融合科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)的無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究與實(shí)踐

劉敬肖 史非 張晶晶 姜淑文 劉貴山 楊海霞 閆爽

摘? 要：對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革是培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的重要途徑。該文以無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程為例，基于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際工程問題能力的目標(biāo)導(dǎo)向，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)的必要性，并對(duì)無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)融合教師科研成果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例進(jìn)行介紹，探討融合科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)的線上線下結(jié)合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)具有綜合能力的創(chuàng)新應(yīng)用型人才的重要作用。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；科研創(chuàng)新；線上線下結(jié)合式教學(xué)；教師科研成果

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）03-0146-04

Abstract： Reforming experimental teaching is an important way to cultivate innovative and application-oriented talents. Based on the goal of cultivating students' innovative consciousness and ability to solve practical engineering problems， this paper takes the course of Fundamental Experiment of Inorganic Materials as an example to analyze the necessity of integrating experimental teaching with scientific research innovation and design. This study introduces the experimental teaching cases of integrating teachers' scientific research achievements in Fundamental Experiment of Inorganic Materials， and discusses the important role of online and offline experimental teaching integrating scientific research innovation and design in cultivating innovative applied talents with comprehensive ability.

Keywords： experimental teaching; Fundamental Experiments of Inorganic Materials; scientific research innovation; online and offline blended teaching; scientific research achievements of teachers

黨的二十大報(bào)告指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。高等教育作為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的重要戰(zhàn)略支撐，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才，是時(shí)代賦予高校的重要使命。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使社會(huì)對(duì)高校人才質(zhì)量的要求不斷提高。《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》提出：“要具有明確的、符合學(xué)校定位和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的培養(yǎng)目標(biāo)”，其中特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題的能力”。無機(jī)非金屬材料工程等材料類專業(yè)對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)具有更高的要求，材料類專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)提出：“專業(yè)課實(shí)驗(yàn)開出率應(yīng)達(dá)到90%以上，其中綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程占總實(shí)驗(yàn)課程比例大于60%”。由此可見，以創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力為培養(yǎng)目標(biāo)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中占據(jù)重要地位。

一? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)的必要性

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)容易受到教材的束縛，部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，與學(xué)科發(fā)展前沿案例結(jié)合較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏創(chuàng)新性。對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革研究是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平及教學(xué)效果的根本途徑。無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是大連工業(yè)大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)重新凝練了無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的課程目標(biāo)，新的課程目標(biāo)為：①能夠?qū)ο鄳?yīng)材料的制備和性能測(cè)試進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和配比計(jì)算；②能夠正確采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)對(duì)復(fù)雜工程問題的綜合研究能力；③能夠熟練操作儀器設(shè)備，熟悉常用分析測(cè)試儀器、信息檢索工具和模擬軟件的使用原理和方法；④培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，以及分析問題和解決實(shí)際工程問題的能力。

當(dāng)前，以學(xué)生為本的教學(xué)理念，要求既要注重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，更要加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、 科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。隨著社會(huì)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力要求的不斷提高，無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)應(yīng)更加全面和深入，對(duì)同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)提高其工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維等綜合能力的要求更高，挑戰(zhàn)性也更大；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需緊密結(jié)合當(dāng)前學(xué)科和行業(yè)發(fā)展最新進(jìn)展，教師需將科研創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐案例，以及課程思政充分融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。此外，有關(guān)材料制備特別是玻璃和陶瓷等無機(jī)材料制備的實(shí)驗(yàn)大多需要高溫電爐等才能得以完成，且多數(shù)材料制備所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，針對(duì)上述問題，為了精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才，無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中亟待增加“科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)”元素，教學(xué)方法急需采用“線上線下相結(jié)合”的教學(xué)模式。在以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際工程問題能力為導(dǎo)向的課程目標(biāo)下，融合“科研創(chuàng)新與設(shè)計(jì)”的無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)線上線下結(jié)合式教學(xué)研究與實(shí)踐對(duì)于提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高質(zhì)量的人才具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二? 無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科研創(chuàng)新案例介紹

教學(xué)與科研是高校的重要職能，也是教師必須認(rèn)真履行的重要職責(zé)。如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)的良性互動(dòng)發(fā)展，是高校教師需要深入思考的問題。《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中提出“推動(dòng)科研反哺教學(xué)”，鼓勵(lì)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。近年來，隨著高校對(duì)教學(xué)與科研工作的重視力度不斷加大，教學(xué)與科研相互融合受到重視，融合科研成果的研究性綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究范例已有較多報(bào)道[2-6]。將科研成果融入本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能幫助學(xué)生較早地接觸科研項(xiàng)目、了解學(xué)科前沿發(fā)展，也能更好地促進(jìn)本科生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)[7]。科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能，是全面提高人才培養(yǎng)能力與培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措[8]。

在工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下，結(jié)合當(dāng)前無機(jī)非金屬材料發(fā)展前沿，課組教師重新構(gòu)建了無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容體系，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容充分融合教師的科研成果和學(xué)科發(fā)展前沿，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但要促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐動(dòng)手能力和分析問題、解決問題能力，而且，更要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、科研創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，以及為祖國強(qiáng)盛和新材料發(fā)展做出貢獻(xiàn)的愛國情懷。

圖1列出了當(dāng)前無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)與科研案例的融合情況。以“材料擴(kuò)散綜合性實(shí)驗(yàn)”為例，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：選用玻璃片試樣，通過高溫熔鹽離子交換實(shí)驗(yàn)，分析高溫過程玻璃和熔鹽中某些離子的擴(kuò)散現(xiàn)象和特點(diǎn)，觀察和測(cè)定樣品擴(kuò)散前后的抗折強(qiáng)度等性能，分析影響擴(kuò)散的因素。為了讓學(xué)生充分了解和理解離子擴(kuò)散在手機(jī)玻璃制備和研發(fā)中的重要作用，教師在無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程中上傳了有關(guān)“手機(jī)玻璃化學(xué)鋼化處理”的科研案例文獻(xiàn)，使學(xué)生在線上預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)能夠深刻理解離子擴(kuò)散在手機(jī)蓋板玻璃制造過程中的重要應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)和從事科學(xué)研究的興趣和動(dòng)力。

離子擴(kuò)散和離子交換是玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化處理的基本原理，具體過程為：在一定溫度條件下，將含有小半徑堿金屬離子的玻璃沉浸在含有大半徑堿金屬離子的熔鹽中并保溫一定時(shí)間，在化學(xué)位和濃度梯度推動(dòng)下，玻璃中的小半徑堿金屬離子將與熔鹽中的大半徑堿金屬離子發(fā)生互擴(kuò)散和交換過程。例如，將玻璃基板放入硝酸鉀等熔鹽中進(jìn)行保溫，可使玻璃中的鋰離子（Li+）或鈉離子（Na+）與熔鹽中的鉀離子（K+）進(jìn)行交換，由于K+的半徑大于Li+和Na+，因此，可以利用Li+、Na+和K+體積上的差異在玻璃表層形成嵌擠壓應(yīng)力，從而使玻璃的強(qiáng)度得以提高。自2007年蘋果公司第1代智能手機(jī)問世以來，其采用超薄玻璃，用一步離子交換法進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)后作為手機(jī)面板或蓋板的研究已有較多報(bào)道。通過一步離子（擴(kuò)散）交換法對(duì)手機(jī)玻璃進(jìn)行強(qiáng)化處理，已在生產(chǎn)中應(yīng)用；研究表明，采用兩步離子交換法可以優(yōu)化玻璃表面應(yīng)力分布，從而能夠更有效地提高玻璃的抗沖擊強(qiáng)度[9]。

在執(zhí)行材料擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前，通過網(wǎng)絡(luò)課程讓學(xué)生查閱有關(guān)離子交換增強(qiáng)手機(jī)玻璃蓋板和面板的相關(guān)文獻(xiàn)，使學(xué)生充分了解和理解通過離子擴(kuò)散/離子交換法提高手機(jī)玻璃機(jī)械強(qiáng)度的理論原理，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)材料擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的興趣，并使其對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作有一種期待感。線下實(shí)驗(yàn)過程中，教師通過介紹相關(guān)科研項(xiàng)目“離子擴(kuò)散增強(qiáng)牙齒修復(fù)用二硅酸鋰微晶玻璃”的研究成果，促使學(xué)生進(jìn)一步理解離子擴(kuò)散理論在新材料研究開發(fā)中的重要性，即除了K+替換Na+（或Li+）可以使玻璃的強(qiáng)度得以提高外，Rb+（或Cs+）替換玻璃中的K+同樣會(huì)在較大程度上提高玻璃的抗折強(qiáng)度。圖2為通過Rb+和Cs+交換牙齒修復(fù)用二硅酸鋰微晶玻璃中K+的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10]，可以看出，當(dāng)離子交換時(shí)間為4 h時(shí)，用Rb+/Cs+交換K+可使微晶玻璃的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

三? 以學(xué)生為中心的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程輔助教學(xué)

疫情期間，線上線下混合式教學(xué)受到教育部和各高校教師的極大重視。以學(xué)生為中心的線上線下混合式教學(xué)更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與度，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力、總結(jié)表達(dá)能力和分析問題能力。在目標(biāo)導(dǎo)向和一流課程建設(shè)引領(lǐng)下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)和線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，實(shí)踐表明，采用“線上設(shè)計(jì)”“線下實(shí)訓(xùn)”和“線上總結(jié)”相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才具有重要意義。

以“陶瓷結(jié)晶釉成核-晶體長(zhǎng)大相變綜合性實(shí)驗(yàn)”為例，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求完成：配料、球磨、成型燒結(jié)制備陶瓷坯體；設(shè)計(jì)選定實(shí)驗(yàn)所需釉料配方，進(jìn)行配制、涂覆、干燥、燒結(jié)，觀察結(jié)晶釉的形貌，結(jié)合晶體成核與長(zhǎng)大的相變過程，分析結(jié)晶釉在燒結(jié)過程中所發(fā)生的析晶過程及其機(jī)理。如圖3所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為三大環(huán)節(jié)：①線上相關(guān)文獻(xiàn)查閱與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；②線下實(shí)驗(yàn)操作與完成；③線上實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)與討論。

實(shí)踐結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程資源，有助于發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)、分析能力。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課程中完成分組，每組學(xué)生3～4人。第一個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)前的線上預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，課組教師首先在網(wǎng)絡(luò)課程中發(fā)布最新版本的實(shí)驗(yàn)講義和2～3篇相關(guān)的科研案例文獻(xiàn)，并布置實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)作業(yè)。學(xué)生在閱讀老師發(fā)布的科研案例文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，自主查閱最新的與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的科研案例文獻(xiàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以小組為單位撰寫實(shí)驗(yàn)方案。第二個(gè)環(huán)節(jié)是線下實(shí)驗(yàn)實(shí)施環(huán)節(jié)，首先，教師要求每組學(xué)生簡(jiǎn)要匯報(bào)本組的實(shí)驗(yàn)方案，并與老師探討，以對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行微調(diào)和修正；實(shí)驗(yàn)過程中，教師會(huì)隨時(shí)指導(dǎo)并引導(dǎo)學(xué)生注意思考實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟和影響因素，引導(dǎo)每組同學(xué)各成員協(xié)商完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟。結(jié)果表明，在線上預(yù)習(xí)與自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，每位同學(xué)都能夠積極投入實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)和步驟都能認(rèn)真思考，從而避免了實(shí)驗(yàn)的盲目性和因不熟悉實(shí)驗(yàn)造成失誤的現(xiàn)象發(fā)生。第三個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的線上總結(jié)討論環(huán)節(jié)，要求每組同學(xué)將實(shí)驗(yàn)原始記錄進(jìn)行整理，分析探討影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素，并以PPT的形式將實(shí)驗(yàn)總結(jié)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)課程的分組任務(wù)中。

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中增設(shè)了線上預(yù)習(xí)、線上實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和線上實(shí)驗(yàn)總結(jié)環(huán)節(jié)，由于要求每位同學(xué)都需通過網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行自主預(yù)習(xí)、查閱相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性和參與度大大提高，并且線上預(yù)習(xí)和線上總結(jié)環(huán)節(jié)有效解決了實(shí)驗(yàn)課程時(shí)長(zhǎng)不足的問題，同學(xué)們的用心實(shí)驗(yàn)換來了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4、圖5為同學(xué)們實(shí)驗(yàn)過程中制備的部分結(jié)晶釉產(chǎn)品的代表性照片，以及陶瓷結(jié)晶釉實(shí)驗(yàn)線上分組任務(wù)完成情況截圖。

除了與結(jié)晶釉的配方有關(guān)外，陶瓷結(jié)晶釉的晶花大小和形貌與晶核形成、晶體長(zhǎng)大過程密切相關(guān)，如圖6所示。同學(xué)們結(jié)合圖6中的基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，并將實(shí)驗(yàn)總結(jié)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)課程中的分組任務(wù)中，同小組中的每位同學(xué)都可以進(jìn)行編輯和發(fā)布總結(jié)。與此同時(shí)，每組同學(xué)會(huì)抽出一個(gè)最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)課程的討論話題中，各組同學(xué)可以根據(jù)自己所在小組和兄弟小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開討論。線上實(shí)驗(yàn)總結(jié)、討論環(huán)節(jié)既培養(yǎng)了學(xué)生的總結(jié)表達(dá)能力，又增強(qiáng)了其團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，特別是，激發(fā)了同學(xué)們對(duì)無機(jī)材料專業(yè)和科研工作的的熱愛之情，以及為新材料發(fā)展和祖國強(qiáng)盛做出貢獻(xiàn)的決心和意志。

四? 結(jié)束語

創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)已成為我國人才培養(yǎng)計(jì)劃的一個(gè)主要目標(biāo)。如何培養(yǎng)學(xué)生成為具有“創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決復(fù)雜工程問題”等綜合能力的高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型人才，是高校教師教學(xué)改革中必須思考的問題。在新工科建設(shè)背景下，結(jié)合材料學(xué)科發(fā)展前沿，融合教師科研成果的無機(jī)材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究顯得愈發(fā)重要，而利用實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)路資源進(jìn)行線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐能力和分析、解決問題能力具有重要意義。

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