应用型大学中“材料化学”课程教学现状分析及改革探索

2022-02-17滕莹雪陈书文亢淑梅

科技风 2022年35期

王茜滕莹雪陈书文亢淑梅包硕

辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁鞍山 114051

材料化学是材料科学与化学相结合的新兴学科，具有交叉性和前沿性的特点，主要培养学生运用化学原理研究材料科学领域的相关问题。党的十九大开启了加快高等教育现代化、建设高等教育强国的历史新征程，国家号召全面推进新时代应用型大学建设，这对应用型大学中材料化学专业学生工程素质、创新精神、实践能力等方面的培养提出新的要求和挑战[1]。“材料化学”作为材料化学本科生必修的专业基础课，是材料化学专业重要的核心课程之一。本课程主要研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用等基本内容，它同时包含材料研究过程中涉及的化学基础知识及材料在实际中的应用，具有理论和实践相结合的特点，与培养创新应用型人才的目标高度吻合[2-3]。因此，对“材料化学”课程教学进行改革和探索，对推动材料化学专业应用型人才的培养具有重要意义。

1 “材料化学”课程教学现状分析

“材料化学”是辽宁科技大学针对材料化学专业本科生开设的一门专业基础课，理论学时为56学时，与本课程相关的实验教学内容在材料化学专业实验课程中讲授。“材料化学”开设在材料化学专业大二下学期，学生在此之前已学习了“无机化学”“有机化学”“分析化学”等基础化学课程，掌握了化学的基础理论和知识。课程选用的教学用书是曾兆华和杨建文主编、化学工业出版社出版的《材料化学》，主要参考书目是朱光明和秦华宇主编、机械工业出版社出版的《材料化学》，宿辉主编、北京大学出版社出版的《材料化学》及Fahlman主编、Springer出版社出版的《Materials Chemistry》。课程共分十个章节进行讲授，除第一章绪论外，其余九章分为两部分——基础部分和应用部分[4]。基础部分包括材料的结构、材料的性能、材料化学热力学基础和材料的制备；应用部分包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料和纳米材料。基于作者在授课过程中的教学经验和反思，现阶段“材料化学”课程教学主要存在如下问题：

(1)“材料化学”课程涵盖材料、物理、化学等多学科的相关内容，对学生的理论基础要求相对较高。学生在本门课程之前尚未学习“物理化学”课程，缺少化学热力学和动力学及电化学等方面的理论基础，因而在材料化学热力学基础和涉及电化学的能源材料等内容的学习过程中感觉难度较大。另外，在应用部分内容中主要介绍各类先进材料如功能陶瓷、电子信息材料、纳米材料等，要求学生具有半导体物理、量子力学等物理知识储备，这在一定程度上增加了学习难度。

(2)由于材料化学学科交叉性的特点，使得“材料化学”课程的授课内容与材料化学专业其他课程存在交叉重叠的地方。例如，材料的结构这一章节与“材料科学基础”课程中晶体结构和缺陷部分内容相近；材料化学热力学基础这一章节的内容在“物理化学”课程中也会涉及；材料的制备部分内容与“材料合成与制备技术”课程也存在重叠之处。因此，在教学过程中难免会存在对相同知识点重复讲解的问题。

(3)“材料化学”课程中基础部分理论性较强，应用部分涉及的内容较为广泛，知识点杂而多，整体上教学内容较多，而理论教学学时有限。如何平衡各章节间的学时分配，并将理论知识与各类材料的应用相结合，做到知识点详略得当、融会贯通，对教学团队在课程设计、学时安排、教学方法等方面有很高的要求。

(4)材料化学学科具有前沿性的特点，随着新材料、新技术的快速发展，材料的合成和制备手段不断创新，各类新型材料也层出不穷。课程使用的教材及参考书目撰写较早，因而无法跟踪最新研究成果和材料相关产业发展现状。另外，辽宁科技大学材料化学专业以培养能够在新能源电化学材料合成与制备、金属腐蚀与防护、材料化学成分分析、材料组织结构与性能表征等相关行业和领域从事生产、制造、研发等工作的应用型高级工程技术人才为目标，而“材料化学”课程与专业培养目标结合不够紧密，与工程应用相关的内容较少。

(5)教学方式较为传统，现阶段“材料化学”课程主要以多媒体课件结合板书讲解为主，授课方式相对单一，学生参与度较低，学习兴趣不高。课件内容多以静态形式展示，而动画和视频较少。同时，考核方式仍以期末考试为主，这导致部分学生平时听课不认真，仅在期末阶段突击复习，学习效果不佳。

2 “材料化学”课程改革实践探索

2.1 优化课程结构设计

依照材料化学专业培养计划，结合学校专业自身特点，对“材料化学”课程整体结构进行优化设计，并与其他相关课程做好承上启下的衔接。在前三个学期的“创新教育”“创新创业专题”等课程中，由材料化学专业多位教师结合专业特色和团队及个人科研方向以专题讲座的形式向学生介绍材料发展历史和前沿进展，增加学生对材料化学学科的了解和兴趣。在大二上学期的“认识实习”实践教学中，带领学生到钢铁、化工、能源等相关企业参观学习，使学生对实际生产和应用有直观的认识。在课堂教学过程中，将生产及科研实际与理论相结合，使学生能够初步运用材料化学基础理论和研究方法解决材料研发及应用中的问题。例如，在讲授材料的化学性能时，通过列举典型的腐蚀失效案例，启发学生从化学腐蚀及电化学腐蚀机理中寻找金属材料腐蚀防护的方法。

同时，本专业任课教师围绕不同课程中重叠的知识点进行讨论和梳理，分清主次，避免相同知识点的反复讲解。例如，“材料化学”课程中可以适当减少对材料的结构、化学热力学基础等章节的学时分配，因为在同学期“材料科学基础”和“物理化学”课程中会对这些内容进行更具体深入的讲解；金属材料部分可以减少对钢铁材料的介绍，这部分内容主要在“金属材料学”课程中详细学习。另外，还需注意一些知识点在“材料化学”课程各章节中的前后衔接。例如，材料的制备章节中包含晶体生长技术的内容，其中提拉法已成熟应用于硅、锗、砷化镓等半导体材料的制备，而在无机非金属材料章节中也涉及半导体材料的特点、制备和应用等相关知识点。因此，在介绍提拉法时以半导体材料的应用背景作为引入点，在讲授半导体材料时引导学生复习提拉法制备单晶硅的原理，让学生将材料的制备技术和应用有机结合起来，真正做到知识点的融会贯通。

2.2 及时更新完善教学内容

“材料化学”课程授课内容应做到与时俱进，教师将材料前沿进展和科研成果融入教学中[5-6]。例如，在材料的制备章节中增加关于增材制造的内容，在金属材料章节中增加关于高熵合金的介绍等。授课内容还应紧跟国家战略新兴产业规划和“卡脖子”的关键技术，向学生们介绍新材料、新能源、高端装备制造等领域急需解决的材料问题，提高学生民族责任感和使命感，培养学习兴趣。例如，在讲授纳米材料时，以不同维度的碳基材料为例，向学生介绍我国碳基材料的发展现状和亟待攻关的“卡脖子”技术难题。课程还可以与日常生活相结合，让学生可以更直观地了解材料在生活中的应用。例如，介绍形状记忆合金时以眼镜架材料为例，介绍复合材料时以玻璃钢材料为例等。另外，教师也可将最新研究成果、学术论文与课程知识点相结合，让学生了解材料化学领域最前沿的研究热点。例如，在讲授钙钛矿型晶体结构时，可以向学生们介绍钙钛矿太阳能电池领域的最新研究成果。

2.3 创新教学方法

在多媒体课件和板书的线下教学基础上，利用超星学习通、蓝墨云班课、雨课堂等线上学习平台进行混合式教学，并结合优质慕课资源，提高学生学习质量[7-8]。以学习通学习平台为例，在平台上创建“材料化学”课程，将学生全部添加至课程班级中，并在平台资源模块共享课件、视频、练习题等辅助学习资料。课前在平台上发布预习内容，让学生提前明确即将学习的章节和重点、难点，学生也可反馈预习过程中遇到的问题，以便老师掌握学生预习情况，并对课堂教学内容加以调整。课中可以利用活动模块与学生展开教学互动，例如签到活动可以让教师及时掌握学生出勤情况，抢答活动可以适当活跃课堂气氛，调动学生积极性。同时，可以借助测试活动进行简短的随堂小测验，题型以选择题、判断题、填空题为主，加深学生对本节所学重点内容的理解，教师也可通过测试结果掌握学生的学习效果。课后通过平台上的作用模块发布作业，也可利用头脑风暴和讨论活动发布课后思考题，对重难点问题加以巩固。整个授课周期中，教师可以通过学习通平台的数据及时跟进学生的学习情况，关注学习积极度不高的同学，培养他们的学习兴趣，激发他们的学习动力。另外，还可以在授课过程中适当采用PBL教学法和“翻转课堂”的教学模式。例如，在讲授生物医用材料时可应用PBL教学法，以问题为基础，提出“同学们了解的生物医用材料有哪些”“对生物医用材料的性能有哪些要求”等相关问题；并以学生为主导，让学生结合这些问题去思考。教师也可提前布置一些课程相关的开放性课题，学生分组查阅相关文献资料、归纳总结、制作PPT，并在课堂上进行讲解，教师和其他学生可以根据讲解内容进行提问和交流。整个过程锻炼了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，同时也加深了对相关知识点的掌握。

2.4 课程考核方式改革

考核的目的是激励学生学习的自主性和积极性，并掌握学生对整门课程的学习情况。以往平时成绩主要参考学生的出勤情况、课上回答问题情况及课后完成作业情况，很难评价整个教学过程中学生的表现。因此，可以将混合式教学和翻转课堂的结果引入成绩评价体系中[9]。线上学习平台可以对学生参与学习情况进行定量评价，包括相关学习资料查看情况、出勤情况、课堂测试成绩、讨论参与情况等。翻转课堂过程中，每组成员讲解后可由老师和其他学生共同打分评价。另外，期末考试逐渐从任课教师独立命题的传统考试模式向教考分离的新型考试模式过渡，以便更客观地对教学过程和效果进行评价。

新的考核方式由出勤、课堂测试、课后作业、翻转课堂PPT演讲、期末考试构成。各项考核占比如下：出勤(10%)、课堂测试(10%)、课后作业(10%)、翻转课堂PPT演讲(20%)、期末考试(50%)。具体评分标准如下：

(1)出勤及课堂表现占总成绩的10%，出勤及表现考核贯穿整个学习过程，主要考核学生个体在上课过程中的出勤、学习积极性、学习态度、课堂纪律、听课状态、课堂互动等情况。

(2)课堂测试成绩占总成绩的10%。借助线上学习软件测试活动进行简短的随堂小测验，题型以选择题、判断题、填空题为主，主要考核学生对本节所学重要知识点的理解。

(3)课后作业占总成绩的10%。题型以名词解释、简答题、论述题为主，主要考核学生在课后的复习情况和对重难点知识的掌握。

(4)翻转课堂PPT演讲占总成绩的20%。具体实施方式是将全部学生分为若干个讨论小组，每组3至5人，并提前布置一些与材料化学课程相关的开放性课题。学生可以围绕这些开放性课题进行选题，也可以结合个人兴趣进行自主选题，并对所选课题进行文献资料调研。在此基础上结合课程所学内容制作PPT，在课堂上进行翻转课堂讲述与讨论，促进培养学生文献检索、综合分析的能力。PPT演讲分数由PPT内容(50%)、PPT演讲(30%)和回答问题(20%)三部分构成。

(5)期末考试占总成绩的50%。期末考试采取闭卷考试的方式进行，考试题型有选择题、填空题、名词解释、简答题和论述题。材料化学课程授课团队教师们共同创建课程题库，在考试前，由指定教师按照章节、知识点、题型及难易程度等对题目进行选择组卷。