基于創新實踐能力培養的材料專業基礎實驗教學改革探討

劉敬肖+史非+姜淑文+王志強+劉貴山+劉素花

摘要：為了無機材料專業創新能力和應用型人才培養的教學改革能夠有效推行，本文分析探討了基于創新實踐能力培養的無機材料專業基礎實驗教學改革思路及其實施辦法，強調了科研實例和虛擬仿真以及立體化實驗教材在創新實踐能力培養中的重要作用，對于推動材料專業基礎實驗教學改革以及培養具有創新、實踐能力的應用型人才具有較好的指導作用。

關鍵詞：創新實踐能力；材料專業；基礎實驗；教學改革；立體化實驗教材

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0278-03

當前，黨中央、國務院高度重視創新創業人才培養，在國家“大眾創業、萬眾創新”的號召下，基于創新實踐能力培養的材料專業基礎實驗教學改革具有重要意義。遼寧省《關于推動本科高校向應用型轉變的實施意見》中明確了本科高校向應用型轉變的指導思想，要求高校培養應用型人才，增強學生就業創業能力。材料是工業的基礎，也是各個領域科學技術進步的基石。材料類專業學生不但要掌握材料的制備、結構、性能和應用效能之間相互關系理論及其相關技能，而且，還要具備創新性思維、實踐動手能力和研究能力。而無機材料科學基礎及專業基礎實驗是培養學生創新實踐能力的重要課程，也是學生日后從事新材料研究與開發的重要專業基礎理論和實踐課程。因此，為使無機材料專業創新能力和應用型人才培養的教學改革有效推行，本文結合大連工業大學無機材料專業基礎理論課程和實驗教學的目的和特點，分析探討了基于創新實踐能力培養的無機材料專業基礎實驗教學改革思路及其實施辦法。

一、專業基礎實驗教學改革的重要意義

在無機非金屬工程材料專業的教學過程中，“無機材料科學基礎”理論課程及其相對應的“無機材料基礎實驗”在培養大學生創新思維和實踐動手能力中發揮著重要作用。無機材料科學基礎是無機非金屬工程材料專業中一門理論性強、概念抽象、知識面廣的專業基礎課程。近年來，無機材料科學基礎已經建立了課程教材、實驗指導書、視頻課堂、知識題庫、多媒體教案等一系列教學方法和多媒體教學形式，并且在教學實踐中取得了較好的效果，課程也成為遼寧省專業精品課程。2014年大連工業大學無機非金屬材料工程專業在遼寧省專業評價中綜合排名位居省內同類專業第2名，2015年獲評遼寧省無機材料實驗教學示范中心，這是本專業不斷探索專業基礎實驗教學改革的成果體現，也是大連工業大學多年來重視大學生創新思維和實踐能力培養目標的成果體現。

然而，隨著科學技術和知識層次要求的進一步提高，尤其是新材料品種的日益發展，傳統的平面知識和簡單的模擬逐漸不能適應培養創新和應用型人才的要求。基于此，為了更好地發揮精品課程的作用，教研組積極探索新的無機材料專業基礎實驗教學思路和教學模式，力圖結合專業發展、學科方向調整、就業形勢需要和創新創業訓練等不同要求，進一步提升專業基礎實驗教學效果，使學生真正掌握專業基礎理論知識的精髓，提高其動手實踐能力和分析問題、解決問題能力，并使其在技術實踐過程中具有創新性思想。因此，對無機材料專業基礎實驗進行有效的教學改革，對于培養具有創新思想和實踐能力的應用型人才具有重要意義。

二、專業基礎實驗教學改革的具體舉措

無機材料專業基礎實驗教學改革的基本思路是，緊密圍繞教育部提出的創新創業教育和遼寧省提出的應用型人才培養的戰略部署，根據無機材料專業基礎理論知識體系的構成和特點進行相應的實驗教學改革。具體舉措如下。

1.用科研實例提升實驗教學效果。無機材料科學基礎課程內容涉及了無機材料的制備、組成、結構、性質和應用效能的基本理論問題，主要包含4個模塊：（1）無機材料微觀結構理論知識模塊：主要內容為材料結構基本知識，例如晶體結構基礎、晶體結構缺陷和固溶體等；（2）無機材料表面與界面知識模塊：主要內容為固體表面與界面以及漿體的膠體化學原理等；（3）無機材料熱力學模塊：主要內容為熔體和相平衡、相圖等；（4）無機材料高溫動力學模塊：主要內容為擴散、相變、固相反應和燒結等基礎理論[1-5]。

為了讓學生真正理解和掌握專業基礎理論知識，在實驗教學中，教師要注重將科研和生產實例融入到基礎理論的講解中，特別是教師自身的科研實例往往會引起學生的極大興趣和學習動力。例如，在講授晶體結構缺陷內容時，一方面通過比喻、類比法等介紹晶體通過熱振動產生的本征缺陷以及通過雜質原子摻雜、取代產生的非本征缺陷；另一方面，通過介紹具體的科研實例來形象地說明由于雜質引入而產生缺陷的機理及其對材料的影響，如教師正在進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+，使材料微觀結構中產生缺陷和載流子，從而獲得室溫能夠導電的低電阻鈦酸鋇陶瓷；而Mn2+的摻入又會因晶界的改變而使其達到良好的熱敏電阻效應。教師對某種新材料在研究中遇到的問題及其涉及到的相關理論知識的介紹，常常會使學生產生一種豁然開朗的感覺：噢，原來專業基礎理論知識在材料研究中起到如此重要的作用。這樣可使學生深刻地體會到，只有學好專業基礎理論知識才能產生創新思想，提高分析問題和解決問題的能力，進而研究和發明一種性能更好的新材料。在一個個科研實例的穿插講解中，學生不但很輕松地深刻理解了相關的專業基礎理論知識，而且還提高了學好無機材料專業基礎理論知識的興趣和動力。

2.通過虛擬仿真促進實驗教學。在無機材料專業基礎理論教學中，晶體結構和缺陷部分是學生感到最抽象、最難學的內容。為了讓學生充分體會材料晶體結構對材料性能的重要影響，課堂上教師可通過模型、動畫舉例、類比法加深學生對基礎理論知識的理解；同時，在實驗教學中，還可通過增加對晶體結構的虛擬仿真實驗，讓學生在電腦上自行組裝晶體結構，使其充分理解晶體密堆積原理、立方結構、六方結構和四方結構的不同以及其他有關晶體結構的理論知識。

無機材料晶體結構虛擬仿真實驗不僅可以展現不可視的晶體結構或原子排列原理，而且對于培養學生自主學習、自我訓練及創新意識具有重要作用。目前，虛擬仿真實驗已成為實驗室建設的一個重要發展方向[6]。

3.通過創新性和研究性實驗加強創新實踐能力培養。在無機材料專業基礎實驗教學中，應始終把創新思維和實踐動手能力的培養目標放在首位。構建多層次、模塊化的實驗課程體系，特別是加強綜合設計性實驗和研究性實驗的建設[7]。高級應用型人才的培養目標，要求學生必須具有系統的專業基礎理論知識和很強的創新能力和實踐動手能力[8，9]。近幾年，教研組教師在響應國家培養大學生創新精神和實踐動手能力的號召下，相繼開設了一系列的專業基礎綜合設計實驗教學內容，例如涉及到相變以及成核和析晶理論知識的“陶瓷結晶釉的綜合設計實驗”和涉及到缺陷和擴散知識的“摻雜鈦酸鋇功能陶瓷的綜合設計實驗”等，在培養學生實踐動手能力方面取得了顯著成效。為了進一步培養和提高學生的實踐動手能力，培養應用型人才，教師還要在實驗教學中增加更多有利于培養學生創新精神和實踐動手能力的科研創新性實驗，提高其分析問題和解決問題的能力。

綜合設計性實驗和研究性實驗對于促進學生創新精神和實踐能力的培養起著重要作用。在材料結構與性質關系的實驗教學中，除了通過虛擬實驗仿真使學生理解、掌握和鞏固相關理論知識基礎外，還要讓學生親自動手組裝一些最新功能材料的晶體結構，使學生在學到基礎理論知識的同時，還能掌握材料領域最新的技術發展動態及其相關理論。例如，鈣鈦礦結構、鎢青銅結構和尖晶石結構是目前新型功能材料研究中經常涉及的晶體結構，它們在光催化材料、電子功能陶瓷和其他新材料領域中發揮著重要角色。其中，具有較高實際應用意義的鎢青銅結構材料，在制備過程中，微觀結構的空穴中會由于進入不同直徑的金屬離子，導致材料的晶體結構、晶面指數等參數發生較大的變化，直接影響到材料的光學、電學等宏觀性質，而這些微觀變化僅僅通過平面文字描述及簡單的多媒體模擬很難做出全面系統的描述。這一點，在教學實踐中我們深有體會，學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構就更有效果了，用“身臨其境”表示這種情況可能更恰當些。因此，鼓勵學生嘗試用基本單元“原子”為骨架自己搭建出材料的微觀結構，能夠促使學生更快明白這種材料的結構與性能的相互關系理論。

在加強學生創新精神培養方面，還要力爭每個實驗內容都涉及到一種新材料的制備及應用，使所涉及的材料制備過程及性能測試能夠充分利用到無機材料專業基礎理論知識。也就是說，在新材料的制備過程中，要讓學生充分體會課堂學到的基礎理論知識在實驗和新材料制備中的體現，增強學生的學習興趣和動力。在此基礎上，進一步讓學生自己設計新的實驗過程，培養其創新精神和實踐能力。

4.努力建設立體化實驗教材。立體化實驗教材體系的建設是實驗教學改革中注重培養學生創新精神和實踐能力、培養應用型人才的有力保證[10]。針對無機材料專業基礎實驗立體化教材建設，教研組將從完善實驗內容、電子課件和網絡課程三個方面入手：（1）在實驗內容方面，進一步完善實驗內容，增加基礎理論知識與實驗內容及新材料應用之間相互關系方面的介紹，讓學生對所要進行的實驗有一個全面的基礎理論知識框架及其在實際科研、生產中的應用背景的認識，以此促進學生對理論知識的掌握和提高實驗的興趣和動力。（2）在電子課件方面，通過制作動畫、拍攝視頻等，制作生動形象的電子課件，使學生對所要用到的實驗儀器和操作步驟有一個完整的了解和掌握。（3）進行實驗網絡課程建設，使學生通過實驗網絡課程，可完成實驗原理預習、操作步驟預習、實驗重點與難點、思考問題、在線討論、輔導答疑和文獻資源下載等幾方面內容。通過實驗網絡課程的開設，學生對實驗的自學、預習、復習和總結突破了傳統的時空限制而變得輕松靈活，為真正的動手實踐奠定了堅實的基礎。

三、結語

隨著經濟技術的快速發展，材料在電子、信息、生物、環境等科學技術發展中的作用日益顯著。許多新產品的開發和新技術的進步，都依賴于材料的改進和新材料的研發。材料專業基礎實驗教學在培養大學生的創新思想和實踐能力方面發揮著重要作用。實驗教學不再單單是為了增強和鞏固專業基礎理論知識，而且，更為重要的作用是通過實驗環節培養學生的創新性思維和實踐動手能力，培養學生分析問題和解決問題的能力。將實驗教學與教師的科研項目和成果相結合，會大大提高學生對基礎理論知識掌握和科學研究的興趣和動力；而實驗仿真和立體化實驗教材有助于進一步提高專業基礎實驗教學效果，使學生都能成為具有創新精神和實踐能力的應用型人才，從而滿足社會對相關領域的人才需求。

參考文獻：

[1]王艷榮.無機材料科學基礎教學實踐與改革探討[J].高教論壇，2007，（2）：128-129.

[2]李敏.《無機材料科學基礎》課程建設與教學模式探討[J].中國科教創新導刊，2011，（23）：39-41.

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

[4]馬晶，張永明，曹大力.無機材料科學基礎課程教學實踐與學習方法探討[J].科教文匯，2012，（1）：56，69.

[5]楊為中，周大利，尹光福，姚亞東，茍立.無機材料物理化學課程教學實踐與教學改革[J].教學研究，2010，33（5）：38-40.

[6]李亮亮，趙玉珍，李正操，林元華，潘偉，聞星火.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014，31（2）：5-8.

[7]王志偉，張田梅.構建多層次、模塊化、開放式的實驗教學體系[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.高校大學生創新能力培養的審視與思考[J].中國電力教育，2013，（25）：42-44.

[9]朱蓓薇，李冬梅，董秀萍，張彧.大學生創新精神和實踐能力培養的探索與實踐[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驗教材建設[J].中國現代教育裝備，2011，123（11）：124-126.