大数据时代下材料化学课程教学改革

潘炳力

(河南科技大学公共化学教研室，河南　洛阳　471023)



大数据时代下材料化学课程教学改革

潘炳力

(河南科技大学公共化学教研室，河南洛阳471023)

材料化学所涉及内容较广且发展日新月异，而在大数据时代其课程教学过程更具有极大的挑战性，很有必要进行教学改革；笔者认为构建包含基础和前沿知识的合理的课程内容体系是教学改革的基础，以兴趣为先导的教学技巧的应用是学生学习的动力，结合学科本身的现代教育教学手段如多媒体手段、专业软件技术等的运用是帮助学生学习的关键途径，学生的专业实践能力的提高是课程教学的重要目标。

材料化学；大数据；教学方法

2008年9月，国际顶尖期刊杂志Nature发表系列社论“大数据：PB数据时代的科学”，提出了大数据的概念。大数据的出现，对教育界、学术界和产业界正在产生巨大影响。材料化学课程作为材料科学与化学的交叉学科，随着材料学与化学大数据的出现，引起材料化学的知识信息不断延伸，方法手段也在不断地创新，无疑对当代材料化学课程教学提出了更高的要求。因此，改革材料化学教学方式，将研究领域的新信息、新思想和新技术融入教学中，促使学生在掌握基础知识下，了解材料化学科技研发的前沿信息，是材料化学教育工作者面临的巨大挑战。笔者结合自己多年的材料化学教育教学体会，认为如下几方面比较重要：

1　构建合理的课程内容体系

大数据时代到来，对于一名学习材料化学课程的学生来说，要想有所成就，所有涉及材料学和化学的交叉学科知识，包括不断更新的内容都需要掌握或了解，然而现有的《材料化学》教材在内容方面存在较大的差异，要求任课教师仔细比较这些教材的内容特点，找到合适的教学内容，综合这两方面需要重新构建材料化学课程合适的内容结构。相对其他经典的化学学科来说，材料化学为1997年教育部新设立的专业，因此材料化学学科发展的时间较短，尽管学科本身知识很丰富，但目前课程教学资料相对较少。随着材料和化学学科领域的不断发展，作为新兴交叉学科的材料化学发展日新月异，在基本原理、制备技术、表征测试手段和性能研究等方面均取得了很大的进步，但材料化学课程的教材内容更新比较慢，以至于该学科的新技术、新成果和新进展不能及时充实到材料化学的教科书中去[1]。

考虑到经典内容的基本性和重要作用，课堂讲授中的70%学时选择为现有教材上列出的内容；根据学科发展情况，在把握本学科发展方向的前提下，结合本学院相关老师的科研情况，补充讲授20%左右的相关知识；就材料化学学科的前沿中选择几个具体方向让同学自学，让同学们结合自己的兴趣爱好，检索相关资料以作报告的形式给大家讲授，占用10%左右的课时。最终，构建教材70%/补充20%/自学10%的课程内容体系，目的是通过70%教材内容的学习使学生对学科本身基础知识得以较好的掌握，通过补充和自学(共30%)使本学科的前沿方向也得以把握；在最后结课考核时以此为主要内容，使同学们能够对材料化学学科的基础知识有较好的理解，并对前沿知识有一定程度的了解。通过构建这些课程内容体系，为所培养学生在后续课程的学习过程以至于将来参加工作或继续深造，打下良好基础。

2　以兴趣为先导的教学技巧的应用

包括所谓“最差”学生在内的所有同学都有对美好事物的追求的兴趣和愿望。然而，通常认为科学本身往往晦涩难懂，因此教师应当在教学各个环节中善于引导学生寻找科学中的美，感悟科学的魅力，培养学生对科学的兴趣，从而激发和释放学生的学习动力；有位科学家曾说过:“科学跟艺术一样，要考虑美学标准。”作为教育工作者有责任探索相关学科教学中蕴藏的美学问题[2]。而基于大数据背景，有关材料化学的相关实例不胜枚举，下面就两个例子进行介绍。

在学习材料化学的无机材料部分时，许多同学感觉内容比较枯燥。 然而，大自然的“鬼斧神工”创造了无数让人留恋往返的经典旅游景点，其中不乏涉及无机材料的化学反应。通过各种途径查询可以得到相关景点的大数据，其中比较经典的如喀斯特地形美景，尽管其形貌千变万化，但其背后却可以用中学化学所学到的无机化学反应式进行解释。在自然界，溶有二氧化碳的雨水，会使石灰石构成的岩层部分溶解，使碳酸钙转变成可溶性的碳酸氢钙：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

当受热或压强突然减小时溶解的碳酸氢钙会分解重新变成碳酸钙沉淀：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

大自然经过长期和多次的重复上述反应，从而形成各种奇特壮观的石瀑布、石柱等景观，如桂林的七星岩、芦笛岩等[3]。

介绍到化学合成部分，部分同学感觉合成步骤繁琐不易掌握，若结合目前的大数据体系，其中有关的美学方面也有许多例子。比如20世纪末出现并迅速得以发展的微纳米材料，现代的手机涂层中有纳米颗粒，防晒霜中有纳米二氧化钛等等；可以说，“纳米材料”作为一个名词已经家喻户晓。但是对刚开始学习材料化学的同学来说，不易欣赏到这些纳米世界里孕育的美。特别是由于除了控制产物的化学成分还要考虑控制纳米材料的尺度问题[4]，部分同学感觉合成步骤过于繁琐，甚至有的产生逆反情绪。然而，采用微观表征手段观察微纳米材料，可以发现有些纳米材料恰似大自然中一些花草的“孪生姐妹”，让我们觉得似曾相识；在欣赏微纳米尺度下的美丽世界和感慨大自然恩赐的同时，再吟诵几句优美的唐诗宋词，定会使人陶醉，获得美的享受，激起对微纳米材料学习的强烈兴趣和热情；比如：“只道花无十日红，此花无日不春风。”这句用来描述月季花[5]的优美诗句，对Ag花状粒子同样是真实的写照。自然界的植物丰富多样，微纳米材料的形貌变化无穷，材料合成反应过程环境的微小差异都有可能导致器形貌的巨大变化，可谓“一方水土养一方人”[4]。

在目前的材料化学大数据体系中，自然界中和人工合成的漂亮的“材料”远非这几类，可以让同学们发挥自己的主观能动性，寻找材料化学学科中的美感；在这个过程中，可以在一定程度上激起学生们强烈的兴趣想到材料化学世界里一探究竟。

3　充分利用现代教育教学手段

现代教育教学手段中的多媒体教学已经成为一种基本的新型教育手段，它与传统教学方式相比较来说，具有信息量大、形象生动等特点。近年来，多媒体教学已经比较普遍的应用于各种学科包括材料化学课程的课堂上。将图片、声音、动画等展现出来，运用于《材料化学》教学，使原本枯燥的知识点变得生动鲜活，以此调动学生的各种感官参与到学习中来，具有形象、省时、高效的优势。当遇到课程的重点难点时，有的专家提出应该使用传统板书进行讲解，以便于留给学生充分理解消化的时间，也就是提出要将多媒体教学与传统板书两者有机结合的方式。将多媒体教学与传统板书两者结合方式是可以作为一种选择；笔者认为，对材料化学的重难点的教学，可以充分利用大数据中材料数据库以及一些先进的计算机软件技术，在教学效果方面会发挥很大的作用。以《材料化学》的晶体学教学为例，重要的专业数据库有：剑桥结构数据库(Cambridge Structural Database，简称CSD)、无机晶体结构数据库(The Inorganic Crystal Structure Data-base，简称ICSD)等，另外，还有一些免费公益性的晶体结构数据库，提供大量在线的服务如www.crystallography.net。在教学中通过引入晶体数据库的搜索功能，让学生自己在广阔的晶体数据库中获得形象化的微观结构。并且在这一过程中，微观信息能以三维图像的方式表现，使得抽象的结构可视化，让教学过程变得简单、清晰。同时，也可以进一步培养学生的检索能力和求知探索欲，起到事半功倍的效果。

比如2015年中国学者屠呦呦获得诺贝尔奖所涉及到的青蒿素的晶体结构，从www.crystallography.net网站，可以检索到其结构如图1所示，这在一定程度是加深了学生们学习的印象。然而，仔细观察在线显示图，会发现这些图像有些呆板；原因是此类网站所附带的可视化程序显示功能比较简单，虽然在一定程度上强化了学生的学习过程，但效果不是很理想。笔者参考目前常用的晶体结构显示软件，认为Diamond软件在教学中比较好用。学生可以从目前的晶体学大数据中获得希望考察物质的晶体结构cif文件，然后直接采用Diamond 软件打开显示其三维结构图。从专用软件的显示图像(图2)上不仅可以发现更多细节，而且还可以放大、缩小、旋转等，通过学生直接动手参与，加深了对晶体结构的理解。

图1　青蒿素的晶体结构在线显示图

图2　旋转不同角度青蒿素晶体结构图

另外，晶体结构的对称性知识包括对称元素、对称元素的组合(点群和空间群)等，是材料化学中的基本内容；然而，此知识点一直是教学过程的难点，多数同学对理解这些概念没有困难，但不知道怎样把点群、空间群和晶体结构联系起来，其根本原因是部分同学缺乏很好的空间想象能力。Diamond软件可以很容易构建32个点群和230个空间群的晶体结构模型数据库[7]，通过软件形象化的展示，对晶体结构的对称性这一基础知识的教学很有帮助。

4　实践教学提高能力

与材料化学课程相对应的实验实践教学也比较重要，需要重视；然而，目前现有课程体系中的许多实验是比较陈旧的验证实验内容，虽然在教学过程中有一定意义，但对激发同学的学习效果不太明显。鉴于这种情况，我们在教学中根据新的科技动向补充新的实验内容。比如在2010年典型的纳米材料——石墨烯作为“主角”获得诺贝尔奖后，我们设计了石墨烯的化学合成实验；部分同学在实验过程中对其产生了浓厚的兴趣，随后申请了当年的校级大学生科研训练计划项目，由于紧跟科研发展前沿方向，第二年即获得了省级挑战杯三等奖；随后，其中一位同学获得了到国际著名石墨烯研究机构—韩国全北大学复合材料研究所攻读研究生学位的资格。应该来说，这是基于大数据下材料化学教学的一点成绩：结合基础知识，把握最前沿科学内容，加强实践教学，培养专业人才。

总之，大数据时代，每门学科的相关或衍生知识已经呈现指数级的增长，在这种情况下构建合理的课程内容体系是学生学习的基础，以兴趣为先导的教学技巧的应用是学生学习的动力，基于大数据的现代教育教学手段是帮助学生学习的方法，学生实践能力的提高是衡量学生学习效果的重要指标。

[1]林青,王艳雯,唐海蓉,等.材料化学课程教育的新方法[J].时代教育,2014(5):155.

[2]刘辉,王建广.微纳米尺度下的美丽世界-纳米材料化学课程中的美育教育[J].化学教育,2010(4):9-10.

[3]袁金桥.芦笛岩洞美景被誉为“大自然的艺术之宫”[OL]. http://qcyn.sina.com.cn/travel/zby/2010/0901/1320197668.html.

[4]Fukuyo Tomoyuki, Imai Hiroaki. Morphological evolution of silver crystals produced by reduction with ascorbic acid[J]. Journal of Crystal Growth,2002,241(1-2):193-199.

[5]邹光地.月季花的养殖方法及图片欣赏[OL].http://zixun.jia.com/article/335202.html.

[6]沙茂林.晶体结构数据库在结构化学教学中的应用[J].合肥师范学院学报,2011(3):70-72.

[7]吴平伟,朱志斌,戴金辉.Diamond软件在晶体对称性教学中的应用—32点群晶体模型库的建立[J].化学通报,2008(3):236-238.

Educational Reform of Materials Chemistry in the Era of Big Data

PANBing-li

(Public Department of Chemistry, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China)

Materials Chemistry covers a wide field and develops dramatically. In the era of big data great challenge existing in the teaching process, it is necessary to perform teaching reform. To construct the reasonable course content containing the foundation and the frontier knowledge system is the basis of teaching reform, the application of teaching skills with interest as the forerunner is the students’ learning motivation, the use of the modern education teaching methods combined with subject itself (e.g. the use of multimedia tools, professional software technology) is the key way to help students learn, and the improvement of students’ professional practical ability is an important goal of teaching.

Materials Chemistry; big data; teaching means

潘炳力，男，副教授，从事大学化学教学工作。

G640

A

1001-9677(2016)012-0231-03