《材料合成與制備》課程教學設計與探索-

《材料合成與制備》課程教學設計與探索*馬藝函，譚軼璇（中南民族大學化學與材料科學學院，湖北武漢430074）材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，被視為社會文明進化的重要標志，是當代文明的三大支柱之一，人類社會的進步和發(fā)展離不開各種新材料的不斷涌現(xiàn)。材料的合成與制備技術則是對微觀原子和分子的合理操縱，使之互相結合并最終轉(zhuǎn)變成為具體功能用品的一系列連續(xù)過程，是研發(fā)新材料和新器件的核心，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的關鍵?！恫牧虾铣膳c制備》作為材料化學專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，是合成與制備-組成與結構-性能-使用效能“四面體”知識體系中的基礎環(huán)節(jié)，對學生后續(xù)知識的銜接、綜合能力和思維方式的培養(yǎng)至關重要［1］。在教學過程中，需緊密聯(lián)系材料科學發(fā)展的熱點和趨勢，深度融合現(xiàn)代信息技術，拓展課程的專業(yè)性和實踐性，淘汰水課，打造金課［2］,適應本校材料化學專業(yè)國家級一流學科建設的發(fā)展需求。整個教學過程，需要堅持知識、能力、素質(zhì)三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展，理論和實踐相結合、動手能力與創(chuàng)新能力并重，激發(fā)學生的求知欲，提升學生的自主學習能力，培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識?；诖?，筆者從課堂教學模式、課后實踐環(huán)節(jié)和課程考核等方面提出了以下幾點思考和探索。1轉(zhuǎn)變教學理念，構建課堂教學新模式《材料合成與制備》課程圍繞現(xiàn)代材料制備的基礎理論和相關方法技術展開，涵蓋金屬、無機非金屬、高分子材料等傳統(tǒng)工程材料，以及單晶、非晶、薄膜和納米材料等新型材料，涉及到多學科的交叉滲透，兼具專業(yè)性、應用性和前沿性［3］。但這些內(nèi)容繁多且分散，章節(jié)之間欠缺明顯的聯(lián)系和規(guī)律性，授課時不能面面俱到，同時部分合成機理和工藝方法僅憑抽象的文字描述不能給予學生充分的感性認識，學習和理解的動力不足，達不到良好的教學效果。因此，教師在教學中要針對重點內(nèi)容，從材料合成的科學性和理論性入手，以典型的應用案例和科研成果為引導，利用圖片、動畫和視頻等多媒體手段詳細介紹材料合成過程中的反應原理、制備方法、生產(chǎn)儀器、影響要素和應用前景等，并啟發(fā)學生參與討論和思考，大膽發(fā)揮想象力，深刻理解材料結構、制備工藝和性能之間的關聯(lián)性，最終形成完整系統(tǒng)的知識脈絡。例如，在介紹薄膜材料的制備時，以時下火熱的手機折疊OLED屏為引例，引導學生聯(lián)想之前學過的哪些合成方法適用于制備薄膜材料，如真空蒸鍍、化學氣相沉積和溶膠-凝膠法等，三種方法的側重點有哪些差異，并充分調(diào)動學生的積極性，鼓勵學生思考大尺寸OLED屏的制備工藝和相應的技術難點，從而認識到所學知識與實際生活息息相關，更好的理解和掌握所學習的內(nèi)容，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。同時，由于當今社會高新技術的發(fā)展日新月異，許多具有優(yōu)異性能和特殊功能的材料及其制備方法也在推陳出新，這里面既包括傳統(tǒng)材料,也包括新型材料，二者互相推動甚至還可以相互轉(zhuǎn)化。因此，照本宣科式的按照單一課本教學是無法滿足材料合成與制備這門實踐性很強的課程。在教學內(nèi)容中，介紹某種材料時可穿插本校老師的相關研究進展和最新成果，這有利于學生更好地了解本專業(yè)的前沿知識、新材料和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢［4］。例如，在講述傳統(tǒng)高分子材料環(huán)氧樹脂的合成方法時，我們介紹了本院張道洪教授在超支化環(huán)氧樹脂取得的一系列研究成果。利用硫醇-烯燒點擊反應制備的超支化環(huán)氧樹脂，由于獨特的樹枝狀結構、分子間纏結點少和大量的官能團，相較于傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂，其具有分子量高、黏度低、反應活性高和增強增韌的優(yōu)點。基于此，張教授通過建立校企技術研發(fā)中心，設計并開發(fā)了適用于風力發(fā)電機組的絕緣超支化環(huán)氧樹脂，具備優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性、潛伏性固化促進劑、耐高溫、無溶劑等性能，并成功替代進口相關產(chǎn)品，占據(jù)國內(nèi)30%以上的市場。此外，他們最近在超支化環(huán)氧樹脂結構中引入可降解的六氫均三嗪分子，實現(xiàn)了高性能環(huán)氧樹脂的循環(huán)回收利用，為設計和合成可降解熱固性聚合物及循環(huán)利用提供了新思路和途徑。這些新知識的補充和新信息的沖擊不僅激發(fā)了學生的極大興趣，而且激勵他們認真學習專業(yè)課程，極大地提升了后續(xù)參與行業(yè)未來研究工作或考研深造的積極性。此外，充分利用學習通等在線學習平臺，豐富教學內(nèi)容，優(yōu)化課堂管理，掌握學生的學習動態(tài)，引導學生自主學習。任課老師自身每天就會追蹤《科學》、《自然》、《德國應用化學》、《美國化學會志》和《先進材料》等國際頂尖雜志在當前材料領域的科研成果，以及查閱中國知網(wǎng)、新材料在線和X0M-L等科技知識平臺的資訊，將獲取的相關信息整合重構后統(tǒng)一推送給學生，學生可以利用碎片化的時間閱讀學習,發(fā)散思維，并與老師反饋溝通。同時在線上平臺發(fā)布課程學習任務,學生完成相應的章節(jié)學習后方能進行作業(yè)和習題的解答。教師提前對學習平臺提供的數(shù)據(jù)進行功能定位并匯總學生的問題與訴求，在下一次的線下教學中集中解答。這一方面可以促進學生課后自主學習，提高創(chuàng)新思維活躍度，加深對課程理論概念的理解及實際應用，同時有利于教師選擇性地將科研思想、成果、先進技術理論和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求融入教學，并根據(jù)學生的學習情況及時調(diào)整和補充教學內(nèi)容。2強化實踐環(huán)節(jié)，增強學生學習的自主性《材料合成與制備》課程是在研究材料制備工藝技術及設計新材料的基礎上，結合實際應用而開設的一門理論與實踐并重的課程，應盡可能地為學生提供豐富的實踐平臺和科研條件［5］。課后實踐是學生揮主觀能動性，靈活運用課堂所學內(nèi)容的一個重要環(huán)節(jié)。本學院配套開設的材料化學專業(yè)實驗課，里面涉及球磨法制備納米氧化鉆、化學氣相沉積法制備二氧化硅薄膜、超聲法制備氧化石墨烯、沉淀法制備白炭黑及高分子的本體和懸浮聚合等。學生通過實際動手操作，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結果并探討影響因素，更加深入具體地理解和思考相關知識點；若出現(xiàn)某些異常的實驗現(xiàn)象或結果時，他們會更加投入和專注于理論課的學習，并主動與老師溝通交流，尋找解決問題的方法，拓展專業(yè)視野，最終實現(xiàn)知識的內(nèi)化和遷移。此外，可以充分發(fā)揮本院本科生導師制度的優(yōu)勢，鼓勵推動學生早進課題組、早進實驗室參與研究工作，并將最新的科研成果及時轉(zhuǎn)化,積極參加大學生創(chuàng)新訓練計劃、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽、中國大學生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和大學生化學（化工）學術創(chuàng)新成果報告會等。學生在掌握一定的材料制備理論知識的基礎上，調(diào)研文獻，設計合成某種材料的具體實驗方案，與指導老師討論可行性后，依據(jù)實驗計劃開展實驗，記錄實驗過程及數(shù)據(jù)，分析實驗過程中遇到的問題，探索實踐并總結經(jīng)驗教訓。筆者導師制名下的三名本科生在大一下學期就進入了實驗室，依托本人的科研項目和大學生創(chuàng)新訓練計劃，以聚多巴胺修飾的碳納米材料為研究體系，開展了一系列嘗試。他們基于多巴胺在弱堿性條件下會自聚合的生物粘附效應，包裹碳納米管后作為二級反應平臺進一步引入功能性分子，制備合成了一種水溶性聚多巴胺衍生物，其具有高效的抗氧化損傷保護作用，在生物醫(yī)藥和化妝品領域具有潛在的應用價值。整個過程中利用了自由基聚合反應，邁克爾加成、席夫堿反應、水熱法和溶膠-凝膠法等，這些制備方法的相關理論都在《材料合成與制備》課程中充分體現(xiàn)，不僅調(diào)動了學生的求知欲和創(chuàng)新精神，還可以全方位地鍛煉學生實踐動手和科研能力。3多樣化考核方式，構建科學的考核評價體系課程考核是檢驗學生對課堂內(nèi)容掌握程度、反饋學生學習情況的重要手段，也是教師制定教學策略、提升教學質(zhì)量的關鍵，需要客觀公平地反映學生對理論知識的理解及解決復雜問題的綜合能力［6］。單一的閉卷考試容易使學生養(yǎng)成臨考前突擊復習和死記硬背知識點的不良習慣來應付考試，會降低學生平時學習的積極性和持久度，并且無法體現(xiàn)學生的自主學習和實踐能力?；诖?，本課程強調(diào)過程考核,把分組PPT展示、交流問答、實踐技能和課后作業(yè)過程考核模塊納入評價范圍，與期末考試各占比50%,實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造的有機融合。筆者在課程初始就發(fā)布小組任務，學生自由分組后結合自己的課外實踐環(huán)節(jié)任意選擇一種材料，在學期末以PPT的形式詳細介紹其制備方法、性質(zhì)及應用，老師和其他同學可以點評、提問和討論，然后結合老師和小組自評成績得到最終分數(shù)。整個過程中，學生通過自我探究和團隊協(xié)作完成確定課題、探索研究、總結提煉及匯報答辯，課上學起來，課下忙起來，做到真學，真想，真領會。交流問答的考核分數(shù)則取決于課堂的主動問答次數(shù)，以及對線上學習平臺推送的資料閱讀和討論情況，激勵學生主動學習，鞏固知識點并拓展知識的應用能力。利用線上教學平臺打造試題庫，不斷實時更新，補充習題，課后及時發(fā)布作業(yè)，使學生隨學隨練，全面夯實理論基礎。同時，期末試卷內(nèi)容也做出一定調(diào)整，適當增加開放性主觀題的比例，注重考察學生對知識的理解、重構和再創(chuàng)造的能力和高階思維。通過構建多元化、全方位的考核評價體系，達到以考輔教、以考促學的目的，激發(fā)學生積極探索的熱情，啟迪學生的創(chuàng)新思維，提高學習的積極性和主動性。4結語“雙一流”建設背景下，需要以立德樹人為本，切實提高教學質(zhì)量和