例如,在介紹傳統(tǒng)高分子材料的結(jié)構(gòu)特征及測(cè)試表征技術(shù)的發(fā)展歷程基礎(chǔ)上,引入一些近年來備受關(guān)注的研究熱點(diǎn),如石墨烯、鈣鈦礦、鈉離子電池、碳納米管等熱點(diǎn)材料的分子結(jié)構(gòu)、制備改性技術(shù)及其在柔性顯示屏、海水淡化、新能源電池、光電探測(cè)器、氣體傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。在完成教材內(nèi)容講解后,介紹一些具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)熱點(diǎn)材料的研究進(jìn)展,如新型碳的同素異形體石墨炔的制備及應(yīng)用,石墨烯的宏量制備及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等。

2.2 對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行合理改善

傳統(tǒng)教學(xué)模式中近乎灌輸式的教學(xué)方式往往使學(xué)生感到枯燥壓抑、睡意漸濃,抑制了學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

①探索以“學(xué)”為中心的課堂教學(xué)新模式,將學(xué)生作為課堂的主體,徹底改變傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)。

②將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分級(jí)。為提高課堂時(shí)間的利用效果,將測(cè)試表征技術(shù)的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)及重要應(yīng)用布置為課前預(yù)習(xí)任務(wù),從而釋放出大量的課堂教學(xué)時(shí)間,以方便教師圍繞重難點(diǎn)進(jìn)行充分講解,同時(shí)使學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)情況帶著疑難問題進(jìn)入課堂有側(cè)重地學(xué)習(xí),從而有效提升課堂學(xué)習(xí)效果。

③豐富教學(xué)手段。將常規(guī)的教學(xué)手段與在線課程、慕課、雨課堂等信息化教育教學(xué)手段相結(jié)合,進(jìn)行線上線下混合式課程建設(shè)及教學(xué)改革,有助于充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性,提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。利用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái),建設(shè)了近代測(cè)試與表征技術(shù)在線課程,把每個(gè)小節(jié)涉及的重要知識(shí)點(diǎn)錄制成10 min左右的視頻,方便學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí);對(duì)每章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)立題庫,利于學(xué)生及時(shí)通過練習(xí)加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和消化;另外,通過在線課堂設(shè)置一些前沿材料結(jié)構(gòu)表征討論活動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)研相關(guān)材料的研究進(jìn)展,在課堂上分組以PPT形式進(jìn)行講解,引發(fā)學(xué)生如何利用所學(xué)測(cè)試表征技術(shù)解決問題的思考,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.3 對(duì)考核方式進(jìn)行深層次改革

考核是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié),根據(jù)課程實(shí)際調(diào)整了課程考核評(píng)定方式：期末成績(jī)占比降為50%,平時(shí)成績(jī)占比30%,實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比20%。①平時(shí)成績(jī)包括學(xué)生課堂表現(xiàn)情況、學(xué)習(xí)通平臺(tái)的視頻學(xué)習(xí)及章節(jié)測(cè)試、線上線下作業(yè)等內(nèi)容。②在期末考試題目設(shè)置中,取消沿用多年的名詞解釋題型,增大綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用題型占比,同時(shí)強(qiáng)調(diào)題目要結(jié)合具體的材料結(jié)構(gòu)表征案例設(shè)置,需要具有適當(dāng)?shù)慕徊嫘院蛷?fù)合性,從而引導(dǎo)學(xué)生圍繞知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行散發(fā)式、深層次及多角度的創(chuàng)新性思考和有益探索。另外把1/4的學(xué)時(shí)設(shè)置為課內(nèi)實(shí)驗(yàn),一方面利用學(xué)院實(shí)驗(yàn)室分組開展紅外光譜、熱分析(DSC和TG)、掃描電鏡的線下實(shí)驗(yàn);另一方面利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展凝膠滲透色譜、透射電鏡和核磁共振譜等線上實(shí)驗(yàn),使學(xué)生通過線上線下相結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié),強(qiáng)化對(duì)測(cè)試表征原理的理解,提升對(duì)其在高分子材料結(jié)構(gòu)表征中應(yīng)用的認(rèn)知。通過一系列的考核改革,促使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)探索知識(shí)轉(zhuǎn)變,在扎實(shí)掌握測(cè)試原理、操作技術(shù)及重要應(yīng)用的基礎(chǔ)上,能根據(jù)測(cè)試目的對(duì)多方面的知識(shí)進(jìn)行分析、比較及融合,有效提升學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新能力。

2.4 銜接大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽

結(jié)合國(guó)家和學(xué)校的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”和“全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的申請(qǐng)和實(shí)施,近代測(cè)試與表征技術(shù)課程與這些計(jì)劃項(xiàng)目和競(jìng)賽可以很好地銜接,學(xué)生利用該課程學(xué)習(xí)的材料結(jié)構(gòu)表征方法的原理和應(yīng)用,在新結(jié)構(gòu)、高性能材料的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中起到了關(guān)鍵作用,可有力地促進(jìn)這些創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的申請(qǐng)和順利實(shí)施。

3 結(jié)語

近5年,我校高分子材料與工程專業(yè)的學(xué)生陸續(xù)榮獲“全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)競(jìng)賽”國(guó)家二等獎(jiǎng)及河南省特等獎(jiǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”河南省一等獎(jiǎng),獲批多項(xiàng)河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。同時(shí)這些高質(zhì)量的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目也成為近代測(cè)試與表征技術(shù)課堂教學(xué)的典型案例,有效地形成了“學(xué)習(xí)—探討—應(yīng)用”的良性循環(huán)。

針對(duì)近代測(cè)試與表征技術(shù)課程長(zhǎng)期存在的教學(xué)內(nèi)容陳舊、授課方式單一以及重理論輕實(shí)踐等突出問題,本文以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向,首先與時(shí)俱進(jìn),緊密聯(lián)系材料科學(xué)的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容,有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索創(chuàng)新思維;同時(shí)結(jié)合新時(shí)期學(xué)情特征,充分利用多媒體技術(shù)革新教學(xué)方法,切實(shí)提升課堂學(xué)習(xí)效果;另外,以“重視過程,全面考核”的課程成績(jī)?cè)u(píng)定方式引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)探索知識(shí)轉(zhuǎn)變,以能力考核提升學(xué)習(xí)主動(dòng)性;此外通過銜接大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽,促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)更好地應(yīng)用于新材料新技術(shù)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)生動(dòng)教—主動(dòng)學(xué)—靈活用的良性循環(huán)。