交叉学科课程《材料化学》的教学改革与实践

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(武汉科技大学理学院，湖北 武汉 430065)

随着材料和化学领域的飞速发展，材料和化学学科之间的相互交叉、相互渗透越来越深入，逐渐形成了一门新兴交叉学科——材料化学。材料化学的兴起使得材料的研究可以从分子水平跨越到宏观尺度，有利于材料科学向更深层次、更高水平发展，产生了一系列性能优异的先进材料及新的学科前沿应用领域，如锂离子电池、超级电容器、光催化、电催化、燃料电池、气敏传感器、太阳能电池等领域，材料化学的知识在指导新材料的研究和开发方面具有重要的作用，甚至可以帮助解决许多国计民生中的重大社会、环境及能源问题，因此，在材料相关专业开设交叉学科课程《材料化学》课程具有重要意义。

1 材料物理本科专业开设《材料化学》课程的目的

武汉科技大学《材料化学》课程是理学院材料物理本科专业开设的一门专业选修课，其设置的目的在于拓宽材料物理专业学生的知识面，打破学生只重视材料和物理相关课程的壁垒，让学生体会到材料科学的飞速发展离不开物理、化学、材料及其它相关学科的交叉与融合，学会用化学的方法研究材料的组成、结构、性能、制备和应用领域，理解化学环境、化学制备方法对材料结构、性能及应用的影响，认识其构效关系，了解材料发展的新兴科学前沿及动态，为学生毕业后从事新材料的研发奠定基础[1-2]。本课程是材料物理专业培养方案中为学生设置的除了物理化学外第二门与化学相关的课程，课程设置在学生本科阶段的第六学期，此时，学生已经学习了材料科学基础、材料研究方法、晶体学、材料物理性能、材料合成与制备、凝聚态物理前沿等课程，具备了材料物理领域的一些基础知识和基本技能，了解了凝聚态物理领域的一些发展前沿，对材料发展也有了一些基本认识。该课程的设置犹如为材料物理专业课程提供了一支营养剂，帮助学生更好的了解自己的专业出路，了解材料发展过程学科交叉的必要性和重要性，使学生能更好地对前期的课程进行融合和应用。

2 《材料化学》课程教学过程存在的问题及面临的挑战

由于专业的特殊性，《材料化学》课程的教学目前还存在许多问题与挑战。

首先，学生化学方面的知识储备非常有限。通过详细阅览近几年本专业学生的培养方案和专业基础课程的教学大纲，了解到学生学习的前期专业基础课程大多是材料和物理方面的相关基础课程，培养方案中化学基础的课程仅有一门物理化学，无机化学、分析化学、高分子化学等课程没有涉及，化学基础知识储备相当薄弱，而材料化学课程必然涉及无机化学、分析化学和高分子化学的部分基础知识，因此，如何在学生有限的化学知识基础上上好这门课是一大挑战。

其次，《材料化学》课程涉及的内容多。材料化学主要研究材料的结构、性能、制备、应用及相互关系，内容涉及较为广泛，包括材料化学的基本概念、材料的结构、性能及其相互关系、材料化学热力学、材料的制备、新型实用材料(包括新型的金属材料、无机非金属材料及高分子材料)和纳米材料[3-4]。这些内容的每一个都可以作为一个专题进行讨论。

再次，至今为止，没有特别适合本专业学生基础的权威《材料化学》教材。考虑到本专业学生学科特点和所具备的基础知识，我们选择的是曾兆华，杨建文编著《材料化学》为教材[3]，其中绪论、材料的的结构、性能、制备和材料化学热力学这五章的内容主要参考该教材，而新型实用材料大部分内容以赵志凤,毕建聪,宿辉编著的《材料化学》[4]和宿辉编著的《材料化学》为参考教材。

然后，课程安排的学时少。作为材料物理专业的选修课，本课程是选修课中课时最多的课程，为40学时，但对于要讲授的内容来说，课时依然太少，只能在有限的课时内讲授一些基础知识，无法进行深入扩展，特别是对于一些实用新型金属材料、无机非金属材料及高分子材料部分，只能选择性讲授。

最后，传统的填鸭式、灌输式的仅限于书本的教学不能充分调动学生学习的积极性，极大地限制了学生的思维，严重阻碍了学生对所学知识的融通和自主学习潜力的发挥，造成学生创新能力不足，难以达到交叉学科课程教学的预期效果和要求。因此，探讨并尝试新的教学手段和方法，针对交叉学科课程的特点进行教学改革，是交叉学科教学的必经之路。

3 《材料化学》课程教学方法改革

针对以上的问题与挑战，我们尝试了以下教学方法上的改革：

(1)针对学生化学基础薄弱的问题，授课教师需要提前了解学生的基础。对课堂中涉及学生不熟悉或难理解的基本概念、基本理论提前一次课进行罗列，引导学生提前预习、查阅资料或相关书籍，并将结果及时反馈给老师，老师针对学生难理解的基础知识点进行讲授以便学生理解课堂内容。

(2)针对交叉学科课程内容多、学时少的问题，优化教学内容，以多媒体教学为主要授课手段，利用多媒体图片、视频、链接等技术手段，提高学生的学习兴趣。对前5章的内容根据学生已有的基础选择性讲授，如材料的结构部分由于学生前期开设了《晶体学》课程，所以本章有关晶体学的相关内容不予讲解，对材料制备一章侧重讲解材料的化学制备方法，并对课本内容做适当补充，如补充教材中没有但又简单易行、成本相对低廉的一些方法，静电纺丝法、微波合成法等。对于材料制备涉及的一些设备和过程，以图片或视频的方式进行展示，以便让学生能直观地了解和掌握制备方法。

(3)针对交叉学科无权威教科书的问题，结合学生的基础知识，由老师根据学时制定两套教学大纲在第一节课时发放给学生进行投票选择。根据投票的结果确定最终的上课内容，学生也可根据自己的需要对部分不感兴趣的内容与老师进行交流。这种学生参与优化上课内容的方式能够让学生提前了解教学内容，避免不同课程内容的部分重复，合理建构适合本专业学生学习的知识结构和知识体系，极大地提高了学生学习的积极性和主动性。

(4)针对交叉学科教学对师生知识面的广度和深度的要求，选择授课教师时需要选择具有交叉学科专业背景的老师，并能将教学与科研相融合。只有具备广阔知识面的老师，才能胜任单一专业背景老师由于知识面的限制无法很好胜任的交叉学科的教学要求。如材料化学课程，首先，需要老师不仅具有化学相关专业的教育或科研背景，而且需要具备材料学领域的教育或科研背景；其次，任课老师能将自己的科研与教学相结合，使得教学的理论能够助力科研，科研的结果能验证或反应课堂理论，通过对自己科研成果的介绍，吸引学生参与到自己的科研项目中，使课堂理论进行实践应用，如水热法合成纳米材料，并对材料进行表征和性能测试，以扩展其应用。最后，老师应该及时追踪学科研究前沿，并能够将最新的科研方法和科研成果融入并扩展至课堂，让学生了解一些最新的、最热门的研究领域，以补充课本知识的不足。

(5)针对传统的填鸭式、灌输式的仅限于书本的教学模式存在的问题，积极尝试并实践专题式教学。专题式教学是授课教师根据教学内容，针对学科前沿中某一专题从背景、研究现状、存在问题、解决方法和发展方向等几个方面具体讲授，可以立足于教材，也可以高于教材，或独立于其它章节。如在新型实用材料一章中涉及储氢材料的内容，授课时不局限于课本只讲授合金储氢材料，而以储氢材料专题形式进行教学，从储氢材料的研究背景，到已有储氢材料分类、各自的储氢原理及优缺点、近来的研究进展及未来的发展趋势等几个方面通过归纳总结最新的文献资料进行专题讲座，让学生对该领域有一个总体的认识，这种方法不仅扩展了学生的视野，而且可以让学生体会到学有所用，调动学生的学习兴趣。

(6)尝试并实践将汇报点评式教学引入课堂。汇报点评式教学是针对某一章节的具体内容，由老师提供题目，学生选择，通过查阅、总结文献，制作PPT,在课堂上向师生汇报，然后老师、学生可对汇报的内容进行提问和点评。具体地，在《材料化学》课程中，我们的汇报点评式教学安排在最后一章“纳米材料”中，汇报前老师在前期的教学中做好铺垫，如需要完成不同类型材料的合成、结构、性能及应用的讲解，前期教学过程引导并示范如何准备自己的汇报内容，以调动学生的学习兴趣。为此，在纳米材料一章讲解前，授课老师根据学生的人数拟定一定数量的题目，内容涉及新能源材料、光催化材料、电催化材料、储氢材料等近年来新材料研究的热点领域，两人一题，提前2周发给学生，学生根据自己的兴趣选择题目，自由结伴，再根据题目涉及的关键词查阅近几年的相关中英文资料，并进行总结，最后，根据老师设定的框架要求制作PPT并进行汇报，老师和学生均可对汇报过程存在的问题和优缺点进行提问并点评。

4 《材料化学》课程改革的教学效果

从两学期本门课教学改革的效果来看，学生学习的积极性非常高，能够很好地与老师配合，提前做好预习，积极主动进行汇报，特别是汇报点评式教学模式的实施，锻炼了学生的以下能力：(1)合作能力，两人共同完成一题，涉及内容的分配、资料的查阅、阅读、整理归纳、PPT的制作、讲解等过程，只有合力协作，才能在1～2周的时间完成好该作业；(2)分析问题、解决问题能力的锻炼，每个题目需要对至少10篇文献进行归纳总结，通过分析老师题目中提出的问题，查阅文献并进行总结归纳，最终达到解决问题的目的，汇报过程大部分学生能正确回答老师、同学的提问，说明学生对文献进行了认真阅读，这对学生的分析问题及解决问题的能力是一个很好的锻炼；(3)口语表达能力的锻炼，由于课时的限制，每个学生一般限定10min左右的时间进行汇报，如何能在较短的时间内对内容进行清晰的表达，这对学生是个极大的考验，欣慰的是，这一环节基本没有问题；(4)对知识的融合能力的锻炼，这一汇报不仅是让学生理解材料化学的内容，而且汇报的过程也同时考察学生对《材料合成与制备》、《材料研究方法》、《材料物理性能》等课程的掌握理解程度，需要学生具有较强的综合应用知识的能力；(5)对学生创新能力的锻炼，有的学生通过对文献的阅读和自己的知识储备，提出了一些自己的想法以改进文献，促进了教与研的结合。另外，汇报点评式教学在有限的学时内扩大了学生的知识面，两个学生查10篇文献，材料物理两个班60名学生则可以查阅300篇文献，而且涉及不同的热点应用领域，故该法能在短期内极大扩展学生的知识面，让学生知道学有所用。最后，学生的汇报过程对任课老师的教学和科研也能给予不同程度的启发，达到师生共赢。如某些学生的汇报，会从身边的现象或存在的常见问题入手，提出解决方法及汇报近年国内外的研究进展，这些对老师的教学和科研都有不同程度的启发，达到“教学相长”的目的。

5 结语

交叉学科课程《材料化学》是材料相关专业一门重要的专业基础课程，通过该课程的讲授，可以实现应用型复合人才培养的目标。本文通过对材料物理专业《材料化学》课程教学中存在的问题进行总结和分析，提出了一些解决办法，并进行了一些新教学方法的探索与实践，提高了学生学习的积极性和主动性，锻炼了学生的综合能力，扩展了学生的专业视野，取得了良好的教学效果。在今后的教学中，还将继续向兄弟院校学习，努力探索新的教学方法和教学模式并进行实践，如材料化学实验与材料化学课程相结合、改进考核方式等，进一步提高教学质量。另外，对于成功的教学新方法，也将进一步推广到其它交叉学科课程的教学中，如复合材料、新能源材料等。