材料化學課程教學改革的探索

楊曉偉,黃 兵,趙志遠,孫玉珍,左玉香

(鹽城師范學院 化學與環境工程學院，江蘇 鹽城 224005)

《材料化學》是為適應現代科學發展和化學發展的需要而生的一門課程，作為一門交叉性和前沿性的學科，它包含了材料的結構、材料的制備、材料化學熱力學等材料學的基本知識，覆蓋了金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和高性能復合材料的相關基本知識和應用，綜合了無機化學、有機化學、晶體學、生物學、物理化學等學科，具有明顯的學科綜合性和學科跨域性的特點[1-2]。該課程是一門理論性和實踐性都較強的課程，課程是關于材料的結構、性能、制備和應用的化學，從組成材料的原子結構出發，涉及到材料固有的物理、化學特性，進而通過結構-性能的關系，合成制備高質量、高性能材料，以降低生產成本，提高經濟效益，進而實現材料的最終目標-應用。在課程的教學過程中，如果仍采用傳統的教學模式，已不能向學生完美地呈現理論與實驗的全過程，使教學與科研脫節，不利于學生獨立思考能力、實踐能力和科研思維的培養，致使課程效果欠佳，不利于培養學生的學習興趣和廣泛的視野，學習的積極性也受到影響[3-4]。

1 課程結構與教學內容的優化

《材料化學》課程作為材料化學專業的必修課程，包含了48個課時的理論教學和16個課時的實驗教學，共計64個課時。作為一門新興學科，《材料化學》是新材料研究與開發工作的基礎，也是化學、材料科學與技術交叉發展的必然要求。在教學內容選取上，材料化學課程教學主要以“夯實基礎、側重應用、提高素質”為目標，根據材料化學課程的特征，結合本身專業要求，我們選取化學工業出版社出版，曾兆華、楊建文[5]編著的《材料化學》，教學內容主要為材料的結構、性能、制備和應用。此外，還介紹了光子材料、電子與微電子材料、生物醫用材料、高性能復合材料、納米材料等新型材料的性能及應用。適當地引入一些經典理論：晶體理論、能帶理論、金屬結構近似模型等，介紹一些迷人神奇的材料，如堅不可摧的碳材料、充滿創造力的塑料、不可思議的發泡材料、不屈不撓的金屬材料等，增加了課堂教學的趣味性，同時引入諸多世界上前沿性的創新成果。此外，作為拓展知識，增加材料的表征，以X射線光電子能譜、X射線粉末衍射譜、紅外光譜、掃描電子顯微鏡、激光粒度儀等為代表，通過標準熟知材料的結構和性能之間的內在關系，介紹在材料組成、晶體結構、尺寸大小、形貌及性能等方面一部分常規測試儀器的基本測試原理及其應用。

2 教學模式的探索

作為一門理論性較強的課程，傳統的材料化學課堂教學模式已不能順應時代的潮流，不僅要在教學內容上改革，更要從教學方法、教學手段等方面進行改革，以達到培養創新型全面性人才的目標。教學模式的改變，除教師要在教學中發揮積極引導作用之外，還要不斷啟發學生，通過互動研究討論，分組課題、實踐鍛煉等相互結合，培養學生自主思考能力和自主創新意識。

我們選用的曾兆華、楊建文編著的《材料化學》教材，前五章主要涉及緒論、材料的結構、性能、熱力學基礎、制備等基本知識，理論知識概念偏多，知識體系繁多復雜，對于基礎知識部分仍然以教師講授法為主；在教材的后五章，主要對各類高性能新型材料進行應用介紹，及其作為拓展知識的神奇材料及材料表征等內容，可以將學生分若干課題組，每一部分內容選取一人作為課題負責人，課題負責人分配具體方向給小組成員，通過查閱大量相關文獻及閱讀中英文最新進展，做出一個詳盡的研究報告，以PPT、視頻等形式進行匯報驗收結題。在匯報過程中記錄好每位課題組成員的講述情況、回答問題情況、討論發言情況等，及時對學生的疑惑困惑給出答疑，教師針對研究報告中涉及的知識點以及研究進展等給出總結性陳述，在教師的指導和每個課題組成員的相互配合協作下，每位同學都較好的完成了這項任務。

此外，在課堂教學模式上，引入“微課”[6-7]這種新興教學手段，材料化學的學習是在分子和原子層次上，研究材料的結構、性能和應用的學科，在課堂講授過程中，有相當一部分學生對晶體結構、晶體缺陷、三元相圖等內容理解起來有難度，傳統的講授模式枯燥缺乏新意，而利用微課演示動畫，三維重構軟件等從微觀結構化抽象為具體，化虛為實，教學內容變得淺顯易懂，使學生便于快速的理解和吸收，從而達到更好的課堂教學效果。同時其優點還體現在學習不受時間和地點的限制，學生可以隨時通過微課及時查缺補漏，可以提高學生的整體水平，使學生的學習興趣更加飽滿和積極。

3 實驗教學的探索

材料化學實驗是材料化學專業課教學活動的重要組成部分，不但讓學生掌握嫻熟的操作技術還培養學生的綜合能力、實驗素養能力和創新思維，加深對理論知識的理解，實驗課堂的豐富有趣對教學也有一定的促進作用。

材料化學實驗一般開設在大學三年級，在此之前，學生已經系統地學習了基礎化學實驗的基本操作，掌握了基本的實驗技能，但是基礎化學實驗的教學往往使學生缺乏對實驗的思考及總結，學生對實驗的自主設計自主動手能力欠缺，因此在強化、鞏固基礎實驗操作的前提下，材料化學實驗應更加注重學生的綜合實驗能力，拓展專業實驗內容，例如我們開展可材料的合成制備實驗：沉淀法制備納米鈦酸鋇材料、水熱法制備微孔材料、鋰離子電池正極材料鈷酸鋰的制備、熒光材料的制備、甲基丙烯酸甲酯的懸浮聚合、多孔聚苯醚材料的改性和制備等無機有機材料制備實驗；材料的性能測試實驗：材料的比表面積測定、材料的顯微結構觀察、材料導電性能測定、高聚物的熱重分析等，通過一系列實驗的設計和操作，使學生深刻理解材料結構與性能的關系，對理論知識加以深化和創新，提高了學生對材料合成的基本認識，增強了其探索實驗的興趣。

在實驗課堂上，培養學生的自主設計實驗能力，課堂上的師生形成互動模式，能夠充分發揮學生主觀能動性，在日常的教學中，慢慢培養學生的發現問題、解決問題的能力。同時基于老師的科研方向，引入一些開放性、創新性實驗。實驗以研究小組為單位(人數限定不超過8人)，在確定課題研究范圍內，學生通過查閱文獻設計實驗方案，教師在聽后給予一定的點評以及修改建議，學生獨立完成實驗并對材料的性能進行測試表征，為將來的畢業實驗和日后繼續研究深造打下基礎。

4 結語

以上是本人對材料化學教學改革的一些探索，針對我校課程特點，選擇合適的教材，在教材基本教學的基礎上，拓展一些創新性的研究成果，以多媒體微課教學和實踐教學結合實驗教學等多樣化教學方法為輔助手段，學生在深刻學習理論知識的同時，也增強實驗設計能力、操作能力的培養，學生通過學習能發現問題、思考問題和解決問題，提高學生創新創業精神和水平，為更好的滿足企業、研究所對所需人才的基本要求奠定堅實的基礎。