浅谈西南民族大学本科材料化学课程融入科研的教学与改革

雍 媛, 谢佳妮

(1 西南民族大学化学与环境学院, 四川 成都 610041;2 成都大学食品与生物工程学院, 四川 成都 610106)

如果说材料是人类文明发展的基石, 化学是新时代文明的发动机, 那么材料化学不容置疑是一门从化学的角度来探讨新材料的制备和它们在生产、 使用过程中的化学性质的科学[1]。材料科学与其技术的进步, 是推动人类社会发展的中流砥柱。纵观材料发展史实际上就是人类文明的进步史, 从石器时代、青铜时代、 粘土时代、 铁器时代到现在的硅材料时代, 材料化学主要涉及了物理学、 材料科学、 电化学、 无机化学等知识,它集基础科学和工程科学于一体, 是材料科学中不可缺少的一个分支, 是化学的重要组成部分。 如何将本科材料化学课程融入科研教学, 最大限度地发展学生的材料科学, 培养学生严谨的科学思维, 提高其工程实践能力以适应社会可持续发展和国际化的需要, 这些问题值得民族高校的教师思考和解决。 该学科对于教师和学生都充满着挑战, 为了将本科材料化学课程融入于科研的教学与改革探索, 提高教学效果, 提升学生能力,本文将从理论教学的融合、 实践教学的应用这两个方面来进行教学与改革探索[2]。

1 材料化学课程的教学现状

21 世纪的今天, 材料类学科无疑是一门蓬勃发展的学科,宏观审视国内高校的课程开展, 我们不难发现, 理工类乃至许多综合类高校现都已开设了材料化学这门课程, 这门学科的完善涉及到了教学内容、 教学手段与课程体系的改革。 作为民族高校的一名教师, 面对课堂上不同民族、 不同知识基础的学生, 更加需要根据每个学生的知识基础, 个人能力来培养学生的材料科学知识和实验技能, 同时也要发挥国家科研课题引导作用, 强化学生参与科研竞赛能力。 但在我个人的实践性教学中, 材料化学课程目前存在着课时任务分配不合理, 材料化学教材陈旧, 理论未联系实际, 学生的实验操作太少, 学生对本课程认知不清晰等问题。 为实现教育和教学一体化共同进展,这些问题还有待我们深入研究。 对于这些问题, 我本人有一些入职后的小心得, 希望能够对未来即将面临高校材料化学课程教学的新入职老师有所帮助。

2 本科材料化学理论教学课程与科研的融合

2.1 课程的设计做到深入浅出

理论教学主要是指在课堂上的教学, 对于化学学科而言,理论知识的重要性不言而喻, 理论就像是化学大厦的基石, 基石打好了, 知识才稳固。 我们知道, 有效教学首先是深入学习教学内容, 要充分理解, 适当扩大知识面, 其次是与科研教学有机结合, 课程的设计做到深入浅出[3]。 选择教学内容时, 课时必须准确, 要求必须合理, 难度要适当。 在每一学期始, 首先根据学生整体的基础合理设计, 将本学期的教学内容完善到每小节课时的教学内容。 一学期只有17 周, 上课时间很短,所以课程的关键点应该简短易懂。 教师可采用 “课前准备”、“新知学习”、 “课堂解疑”、 “小章总结” 的模式。 “课前准备”要求学生预习新知, 课堂前先自己学习一遍, 提出问题, 做好标记。 “新知学习” 需要注意的是老师在有限的课堂时间只讲解重难点知识, 利用剩余时间完成 “课堂解疑”, 为学生做出问题解答。 最后, “小章总结” 是对本专业学生必须掌握的知识总结, 同时完成课后练习, 巩固本章知识。 该模式能保证学生能高效完成课前预习, 课内答疑, 课后新内容巩固三个阶段。

2.2 注重教学内容的修改和创新拓展

有些教科书内容陈旧, 不够严谨, 因此我们需要认真研究教材的内容, 筛选教材并及时更新教学内容, 删除一些过时和不合适的内容。 “知者不如善者, 善知者不如乐者”, 即激发学生学习兴趣在教学中起着非常之重要的作用。 学习兴趣是学生试图理解或接近学习对象的一种倾向, 一个对学习有浓厚兴趣的学生会对课本知识和各种实验现象感到好奇, 并在学习过程中始终充满热情。 教师可对教学内容创新拓展, 如在课件中使用利用具有视觉吸引力的媒介, 以ppt 动画、 flash 动画、 视频等多种形式, 将抽象问题具体化、 形象化, 以此提高学生的学习兴趣。 例如材料的结构一章教学中, 教师可采取实物球棒模型、 flash 动画再现三维点阵和空间点阵的结构和结构基元模型; 在晶体的缺陷一章教学中, 讲述晶体的点缺陷、 位错的运动, 可以先讲解位错是如何产生的、 位错是如何滑移或攀移的, 对四种缺陷进行简要介绍, 利用视频动画来展示晶体的动图, 形象的描述位错的形成过程; 在第三章金属材料教学中,在课堂上可播放一些剪辑的具有科普性、 和趣味性强的小视频, 比如《可怕的人类终结者——金属材料》、 《柔性液态金属材料的硬科技》、 《化学金属材料与金属矿物的开发利用》等。

2.3 拓展学生学科知识面

教师在课堂上可向学生讲解该学科的历史和发展, 在科研领域、 现实生活中的应用, 以激发学生的兴趣, 培养学生的理解力和科学态度。 比如, 在讲述纳米材料中, 可以向学生介绍纳米金属材料的应用。 在21 世纪的今天, 我国已经开发了纳米半导体薄膜、 纳米陶瓷、 纳米陶瓷材料和纳米生物医学材料等[4]。 在医学检测领域, 与血液中6000 ~9000 nm 范围内的红细胞相比, 纳米颗粒的大小只有几纳米, 它能够在血液中自由地移动。 当我们将具有治疗作用的纳米粒注射到病变部位, 即可针对病变位置准确检查和治疗。 比起检查和治疗传统的手段, 纳米材料更加精准快捷; 在新冠肺炎疫情期间, 采用了高科技的纳米表面处理技术的纳米材料口罩可通过抗菌防晒的纳米膜层大大降低感染机率。 它的抗菌效率大于99%, 防晒系数高达UPF400 以上。 对比日常使用的无纺布口罩, 粘附在外层上的新冠病毒可存活超过7 天, 且酒精喷洒后过滤失效, 因此不可重复使用。 纳米材料口罩的持久抗菌外层可解决这一问题, 喷洒酒精不会影响它的过滤、 抗菌及防晒功能, 做到真正意义上的超持久防护。 教师向学生讲解这些丰富的实验课程和大量的学科前沿概述, 可拓展学生学科知识面, 使学生理解到材料和我们的生活息息相关, 它是一门十分贴近生活, 又十分有应用前景的学科。

3 本科材料化学实践教学课程与科研的结合

2015 年, 教育部在《关于进一步加强高校本科教学工作的若干意见》中指出[5], 高校本科教学工作要更加注重能力培养,努力提高学习能力, 大学生的实践能力和创新能力。 传统教学最大的问题是填鸭式教学, 即教师只讲解教材的理论知识, 而忽视了学生的实践教学。 化学是一门以实验为基础的科学, 实验是它的灵魂。 著名教育家陶行知先生说过: “要创造, 非你在用脑的时候, 同时用手去实验, 手脑全用, 是创造教育的目的。” 这告诉了我们实验的真正意义。 实验教学不仅能激发学生的学习兴趣, 还能帮助学生形成化学概念, 掌握化学知识和实验技能, 培养学生的观察和实验能力[6]。 为此, 教师可根据教学内容的实际需要增设实验课程, 培养学生科研能力, 需要掌握以下几点: (1)多开展科研设备使用知识课堂。 目前学校的实验室有透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)、X 射线光电子能谱(XPS)、 X 射线衍射仪(XRD)等大型专业设备, 它们在材料的表征中占据不可或缺的地位。 学生在材料化学专业课程的系统学习后掌握了扎实且全面的理论知识, 教师便可引导学生进一步学习先进材料设计的一般思路、 材料的化学合成方法以及材料的表征技术, 促进理论教学和专业训练齐头并进。 例如, 学生采用一锅法制备出聚吡啶纳米药物后, 教师可以引导学生使用相关仪器来表征聚吡啶纳米药物的微观结构, 进而研究材料的性能, 探讨纳米纳米的理化性质与抗菌效果之间的构效关系, 促进学生重构课程的知识结构, 进一步理解教材知识并将其用于实践之中。 教师应注重理论知识与实际问题的结合, 培养学生的技能创新意识, 培养适应社会需要的高层次创新应用型人才[7]。 (2)鼓励学生参与科研竞赛。 科研竞赛不仅能培养学生的科研能力, 复习理论知识, 还能增强学生的团队意识和集体观念。 参加科研竞赛可以让学生跳出课本理论知识的禁锢, 将学到的知识应用于实践之中。 教师可帮助有意向的学生制定学期学习计划, 通过学生交流, 课堂交流、课后答疑等方式, 利用QQ、 微信等通讯工具来指导学生进行创新活动, 参与创新竞赛。 在双方自愿的原则下, 引导学生积极参与如 “大学生创新计划”、 “三井杯” 和化工竞赛、 化学知识竞赛等科研活动, 鼓励低年级学生进入实验室跟学长学姐们学习科研技能, 并安排高年级的优秀同学一对一分配指导。 对于那些不积极参与科研的同学, 教师可跟他们通过见面、 线上等方式沟通, 深入了解他们的兴趣爱好, 找到问题所在, 做学生的良师益友, 更好的引导他们成长。 (3)开设科研体验周。通过安排实验室参观、 课题组宣讲、 实验室操作、 实验室成果展示分享等活动让学生尽早了解各研究领域的研究状况, 为有意向的学生提前进实验室并选择自己感兴趣的研究方向 “铺路” “搭桥”。 在科研学习中讲求的是视野开阔、 融会贯通, 让学生意识到深入科研不能仅仅怀抱着热情的心, 更应该有坚实的基础作为支撑。

4 结 语

高校需要向社会源源输送高水平创新型、 应用型人才, 作为民族高校教师我们理应和学校、 学院联合起来, 为学生构建学术争鸣、 交流探索的优异平台, 同时鼓励和指导学生在追求学问的道路上迈出第一步。 我们也要不断提升自己, 摸索和改进最适合学生的教学模式, 将专业基础知识学习与模块强化,将理论教学与专业培训结合, 根扎三尺讲台, 枝发科研精神,为学生获得更好的发展, 为培养满足社会需求的学术栋梁而努力。