科教融合背景下材料化學專業材料表征課程教學改革探索

＊杜錕 柏元娟 陳志彥

（中南林業科技大學材料科學與工程學院 湖南 410004）

前言

二十大報告指出，在邁向第二個百年奮斗目標的歷史新征程上，我們要堅持教育優先發展、科技自立自強和人才引領驅動，因為科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力。深入實施科教興國戰略、人才強國戰略和創新驅動發展戰略，教育、科技、人才三個基礎性、戰略性要素必須進行深度整合與強化，形成各要素之間三位一體融合發展的新格局[1-3]。高校歷來是人才培養的主陣地，同時也是科研創新與應用實踐的重要部門，充分發揮二者自身的職能特色并形成三全育人合力，是民族復興之路上廣大教育工作者的重要使命。

材料化學是一門理工結合的新興交叉學科專業，注重在原子、分子水平對新材料的設計、制備、組成、結構和性能之間的影響關系進行探索和研究，其涉及的專業問題小到人民的衣食住行，大到國家的戰略需求，是支撐國民經濟高速發展的重要專業之一[4]。材料結構表征課程是我校材料化學本科專業的一門專業核心課程，其教學內容包括理論和實驗兩部分，專業知識點抽象且涵蓋面廣，理論性和實用性均非常強。本門課程的主要內容包括光譜分析、電子顯微分析、熱分析、X-射線衍射、核磁共振波譜等常見的材料分析測試方法，課堂教學涉及各類分析方法的基本原理、應用領域、儀器結構及操作過程。材料的組成、結構和性能三要素之間密不可分，任何新材料的開發和應用必然涉及對其結構和性能的表征和分析[5]。通過對本門課程的學習，能夠強化材料化學專業本科學生對于專業知識的深度理解和綜合運用，進一步培養和提高學生的創新精神與創新能力。

1.課程教學的現狀及問題

材料結構表征技術是高等院校中材料類專業高年級學生的一門重要專業課程，也是現代材料工作者必須要掌握的一類重要專業性技術工具。材料設計、制備合成與功能應用的各個環節都蘊含著對材料微觀組成、化學結構與宏觀性能之間的深入理解和綜合分析，因此本門課程的教學內容牽涉面廣且實用性強，在近幾年的實際教學過程中面臨著不少問題，具體表現在以下幾個方面。

(1)教學內容龐雜抽象，相互獨立性強

材料結構表征的相關實驗技術手段，隨著經濟社會的飛速發展，其自身也在不斷地完善和更新，體現出鮮明的時代發展特征。現代材料分析技術基于實驗探索的方式，完成對各類材料組成結構、物相特征、微觀形貌和應用性能的全方位觀察和分析，其理論教學內容涉及材料學、化學及物理等諸多學科的不同專業知識，需要學生具備一定的通識課基礎和專業課背景。在具體教學過程中，各類表征分析技術的基本原理各具特點又相對獨立，理論概念紛繁復雜且通常比較抽象，要求學生具備較扎實的結構化學基礎知識。導致專業學生的學習難度較大且學習效果欠佳，各章節的理論知識點掌握不牢固，無法實現不同分析技術之間的有機聯系，在實踐運用過程中更是難以做到融會貫通和學以致用。

(2)教學方式傳統單一，缺乏聯系互動

目前，材料結構表征課程的理論部分仍是以傳統的講授教學為主，利用PPT展示作為輔助手段。雖然圖片、視頻等教學資源能夠一定程度上提升同學們的學習興趣，但是仍然沒有脫離灌輸式的教學模式。現代材料分析技術發展的多樣性和復雜性，不僅需要學生具備更多的學科知識儲備，也對專業教師持續補充和完善自身業務素養提出了更高的要求。單一的教學方式難以調動學生的學習主動性，同時由于理論課程內容抽象、教學學時緊張以及教學內容分散繁雜等特點，使學生在課堂學習過程中深感枯燥和壓力，只能被動接受和不求甚解的對待教材中的各個知識點。

(3)教學儀器設備緊缺，難以滿足需求

材料結構表征課程既強調理論知識的積累，也要求實驗動手能力的鍛煉，二者緊密聯系、相輔相成。我校材料化學本科專業在本門課程中分別設置了48學時的理論課和16學時的實驗課，而實驗課程需要使用的儀器設備大多為現代化的高精尖型大型儀器測試設備，如掃描電子顯微鏡和核磁共振波譜儀等。此類設備由于價格昂貴且維護成本較高，通常是優先滿足科學研究的使用需求，部分特殊儀器尚處于等待購置的空白階段。這一客觀現實是我國教學型高校所面臨的一個普遍性問題，因此，針對大型材料測試儀器的實驗實踐課程，很難滿足本科學生進行獨立操作的實際需求，使得學生對不同儀器設備工作原理和操作方式的理解只能停留在較淺的觀察認識層面，無法在理論和實踐層面進行轉化融合。

2.科教協同理念下課程教學改革探索

教學和科研是高校的兩大核心職能，而高校又是未來實施科教興國戰略，完成教育、科技、人才三位一體協同發展，持續推進為黨育才、為國育才功能，穩步推動中華民族偉大復興大計的關鍵戰場。高校教育教學工作者應充分重視科研成果向教學育人的轉化和賦能，高水平的教學工作與科研成果應是互相促進、相得益彰的。在新時代科教融合、協同育人的教育理念下，將教育、科研與創新進行一體化組織布局，是有效推動我國未來高等教育發展的必由之路。

(1)教學內容的與時俱進

科教融合是大學發展的理念，大學是科教融合發展的核心載體[2]。當前，科學技術與經濟社會的不斷深化結合，對高校創新型人才培養提出了新的要求。作為知識傳承的主要載體，專業性教材雖然具有系統性、學科性和通識性特點，但同時也缺乏專業知識與技能的學術性和前沿性，不同程度地滯后于現代科學技術的發展水平。因此，專任教師一方面需要及時跟蹤課程教學內容的前沿發展情況，不斷更新和提升自身業務能力和業務水平；另一方面，也要針對授課教材的知識網絡進行推陳出新和查漏補缺，不斷修改和完善專業課程的教學內容。

立足于農林院校的歷史背景和專業特色，課程教學團隊選取學生較為熟悉的纖維素及其衍生物作為貫穿課程教學的核心科研元素，對此類生物質材料的制備過程、表征手段與功能應用進行分類和總結，并形成具有科研導向的課堂教學素材。基于纖維素材料的最新科學研究成果，有機串聯不同的材料表征技術，以此增強教師教學的針對性和清晰度，進而提升學生學習的獲得感和滿意感。以超疏水纖維素氣凝膠材料的教學素材為例，利用強酸水解微晶纖維素得到納米纖維素原料，隨后通過溶膠-凝膠法制備得到硅氧烷改性的超疏水纖維素復合氣凝膠。纖維素材料改性前后的化學結構變化，可以通過傅里葉變換紅外光譜進行分析，同時X-射線衍射分析能夠對比纖維素原料與纖維素復合氣凝膠的結晶情況；而復合氣凝膠材料的微觀形貌可以通過掃描電子顯微鏡進行觀察，不同樣品之間的結構穩定性與元素組成還可以通過熱重分析和X-射線光電子能譜進行分析和對比。通過對此類科研素材的學習，不僅能使學生更加透徹的理解不同表征測試技術的實驗原理和應用范圍，還有效培養了專業學生對材料表征技術進行綜合運用的實踐能力。

(2)教學方法的多元統一

在材料結構表征課程的課堂教學和實驗教學過程中，教師要注重學生好奇心和創造力的培養。在授課前安排相關教學內容與生活實際中科技發展密切聯系的小調研，積極引導學生獨立自主地學習專業知識，帶著問題和疑惑進入課堂，將有利于調動學生的情感和興趣；在課中多采用啟發式、問題式、討論式和案例分析型等多元化的教學方法，通過現代化網絡教學資源和研究熱點報道諸多教學載體，共同幫助學生完成專業知識從感性認知到理性認知的升華，從實踐的角度剖析和掌握不同類型的材料結構表征技術；在課后留下專業提升性或者知識拓展性作業，并提供必要的討論答疑時間，為學生自主思考和解決課程實際問題開辟新的成長空間。

以核磁共振波譜的理論教學為例，教師通過課前調研的方式布置相關作業，以日常生活中大家熟知的核磁共振成像為切入點，引導學生主動收集和整理資料。在授課過程中，以小組匯報的形式安排學生對核磁共振現象的原理和應用情況進行集中討論和分析，并由教師對醫療領域的核磁共振成像技術與材料測試分析中的核磁共振波譜技術進行對比和介紹，由此展開對核磁共振波譜章節學習內容的理論教學。實踐表明，從以“教”為主轉變到以“學”為主，能夠有效提高學生對專業知識的學習熱情，在團隊合作、自由討論和延伸思考的過程中，學生的主觀能動性和知識獲得感得到了充分的提升。結合教師的科研項目，以功能高分子的設計、合成、表征與應用為主線，充分介紹了核磁共振氫譜、碳譜相關的實驗原理、譜圖解析與實踐應用內容，促進了學生對于核磁共振波譜分析技術的理解和掌握。

(3)科教創新的循環轉化

材料結構表征課程的授課教師通常活躍在科研一線，對于各種材料分析測試技術擁有較為深入的理解和運用。課程教師自身承擔的各類科研項目就是一種重要的教育教學資源，同時根據學科研究領域的動態發展，結合不同學生的興趣愛好與能力層次，可以進一步申請各級各類的創新創業、學科競賽、“互聯網+”與挑戰杯等研究項目，將理論和實踐教學的場地從教室內延伸至教室外，積極開辟材料表征課程的“第二課堂”。本校材料化學專業歷來重視學生科研創新能力的培養，鼓勵和支持本科學生根據自身興趣愛好加入不同指導教師的科研團隊，從事文獻調研、課題分析、方案設計、實驗操作和數據分析等各方面的科研技能訓練。根據材料結構表征課程教學內容的特點，教師選取功能材料相關的前沿研究方向，指導部分學有余力的本科學生進行研究課題的探討和擬定，并以項目申報書的形式整理課題研究過程，為參與申報各類大學生研究項目做好充分準備。

以“金屬有機框架基傳感器的構筑及酚類污染物檢測”項目為例，教師安排授課班級中的相關學生組成研究小組，進行前期文獻收集和整理。針對研究項目中金屬有機框架材料的結構特點，設計不同的材料表征測試方案，涵蓋教學內容中主要的波譜分析、顯微分析、熱分析以及X-射線衍射分析等，使學生參與到材料制備、表征和應用的全過程，貫穿課程教學理論與實踐的通道。在項目的實際執行過程中，可以利用課堂教學的時間，由學生自主匯報和講解，給予學生展示和發揮的空間，引導學生根據項目研究案例進行表征技術的分析、討論和總結。基于教師與學生的充分交流和討論，即可形成完整的項目申請書并申報適當的比賽項目。通過“以賽促教”“以賽促學”和“以賽促研”的模式進行精準育才，在推動課程教學質量不斷提升的同時，增強學生的創新意識和專業認同感。高校科教融合的根本目的在于立德樹人，培養創新型人才。故以科研反哺教學，以教學培養人才，通過人才實現創新，基于創新提升科研，如此形成一種相互促進，互為因果的良性發展，對于構建教育、科技、人才三要素三位一體貫通發展的循環育人體系具有重要作用。

3.結語

打破科研與教學的邊界和壁壘，實現科研成果和教學資源的雙向促進，推進教育、科技與人才三要素之間的協同育人，將是未來廣大教育工作者的時代要求和歷史使命。在今后的高校科研育人工作中，需要持續健全教學評價機制，積極優化整合教學內容，不斷創新教學方式手段，通過理論聯系實際和科研聯動教學，切實提高課程教師教學質量與專業學生學習效果。