淺談西南民族大學本科材料化學課程融入科研的教學與改革

雍 媛, 謝佳妮

(1 西南民族大學化學與環(huán)境學院, 四川 成都 610041;2 成都大學食品與生物工程學院, 四川 成都 610106)

如果說材料是人類文明發(fā)展的基石, 化學是新時代文明的發(fā)動機, 那么材料化學不容置疑是一門從化學的角度來探討新材料的制備和它們在生產(chǎn)、 使用過程中的化學性質(zhì)的科學[1]。材料科學與其技術(shù)的進步, 是推動人類社會發(fā)展的中流砥柱。縱觀材料發(fā)展史實際上就是人類文明的進步史, 從石器時代、青銅時代、 粘土時代、 鐵器時代到現(xiàn)在的硅材料時代, 材料化學主要涉及了物理學、 材料科學、 電化學、 無機化學等知識,它集基礎科學和工程科學于一體, 是材料科學中不可缺少的一個分支, 是化學的重要組成部分。 如何將本科材料化學課程融入科研教學, 最大限度地發(fā)展學生的材料科學, 培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維, 提高其工程實踐能力以適應社會可持續(xù)發(fā)展和國際化的需要, 這些問題值得民族高校的教師思考和解決。 該學科對于教師和學生都充滿著挑戰(zhàn), 為了將本科材料化學課程融入于科研的教學與改革探索, 提高教學效果, 提升學生能力,本文將從理論教學的融合、 實踐教學的應用這兩個方面來進行教學與改革探索[2]。

1 材料化學課程的教學現(xiàn)狀

21 世紀的今天, 材料類學科無疑是一門蓬勃發(fā)展的學科,宏觀審視國內(nèi)高校的課程開展, 我們不難發(fā)現(xiàn), 理工類乃至許多綜合類高校現(xiàn)都已開設了材料化學這門課程, 這門學科的完善涉及到了教學內(nèi)容、 教學手段與課程體系的改革。 作為民族高校的一名教師, 面對課堂上不同民族、 不同知識基礎的學生, 更加需要根據(jù)每個學生的知識基礎, 個人能力來培養(yǎng)學生的材料科學知識和實驗技能, 同時也要發(fā)揮國家科研課題引導作用, 強化學生參與科研競賽能力。 但在我個人的實踐性教學中, 材料化學課程目前存在著課時任務分配不合理, 材料化學教材陳舊, 理論未聯(lián)系實際, 學生的實驗操作太少, 學生對本課程認知不清晰等問題。 為實現(xiàn)教育和教學一體化共同進展,這些問題還有待我們深入研究。 對于這些問題, 我本人有一些入職后的小心得, 希望能夠?qū)ξ磥砑磳⒚媾R高校材料化學課程教學的新入職老師有所幫助。

2 本科材料化學理論教學課程與科研的融合

2.1 課程的設計做到深入淺出

理論教學主要是指在課堂上的教學, 對于化學學科而言,理論知識的重要性不言而喻, 理論就像是化學大廈的基石, 基石打好了, 知識才穩(wěn)固。 我們知道, 有效教學首先是深入學習教學內(nèi)容, 要充分理解, 適當擴大知識面, 其次是與科研教學有機結(jié)合, 課程的設計做到深入淺出[3]。 選擇教學內(nèi)容時, 課時必須準確, 要求必須合理, 難度要適當。 在每一學期始, 首先根據(jù)學生整體的基礎合理設計, 將本學期的教學內(nèi)容完善到每小節(jié)課時的教學內(nèi)容。 一學期只有17 周, 上課時間很短,所以課程的關(guān)鍵點應該簡短易懂。 教師可采用 “課前準備”、“新知學習”、 “課堂解疑”、 “小章總結(jié)” 的模式。 “課前準備”要求學生預習新知, 課堂前先自己學習一遍, 提出問題, 做好標記。 “新知學習” 需要注意的是老師在有限的課堂時間只講解重難點知識, 利用剩余時間完成 “課堂解疑”, 為學生做出問題解答。 最后, “小章總結(jié)” 是對本專業(yè)學生必須掌握的知識總結(jié), 同時完成課后練習, 鞏固本章知識。 該模式能保證學生能高效完成課前預習, 課內(nèi)答疑, 課后新內(nèi)容鞏固三個階段。

2.2 注重教學內(nèi)容的修改和創(chuàng)新拓展

有些教科書內(nèi)容陳舊, 不夠嚴謹, 因此我們需要認真研究教材的內(nèi)容, 篩選教材并及時更新教學內(nèi)容, 刪除一些過時和不合適的內(nèi)容。 “知者不如善者, 善知者不如樂者”, 即激發(fā)學生學習興趣在教學中起著非常之重要的作用。 學習興趣是學生試圖理解或接近學習對象的一種傾向, 一個對學習有濃厚興趣的學生會對課本知識和各種實驗現(xiàn)象感到好奇, 并在學習過程中始終充滿熱情。 教師可對教學內(nèi)容創(chuàng)新拓展, 如在課件中使用利用具有視覺吸引力的媒介, 以ppt 動畫、 flash 動畫、 視頻等多種形式, 將抽象問題具體化、 形象化, 以此提高學生的學習興趣。 例如材料的結(jié)構(gòu)一章教學中, 教師可采取實物球棒模型、 flash 動畫再現(xiàn)三維點陣和空間點陣的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)基元模型; 在晶體的缺陷一章教學中, 講述晶體的點缺陷、 位錯的運動, 可以先講解位錯是如何產(chǎn)生的、 位錯是如何滑移或攀移的, 對四種缺陷進行簡要介紹, 利用視頻動畫來展示晶體的動圖, 形象的描述位錯的形成過程; 在第三章金屬材料教學中,在課堂上可播放一些剪輯的具有科普性、 和趣味性強的小視頻, 比如《可怕的人類終結(jié)者——金屬材料》、 《柔性液態(tài)金屬材料的硬科技》、 《化學金屬材料與金屬礦物的開發(fā)利用》等。

2.3 拓展學生學科知識面

教師在課堂上可向?qū)W生講解該學科的歷史和發(fā)展, 在科研領(lǐng)域、 現(xiàn)實生活中的應用, 以激發(fā)學生的興趣, 培養(yǎng)學生的理解力和科學態(tài)度。 比如, 在講述納米材料中, 可以向?qū)W生介紹納米金屬材料的應用。 在21 世紀的今天, 我國已經(jīng)開發(fā)了納米半導體薄膜、 納米陶瓷、 納米陶瓷材料和納米生物醫(yī)學材料等[4]。 在醫(yī)學檢測領(lǐng)域, 與血液中6000 ~9000 nm 范圍內(nèi)的紅細胞相比, 納米顆粒的大小只有幾納米, 它能夠在血液中自由地移動。 當我們將具有治療作用的納米粒注射到病變部位, 即可針對病變位置準確檢查和治療。 比起檢查和治療傳統(tǒng)的手段, 納米材料更加精準快捷; 在新冠肺炎疫情期間, 采用了高科技的納米表面處理技術(shù)的納米材料口罩可通過抗菌防曬的納米膜層大大降低感染機率。 它的抗菌效率大于99%, 防曬系數(shù)高達UPF400 以上。 對比日常使用的無紡布口罩, 粘附在外層上的新冠病毒可存活超過7 天, 且酒精噴灑后過濾失效, 因此不可重復使用。 納米材料口罩的持久抗菌外層可解決這一問題, 噴灑酒精不會影響它的過濾、 抗菌及防曬功能, 做到真正意義上的超持久防護。 教師向?qū)W生講解這些豐富的實驗課程和大量的學科前沿概述, 可拓展學生學科知識面, 使學生理解到材料和我們的生活息息相關(guān), 它是一門十分貼近生活, 又十分有應用前景的學科。

3 本科材料化學實踐教學課程與科研的結(jié)合

2015 年, 教育部在《關(guān)于進一步加強高校本科教學工作的若干意見》中指出[5], 高校本科教學工作要更加注重能力培養(yǎng),努力提高學習能力, 大學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。 傳統(tǒng)教學最大的問題是填鴨式教學, 即教師只講解教材的理論知識, 而忽視了學生的實踐教學。 化學是一門以實驗為基礎的科學, 實驗是它的靈魂。 著名教育家陶行知先生說過: “要創(chuàng)造, 非你在用腦的時候, 同時用手去實驗, 手腦全用, 是創(chuàng)造教育的目的。” 這告訴了我們實驗的真正意義。 實驗教學不僅能激發(fā)學生的學習興趣, 還能幫助學生形成化學概念, 掌握化學知識和實驗技能, 培養(yǎng)學生的觀察和實驗能力[6]。 為此, 教師可根據(jù)教學內(nèi)容的實際需要增設實驗課程, 培養(yǎng)學生科研能力, 需要掌握以下幾點: (1)多開展科研設備使用知識課堂。 目前學校的實驗室有透射電子顯微鏡(TEM)、 掃描電子顯微鏡(SEM)、X 射線光電子能譜(XPS)、 X 射線衍射儀(XRD)等大型專業(yè)設備, 它們在材料的表征中占據(jù)不可或缺的地位。 學生在材料化學專業(yè)課程的系統(tǒng)學習后掌握了扎實且全面的理論知識, 教師便可引導學生進一步學習先進材料設計的一般思路、 材料的化學合成方法以及材料的表征技術(shù), 促進理論教學和專業(yè)訓練齊頭并進。 例如, 學生采用一鍋法制備出聚吡啶納米藥物后, 教師可以引導學生使用相關(guān)儀器來表征聚吡啶納米藥物的微觀結(jié)構(gòu), 進而研究材料的性能, 探討納米納米的理化性質(zhì)與抗菌效果之間的構(gòu)效關(guān)系, 促進學生重構(gòu)課程的知識結(jié)構(gòu), 進一步理解教材知識并將其用于實踐之中。 教師應注重理論知識與實際問題的結(jié)合, 培養(yǎng)學生的技能創(chuàng)新意識, 培養(yǎng)適應社會需要的高層次創(chuàng)新應用型人才[7]。 (2)鼓勵學生參與科研競賽。 科研競賽不僅能培養(yǎng)學生的科研能力, 復習理論知識, 還能增強學生的團隊意識和集體觀念。 參加科研競賽可以讓學生跳出課本理論知識的禁錮, 將學到的知識應用于實踐之中。 教師可幫助有意向的學生制定學期學習計劃, 通過學生交流, 課堂交流、課后答疑等方式, 利用QQ、 微信等通訊工具來指導學生進行創(chuàng)新活動, 參與創(chuàng)新競賽。 在雙方自愿的原則下, 引導學生積極參與如 “大學生創(chuàng)新計劃”、 “三井杯” 和化工競賽、 化學知識競賽等科研活動, 鼓勵低年級學生進入實驗室跟學長學姐們學習科研技能, 并安排高年級的優(yōu)秀同學一對一分配指導。 對于那些不積極參與科研的同學, 教師可跟他們通過見面、 線上等方式溝通, 深入了解他們的興趣愛好, 找到問題所在, 做學生的良師益友, 更好的引導他們成長。 (3)開設科研體驗周。通過安排實驗室參觀、 課題組宣講、 實驗室操作、 實驗室成果展示分享等活動讓學生盡早了解各研究領(lǐng)域的研究狀況, 為有意向的學生提前進實驗室并選擇自己感興趣的研究方向 “鋪路” “搭橋”。 在科研學習中講求的是視野開闊、 融會貫通, 讓學生意識到深入科研不能僅僅懷抱著熱情的心, 更應該有堅實的基礎作為支撐。

4 結(jié) 語

高校需要向社會源源輸送高水平創(chuàng)新型、 應用型人才, 作為民族高校教師我們理應和學校、 學院聯(lián)合起來, 為學生構(gòu)建學術(shù)爭鳴、 交流探索的優(yōu)異平臺, 同時鼓勵和指導學生在追求學問的道路上邁出第一步。 我們也要不斷提升自己, 摸索和改進最適合學生的教學模式, 將專業(yè)基礎知識學習與模塊強化,將理論教學與專業(yè)培訓結(jié)合, 根扎三尺講臺, 枝發(fā)科研精神,為學生獲得更好的發(fā)展, 為培養(yǎng)滿足社會需求的學術(shù)棟梁而努力。