交叉學科課程《材料化學》的教學改革與實踐

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(武漢科技大學理學院，湖北 武漢 430065)

隨著材料和化學領域的飛速發展，材料和化學學科之間的相互交叉、相互滲透越來越深入，逐漸形成了一門新興交叉學科——材料化學。材料化學的興起使得材料的研究可以從分子水平跨越到宏觀尺度，有利于材料科學向更深層次、更高水平發展，產生了一系列性能優異的先進材料及新的學科前沿應用領域，如鋰離子電池、超級電容器、光催化、電催化、燃料電池、氣敏傳感器、太陽能電池等領域，材料化學的知識在指導新材料的研究和開發方面具有重要的作用，甚至可以幫助解決許多國計民生中的重大社會、環境及能源問題，因此，在材料相關專業開設交叉學科課程《材料化學》課程具有重要意義。

1 材料物理本科專業開設《材料化學》課程的目的

武漢科技大學《材料化學》課程是理學院材料物理本科專業開設的一門專業選修課，其設置的目的在于拓寬材料物理專業學生的知識面，打破學生只重視材料和物理相關課程的壁壘，讓學生體會到材料科學的飛速發展離不開物理、化學、材料及其它相關學科的交叉與融合，學會用化學的方法研究材料的組成、結構、性能、制備和應用領域，理解化學環境、化學制備方法對材料結構、性能及應用的影響，認識其構效關系，了解材料發展的新興科學前沿及動態，為學生畢業后從事新材料的研發奠定基礎[1-2]。本課程是材料物理專業培養方案中為學生設置的除了物理化學外第二門與化學相關的課程，課程設置在學生本科階段的第六學期，此時，學生已經學習了材料科學基礎、材料研究方法、晶體學、材料物理性能、材料合成與制備、凝聚態物理前沿等課程，具備了材料物理領域的一些基礎知識和基本技能，了解了凝聚態物理領域的一些發展前沿，對材料發展也有了一些基本認識。該課程的設置猶如為材料物理專業課程提供了一支營養劑，幫助學生更好的了解自己的專業出路，了解材料發展過程學科交叉的必要性和重要性，使學生能更好地對前期的課程進行融合和應用。

2 《材料化學》課程教學過程存在的問題及面臨的挑戰

由于專業的特殊性，《材料化學》課程的教學目前還存在許多問題與挑戰。

首先，學生化學方面的知識儲備非常有限。通過詳細閱覽近幾年本專業學生的培養方案和專業基礎課程的教學大綱，了解到學生學習的前期專業基礎課程大多是材料和物理方面的相關基礎課程，培養方案中化學基礎的課程僅有一門物理化學，無機化學、分析化學、高分子化學等課程沒有涉及，化學基礎知識儲備相當薄弱，而材料化學課程必然涉及無機化學、分析化學和高分子化學的部分基礎知識，因此，如何在學生有限的化學知識基礎上上好這門課是一大挑戰。

其次，《材料化學》課程涉及的內容多。材料化學主要研究材料的結構、性能、制備、應用及相互關系，內容涉及較為廣泛，包括材料化學的基本概念、材料的結構、性能及其相互關系、材料化學熱力學、材料的制備、新型實用材料(包括新型的金屬材料、無機非金屬材料及高分子材料)和納米材料[3-4]。這些內容的每一個都可以作為一個專題進行討論。

再次，至今為止，沒有特別適合本專業學生基礎的權威《材料化學》教材。考慮到本專業學生學科特點和所具備的基礎知識，我們選擇的是曾兆華，楊建文編著《材料化學》為教材[3]，其中緒論、材料的的結構、性能、制備和材料化學熱力學這五章的內容主要參考該教材，而新型實用材料大部分內容以趙志鳳,畢建聰,宿輝編著的《材料化學》[4]和宿輝編著的《材料化學》為參考教材。

然后，課程安排的學時少。作為材料物理專業的選修課，本課程是選修課中課時最多的課程，為40學時，但對于要講授的內容來說，課時依然太少，只能在有限的課時內講授一些基礎知識，無法進行深入擴展，特別是對于一些實用新型金屬材料、無機非金屬材料及高分子材料部分，只能選擇性講授。

最后，傳統的填鴨式、灌輸式的僅限于書本的教學不能充分調動學生學習的積極性，極大地限制了學生的思維，嚴重阻礙了學生對所學知識的融通和自主學習潛力的發揮，造成學生創新能力不足，難以達到交叉學科課程教學的預期效果和要求。因此，探討并嘗試新的教學手段和方法，針對交叉學科課程的特點進行教學改革，是交叉學科教學的必經之路。

3 《材料化學》課程教學方法改革

針對以上的問題與挑戰，我們嘗試了以下教學方法上的改革：

(1)針對學生化學基礎薄弱的問題，授課教師需要提前了解學生的基礎。對課堂中涉及學生不熟悉或難理解的基本概念、基本理論提前一次課進行羅列，引導學生提前預習、查閱資料或相關書籍，并將結果及時反饋給老師，老師針對學生難理解的基礎知識點進行講授以便學生理解課堂內容。

(2)針對交叉學科課程內容多、學時少的問題，優化教學內容，以多媒體教學為主要授課手段，利用多媒體圖片、視頻、鏈接等技術手段，提高學生的學習興趣。對前5章的內容根據學生已有的基礎選擇性講授，如材料的結構部分由于學生前期開設了《晶體學》課程，所以本章有關晶體學的相關內容不予講解，對材料制備一章側重講解材料的化學制備方法，并對課本內容做適當補充，如補充教材中沒有但又簡單易行、成本相對低廉的一些方法，靜電紡絲法、微波合成法等。對于材料制備涉及的一些設備和過程，以圖片或視頻的方式進行展示，以便讓學生能直觀地了解和掌握制備方法。

(3)針對交叉學科無權威教科書的問題，結合學生的基礎知識，由老師根據學時制定兩套教學大綱在第一節課時發放給學生進行投票選擇。根據投票的結果確定最終的上課內容，學生也可根據自己的需要對部分不感興趣的內容與老師進行交流。這種學生參與優化上課內容的方式能夠讓學生提前了解教學內容，避免不同課程內容的部分重復，合理建構適合本專業學生學習的知識結構和知識體系，極大地提高了學生學習的積極性和主動性。

(4)針對交叉學科教學對師生知識面的廣度和深度的要求，選擇授課教師時需要選擇具有交叉學科專業背景的老師，并能將教學與科研相融合。只有具備廣闊知識面的老師，才能勝任單一專業背景老師由于知識面的限制無法很好勝任的交叉學科的教學要求。如材料化學課程，首先，需要老師不僅具有化學相關專業的教育或科研背景，而且需要具備材料學領域的教育或科研背景；其次，任課老師能將自己的科研與教學相結合，使得教學的理論能夠助力科研，科研的結果能驗證或反應課堂理論，通過對自己科研成果的介紹，吸引學生參與到自己的科研項目中，使課堂理論進行實踐應用，如水熱法合成納米材料，并對材料進行表征和性能測試，以擴展其應用。最后，老師應該及時追蹤學科研究前沿，并能夠將最新的科研方法和科研成果融入并擴展至課堂，讓學生了解一些最新的、最熱門的研究領域，以補充課本知識的不足。

(5)針對傳統的填鴨式、灌輸式的僅限于書本的教學模式存在的問題，積極嘗試并實踐專題式教學。專題式教學是授課教師根據教學內容，針對學科前沿中某一專題從背景、研究現狀、存在問題、解決方法和發展方向等幾個方面具體講授，可以立足于教材，也可以高于教材，或獨立于其它章節。如在新型實用材料一章中涉及儲氫材料的內容，授課時不局限于課本只講授合金儲氫材料，而以儲氫材料專題形式進行教學，從儲氫材料的研究背景，到已有儲氫材料分類、各自的儲氫原理及優缺點、近來的研究進展及未來的發展趨勢等幾個方面通過歸納總結最新的文獻資料進行專題講座，讓學生對該領域有一個總體的認識，這種方法不僅擴展了學生的視野，而且可以讓學生體會到學有所用，調動學生的學習興趣。

(6)嘗試并實踐將匯報點評式教學引入課堂。匯報點評式教學是針對某一章節的具體內容，由老師提供題目，學生選擇，通過查閱、總結文獻，制作PPT,在課堂上向師生匯報，然后老師、學生可對匯報的內容進行提問和點評。具體地，在《材料化學》課程中，我們的匯報點評式教學安排在最后一章“納米材料”中，匯報前老師在前期的教學中做好鋪墊，如需要完成不同類型材料的合成、結構、性能及應用的講解，前期教學過程引導并示范如何準備自己的匯報內容，以調動學生的學習興趣。為此，在納米材料一章講解前，授課老師根據學生的人數擬定一定數量的題目，內容涉及新能源材料、光催化材料、電催化材料、儲氫材料等近年來新材料研究的熱點領域，兩人一題，提前2周發給學生，學生根據自己的興趣選擇題目，自由結伴，再根據題目涉及的關鍵詞查閱近幾年的相關中英文資料，并進行總結，最后，根據老師設定的框架要求制作PPT并進行匯報，老師和學生均可對匯報過程存在的問題和優缺點進行提問并點評。

4 《材料化學》課程改革的教學效果

從兩學期本門課教學改革的效果來看，學生學習的積極性非常高，能夠很好地與老師配合，提前做好預習，積極主動進行匯報，特別是匯報點評式教學模式的實施，鍛煉了學生的以下能力：(1)合作能力，兩人共同完成一題，涉及內容的分配、資料的查閱、閱讀、整理歸納、PPT的制作、講解等過程，只有合力協作，才能在1～2周的時間完成好該作業；(2)分析問題、解決問題能力的鍛煉，每個題目需要對至少10篇文獻進行歸納總結，通過分析老師題目中提出的問題，查閱文獻并進行總結歸納，最終達到解決問題的目的，匯報過程大部分學生能正確回答老師、同學的提問，說明學生對文獻進行了認真閱讀，這對學生的分析問題及解決問題的能力是一個很好的鍛煉；(3)口語表達能力的鍛煉，由于課時的限制，每個學生一般限定10min左右的時間進行匯報，如何能在較短的時間內對內容進行清晰的表達，這對學生是個極大的考驗，欣慰的是，這一環節基本沒有問題；(4)對知識的融合能力的鍛煉，這一匯報不僅是讓學生理解材料化學的內容，而且匯報的過程也同時考察學生對《材料合成與制備》、《材料研究方法》、《材料物理性能》等課程的掌握理解程度，需要學生具有較強的綜合應用知識的能力；(5)對學生創新能力的鍛煉，有的學生通過對文獻的閱讀和自己的知識儲備，提出了一些自己的想法以改進文獻，促進了教與研的結合。另外，匯報點評式教學在有限的學時內擴大了學生的知識面，兩個學生查10篇文獻，材料物理兩個班60名學生則可以查閱300篇文獻，而且涉及不同的熱點應用領域，故該法能在短期內極大擴展學生的知識面，讓學生知道學有所用。最后，學生的匯報過程對任課老師的教學和科研也能給予不同程度的啟發，達到師生共贏。如某些學生的匯報，會從身邊的現象或存在的常見問題入手，提出解決方法及匯報近年國內外的研究進展，這些對老師的教學和科研都有不同程度的啟發，達到“教學相長”的目的。

5 結語

交叉學科課程《材料化學》是材料相關專業一門重要的專業基礎課程，通過該課程的講授，可以實現應用型復合人才培養的目標。本文通過對材料物理專業《材料化學》課程教學中存在的問題進行總結和分析，提出了一些解決辦法，并進行了一些新教學方法的探索與實踐，提高了學生學習的積極性和主動性，鍛煉了學生的綜合能力，擴展了學生的專業視野，取得了良好的教學效果。在今后的教學中，還將繼續向兄弟院校學習，努力探索新的教學方法和教學模式并進行實踐，如材料化學實驗與材料化學課程相結合、改進考核方式等，進一步提高教學質量。另外，對于成功的教學新方法，也將進一步推廣到其它交叉學科課程的教學中，如復合材料、新能源材料等。