大數據時代下材料化學課程教學改革

潘炳力

(河南科技大學公共化學教研室，河南　洛陽　471023)

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大數據時代下材料化學課程教學改革

潘炳力

(河南科技大學公共化學教研室，河南洛陽471023)

材料化學所涉及內容較廣且發展日新月異，而在大數據時代其課程教學過程更具有極大的挑戰性，很有必要進行教學改革；筆者認為構建包含基礎和前沿知識的合理的課程內容體系是教學改革的基礎，以興趣為先導的教學技巧的應用是學生學習的動力，結合學科本身的現代教育教學手段如多媒體手段、專業軟件技術等的運用是幫助學生學習的關鍵途徑，學生的專業實踐能力的提高是課程教學的重要目標。

材料化學；大數據；教學方法

2008年9月，國際頂尖期刊雜志Nature發表系列社論“大數據：PB數據時代的科學”，提出了大數據的概念。大數據的出現，對教育界、學術界和產業界正在產生巨大影響。材料化學課程作為材料科學與化學的交叉學科，隨著材料學與化學大數據的出現，引起材料化學的知識信息不斷延伸，方法手段也在不斷地創新，無疑對當代材料化學課程教學提出了更高的要求。因此，改革材料化學教學方式，將研究領域的新信息、新思想和新技術融入教學中，促使學生在掌握基礎知識下，了解材料化學科技研發的前沿信息，是材料化學教育工作者面臨的巨大挑戰。筆者結合自己多年的材料化學教育教學體會，認為如下幾方面比較重要：

1　構建合理的課程內容體系

大數據時代到來，對于一名學習材料化學課程的學生來說，要想有所成就，所有涉及材料學和化學的交叉學科知識，包括不斷更新的內容都需要掌握或了解，然而現有的《材料化學》教材在內容方面存在較大的差異，要求任課教師仔細比較這些教材的內容特點，找到合適的教學內容，綜合這兩方面需要重新構建材料化學課程合適的內容結構。相對其他經典的化學學科來說，材料化學為1997年教育部新設立的專業，因此材料化學學科發展的時間較短，盡管學科本身知識很豐富，但目前課程教學資料相對較少。隨著材料和化學學科領域的不斷發展，作為新興交叉學科的材料化學發展日新月異，在基本原理、制備技術、表征測試手段和性能研究等方面均取得了很大的進步，但材料化學課程的教材內容更新比較慢，以至于該學科的新技術、新成果和新進展不能及時充實到材料化學的教科書中去[1]。

考慮到經典內容的基本性和重要作用，課堂講授中的70%學時選擇為現有教材上列出的內容；根據學科發展情況，在把握本學科發展方向的前提下，結合本學院相關老師的科研情況，補充講授20%左右的相關知識；就材料化學學科的前沿中選擇幾個具體方向讓同學自學，讓同學們結合自己的興趣愛好，檢索相關資料以作報告的形式給大家講授，占用10%左右的課時。最終，構建教材70%/補充20%/自學10%的課程內容體系，目的是通過70%教材內容的學習使學生對學科本身基礎知識得以較好的掌握，通過補充和自學(共30%)使本學科的前沿方向也得以把握；在最后結課考核時以此為主要內容，使同學們能夠對材料化學學科的基礎知識有較好的理解，并對前沿知識有一定程度的了解。通過構建這些課程內容體系，為所培養學生在后續課程的學習過程以至于將來參加工作或繼續深造，打下良好基礎。

2　以興趣為先導的教學技巧的應用

包括所謂“最差”學生在內的所有同學都有對美好事物的追求的興趣和愿望。然而，通常認為科學本身往往晦澀難懂，因此教師應當在教學各個環節中善于引導學生尋找科學中的美，感悟科學的魅力，培養學生對科學的興趣，從而激發和釋放學生的學習動力；有位科學家曾說過:“科學跟藝術一樣，要考慮美學標準?！弊鳛榻逃ぷ髡哂胸熑翁剿飨嚓P學科教學中蘊藏的美學問題[2]。而基于大數據背景，有關材料化學的相關實例不勝枚舉，下面就兩個例子進行介紹。

在學習材料化學的無機材料部分時，許多同學感覺內容比較枯燥。 然而，大自然的“鬼斧神工”創造了無數讓人留戀往返的經典旅游景點，其中不乏涉及無機材料的化學反應。通過各種途徑查詢可以得到相關景點的大數據，其中比較經典的如喀斯特地形美景，盡管其形貌千變萬化，但其背后卻可以用中學化學所學到的無機化學反應式進行解釋。在自然界，溶有二氧化碳的雨水，會使石灰石構成的巖層部分溶解，使碳酸鈣轉變成可溶性的碳酸氫鈣：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

當受熱或壓強突然減小時溶解的碳酸氫鈣會分解重新變成碳酸鈣沉淀：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

大自然經過長期和多次的重復上述反應，從而形成各種奇特壯觀的石瀑布、石柱等景觀，如桂林的七星巖、蘆笛巖等[3]。

介紹到化學合成部分，部分同學感覺合成步驟繁瑣不易掌握，若結合目前的大數據體系，其中有關的美學方面也有許多例子。比如20世紀末出現并迅速得以發展的微納米材料，現代的手機涂層中有納米顆粒，防曬霜中有納米二氧化鈦等等；可以說，“納米材料”作為一個名詞已經家喻戶曉。但是對剛開始學習材料化學的同學來說，不易欣賞到這些納米世界里孕育的美。特別是由于除了控制產物的化學成分還要考慮控制納米材料的尺度問題[4]，部分同學感覺合成步驟過于繁瑣，甚至有的產生逆反情緒。然而，采用微觀表征手段觀察微納米材料，可以發現有些納米材料恰似大自然中一些花草的“孿生姐妹”，讓我們覺得似曾相識；在欣賞微納米尺度下的美麗世界和感慨大自然恩賜的同時，再吟誦幾句優美的唐詩宋詞，定會使人陶醉，獲得美的享受，激起對微納米材料學習的強烈興趣和熱情；比如：“只道花無十日紅，此花無日不春風?！边@句用來描述月季花[5]的優美詩句，對Ag花狀粒子同樣是真實的寫照。自然界的植物豐富多樣，微納米材料的形貌變化無窮，材料合成反應過程環境的微小差異都有可能導致器形貌的巨大變化，可謂“一方水土養一方人”[4]。

在目前的材料化學大數據體系中，自然界中和人工合成的漂亮的“材料”遠非這幾類，可以讓同學們發揮自己的主觀能動性，尋找材料化學學科中的美感；在這個過程中，可以在一定程度上激起學生們強烈的興趣想到材料化學世界里一探究竟。

3　充分利用現代教育教學手段

現代教育教學手段中的多媒體教學已經成為一種基本的新型教育手段，它與傳統教學方式相比較來說，具有信息量大、形象生動等特點。近年來，多媒體教學已經比較普遍的應用于各種學科包括材料化學課程的課堂上。將圖片、聲音、動畫等展現出來，運用于《材料化學》教學，使原本枯燥的知識點變得生動鮮活，以此調動學生的各種感官參與到學習中來，具有形象、省時、高效的優勢。當遇到課程的重點難點時，有的專家提出應該使用傳統板書進行講解，以便于留給學生充分理解消化的時間，也就是提出要將多媒體教學與傳統板書兩者有機結合的方式。將多媒體教學與傳統板書兩者結合方式是可以作為一種選擇；筆者認為，對材料化學的重難點的教學，可以充分利用大數據中材料數據庫以及一些先進的計算機軟件技術，在教學效果方面會發揮很大的作用。以《材料化學》的晶體學教學為例，重要的專業數據庫有：劍橋結構數據庫(Cambridge Structural Database，簡稱CSD)、無機晶體結構數據庫(The Inorganic Crystal Structure Data-base，簡稱ICSD)等，另外，還有一些免費公益性的晶體結構數據庫，提供大量在線的服務如www.crystallography.net。在教學中通過引入晶體數據庫的搜索功能，讓學生自己在廣闊的晶體數據庫中獲得形象化的微觀結構。并且在這一過程中，微觀信息能以三維圖像的方式表現，使得抽象的結構可視化，讓教學過程變得簡單、清晰。同時，也可以進一步培養學生的檢索能力和求知探索欲，起到事半功倍的效果。

比如2015年中國學者屠呦呦獲得諾貝爾獎所涉及到的青蒿素的晶體結構，從www.crystallography.net網站，可以檢索到其結構如圖1所示，這在一定程度是加深了學生們學習的印象。然而，仔細觀察在線顯示圖，會發現這些圖像有些呆板；原因是此類網站所附帶的可視化程序顯示功能比較簡單，雖然在一定程度上強化了學生的學習過程，但效果不是很理想。筆者參考目前常用的晶體結構顯示軟件，認為Diamond軟件在教學中比較好用。學生可以從目前的晶體學大數據中獲得希望考察物質的晶體結構cif文件，然后直接采用Diamond 軟件打開顯示其三維結構圖。從專用軟件的顯示圖像(圖2)上不僅可以發現更多細節，而且還可以放大、縮小、旋轉等，通過學生直接動手參與，加深了對晶體結構的理解。

圖1　青蒿素的晶體結構在線顯示圖

圖2　旋轉不同角度青蒿素晶體結構圖

另外，晶體結構的對稱性知識包括對稱元素、對稱元素的組合(點群和空間群)等，是材料化學中的基本內容；然而，此知識點一直是教學過程的難點，多數同學對理解這些概念沒有困難，但不知道怎樣把點群、空間群和晶體結構聯系起來，其根本原因是部分同學缺乏很好的空間想象能力。Diamond軟件可以很容易構建32個點群和230個空間群的晶體結構模型數據庫[7]，通過軟件形象化的展示，對晶體結構的對稱性這一基礎知識的教學很有幫助。

4　實踐教學提高能力

與材料化學課程相對應的實驗實踐教學也比較重要，需要重視；然而，目前現有課程體系中的許多實驗是比較陳舊的驗證實驗內容，雖然在教學過程中有一定意義，但對激發同學的學習效果不太明顯。鑒于這種情況，我們在教學中根據新的科技動向補充新的實驗內容。比如在2010年典型的納米材料——石墨烯作為“主角”獲得諾貝爾獎后，我們設計了石墨烯的化學合成實驗；部分同學在實驗過程中對其產生了濃厚的興趣，隨后申請了當年的校級大學生科研訓練計劃項目，由于緊跟科研發展前沿方向，第二年即獲得了省級挑戰杯三等獎；隨后，其中一位同學獲得了到國際著名石墨烯研究機構—韓國全北大學復合材料研究所攻讀研究生學位的資格。應該來說，這是基于大數據下材料化學教學的一點成績：結合基礎知識，把握最前沿科學內容，加強實踐教學，培養專業人才。

總之，大數據時代，每門學科的相關或衍生知識已經呈現指數級的增長，在這種情況下構建合理的課程內容體系是學生學習的基礎，以興趣為先導的教學技巧的應用是學生學習的動力，基于大數據的現代教育教學手段是幫助學生學習的方法，學生實踐能力的提高是衡量學生學習效果的重要指標。

[1]林青,王艷雯,唐海蓉,等.材料化學課程教育的新方法[J].時代教育,2014(5):155.

[2]劉輝,王建廣.微納米尺度下的美麗世界-納米材料化學課程中的美育教育[J].化學教育,2010(4):9-10.

[3]袁金橋.蘆笛巖洞美景被譽為“大自然的藝術之宮”[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]鄒光地.月季花的養殖方法及圖片欣賞[OL].http://zixun.jia.com/article/335202.html.

[6]沙茂林.晶體結構數據庫在結構化學教學中的應用[J].合肥師范學院學報,2011(3):70-72.

[7]吳平偉,朱志斌,戴金輝.Diamond軟件在晶體對稱性教學中的應用—32點群晶體模型庫的建立[J].化學通報,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，從事大學化學教學工作。

G640

A

1001-9677(2016)012-0231-03