材料化學專業課程的教學改革分析

井立強，曲 陽，任志宇，王國鳳

（黑龍江大學 化學化工與材料學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

材料化學是材料科學與化學交叉滲透形成的一門新興學科。在學科內容方面，材料化學并未得到一致的認可，“材料化學”課程的教學內容也往往與本專業開設的其他課程內容重疊。面對這一問題，針對材料化學專業課程教學改革進行探究十分有必要。

1 材料化學專業課程概述

作為一門新興學科，材料化學具有理工結合以及跨學科的特點，在信息、能源、環境、航空航天等前沿學科中發揮著越來越不可替代的作用。如今，材料化學本科專業已逐漸在許多大學站穩腳跟，由于材料的多樣性，不同學校的材料化學專業擁有不同的優勢學科。雖然專業名稱相同，但是不同的學校有不同的人才培養計劃和人才培養目標，反映了不同學校的專業特點。一些高校在“材料化學”中側重于金屬材料，另一些則更關注無機非金屬材料，例正如石油院校會根據學校特點側重于石油材料，林業院校則更關注林業材料。

2 材料化學專業課程教學改革的必要性

材料化學是一門覆蓋材料、化學、物理等學科的綜合性學科，涉及材料的合成理論、組織結構、材料性質、化學特性等關鍵內容。掌握材料化學對了解當前新材料的生產和獨特功能具有重要意義，對了解我國新能源和新材料的發展趨勢有很大幫助。近年來，由于我國高科技的快速發展，材料化學研究和相關理論取得了優異的成績。同時，材料化學的發展也面臨學術研究中的一些指導性問題，這對我國高校材料化學相關課程的教學提出了更高的要求。

在材料化學的研究方向和研究目標方面，教材應具有學以致用的應用功能，目的明確、專注前沿，幫助學生盡快適應未來的科學研究，并能在材料科學的發展中作出適當的反思。此外，由于材料化學是一門新興學科，其發展實踐時間短、研究范圍廣、可利用的課程參考資料相對較少，許多新理論和新技術無法在教材中得到豐富，教材編寫者的素質有待提高。在“材料化學”課程的教學內容中體現與時俱進的特點，實現教材的優化和改革十分重要[1]。當前，“材料化學”課程正以當前我國材料高新技術的發展需求為動力，深入推進教學內容、方法、實踐等方面的改革。

3 材料化學專業課程的教學現狀分析

3.1 專業教學內容存在滯后性

隨著我國新材料、新技術、新理論的不斷發展，材料化學的知識更新迅速，在日常生活中的應用更加廣泛，相關領域的研究更加深入，甚至出現了新的領域。然而，目前我國高校材料化學專業的教材更新相對緩慢，現有的教材原則上無法解釋和分析當前的新技術和新材料，理論與實際存在差距，導致學生很難及時了解當前的新理論和新技術，特別是一些已經應用于工業領域的新材料。一些高校在材料化學理論的更新方面問題較多、實驗研究較少，學生對相關知識的理解不足，無法通過實驗進一步學習，影響了教學效果[2]。還有一些高校存在“材料化學”課程配置不合理的問題。因為材料化學屬于多學科知識，特別是化學、數學、材料等學科，學生需要掌握更多的基礎知識，所以許多高校在開設“材料化學”課程的同時，也配套了數學、化學相關課程，以深化材料化學的研究。但是，部分學校的配置不完善，例如判斷新材料的張量性質需要一定的數學基礎，然而某些學校對這方面的關注不夠，只開設了“高等數學”課程，未將“線性代數”納入基本課程配置，影響了學生對新材料的定量分析[3]。

3.2 教學方式較為保守

“材料化學”課程教學改革關注教學方法的創新，強調教學方法對提高教學效果的重要性。然而，目前“材料化學”課程的教學方法仍然比較傳統，特別是對于一些基礎知識，采用填鴨式教學方法較多，教學互動相對較少，學生的主體性不夠突出；對于一些需要預習的材料化學知識，教師的指導不足，導致學生在課程教學中難以理解新內容。此外，教師對新媒體技術的應用不足。由于“材料化學”課程中的一些原理比較抽象，有必要使用多媒體進行直觀展示，更有利于學生的理解。然而，教師在多媒體選擇的方式、頻率和效果方面仍存在薄弱之處。

3.3 教學投入不足

“材料化學”也是一門應用性很強的實驗課，而實驗需要設備和材料。然而，大多數高校在“材料化學”課程實驗的軟硬件配置上投入不多，教學環境建設不完善。特別是大學生擴招以來，人均教材和設備數量相對較少，無法滿足實驗教學的要求，有時需要8～9名學生共同完成一個實驗，實驗效果很難達到預期。部分學校的實驗教學設備甚至少到只有教師可以演示操作，學生只能觀看。與學生直接操作實驗相比，這種實驗解釋的效果相對較弱，容易降低學生的學習興趣。

3.4 材料化學專業課程的教學弊端

師生在項目中遇到與材料特性相關的問題時，往往會采用計算機、機械等方式有效解決或避免這些問題。當不得不求助于材料本身時，便需要審視其化學、工業生產以及制造成型過程。這就要求根據實際工程問題找到在分子層面或加工流程中改進材料的方法。材料化學專業就是教人們從前者的角度出發看待問題。與純化學不同的是，材料化學專業通常以工程問題為導向（這就要求學術界以工業為基礎，而不是以其他方式為基礎），而不像基礎材料科學那樣以自然本身為基礎，這也是目前材料工程最受詬病的一點，即工業與學術嚴重分離、學術夸大的問題。將物質的微觀結構與其工程性能有機聯系起來是一個巨大的項目，其中包含許多變量且涉及范圍十分廣泛。

由于材料化學的研究始終側重于工程材料的微觀結構，其研究模式必然會脫離“基于現有經驗的試錯”和“低效的人工研究”，朝著工程實踐選擇研究對象的方向發展，將計算化學作為在分子水平上設計材料的核心工具，將新的表征技術作為重要的實驗研究工具。與現有的培訓計劃不同，材料化學專業課程教師只是從聚合物、金屬和半導體等其他項目中提取一些抽象理論，并將其傳授給沒有堅實數學和物理基礎的學生，被稱為“體驗科學精神”。事實上，其中并不具備有價值的內容；沒有工程實驗、數學、物理（更不用說深奧的理論化學）、代碼編寫和程序，在書中摻雜半導體，在計算問題中摻雜合成塑料；偶爾進入實驗室時，教師仍在使用過時的儀器和手段。經過這些脫離生產實踐和理論支持的培養，學生只會成為書本的奴隸，而非知識的主人[4]。

4 材料化學專業課程的教學改革路徑

4.1 完善教學內容的選取

4.1.1 明確材料結構與性能之間的關系

在開展教學之前，教師首先需要明確材料結構與宏觀和微觀性能之間的關系。層層深入、由淺入深，從表象到內在的認知能為學生更好地掌握材料化學的系統原理提供幫助。“材料化學”作為一門既需要學生學習理論、又需要學生動手實踐的課程，只有真正掌握材料科學的基本原理并理解、掌握材料制備的理論及方式，才能真正提高學習成效。

4.1.2 內容選擇、基礎與更換的關系

在講解新知識點的過程中，教師還應關注國內外的最新研究成果，重點是連貫的理論、知識的擴展、簡化內容的實施、選擇性學習的原則以及與培訓的專業要求相匹配；教師要在“材料化學”課程內容中體現最新的前沿理論知識，也要注意與其他學科和課程的滲透與結合，最終實現知識推廣。

4.1.3 發揮習題、例題效用

學生要想取得良好的學習成效，需要加強對知識點的練習。各種練習題、實例在整個“材料化學”課程教學過程中起到了非常重要的作用，是學生利用自身知識儲備解決現實問題的機會，同時也是學生思考并尋求問題解決對策的過程。通過以練習為基礎的課堂教學，學生能了解自己對知識點的學習、掌握情況，并且及時鞏固拓展，進而提高自身分析、解決問題的能力。

4.1.4 演繹、歸納方式的運用

學習“材料化學”的重要思想之一就是針對材料的普遍性、特殊性展開一系列探究。培養學生的演繹、歸納思維，是“材料化學”課程內容選擇的關鍵，重點是學生對歸納假設的演繹能力。與此同時，教師應注重理論知識和實踐知識之間的有效整合，完善配置，理清理論與實踐教學之間的聯系，加強對學生實驗技能的培養，通過實驗教學使學生掌握知識原理，提高學生的學習興趣。此外，教師還要培養學生解決、分析問題的能力，充分提升學生的創新能力和綜合素養。

4.2 開展基于多媒體技術的教學

近年來，各高校開設的材料化學專業主干課程基本上都開展了以多媒體技術為基礎的“材料化學”課程教學。這種教學方式高效且便捷，可以節省教師的板書時間，有效提高教學效率。教師可以將文字、圖片、動畫、視頻等材料綜合運用于教學活動中，使普通教學方法難以解釋的抽象難懂的知識更加直觀生動，讓學生輕松理解和掌握知識點。同時，這種生動的課堂教學活動借助教師自身的科研成果，具備一定的真實性及啟發性特征，能有效調動學生的思維，激發學生的學習興趣和創新潛力，培養學生的科研意識。通過多媒體教學，教師能向學生傳遞更多信息和更前沿的知識，直觀真實地展示自己的科研成果和經驗，使抽象的課程內容具體化，讓枯燥的課堂氣氛活躍起來，使學生的學習積極性也得到大幅度提升。

4.3 建設材料化學專業實踐實驗室

“材料化學”課程對促使學生掌握國內的新材料、新技術和新理論，激發學生學習材料化學相關知識的興趣，吸引更多學生到中國從事材料化學研究等方面有重要意義[5]。因此，各高校應重視“材料化學”課程的教學意義，積極為“材料化學”教學改革所需的設備、場地、材料等提供政策、資金和人力支持，改善材料化學教學環境，補齊薄弱環節，強化優勢項目，不斷創造優秀的材料化學專業課程。例如，高校可建設材料化學專業實踐實驗室，以多種先進的設備幫助學生開展有效的實踐教學，具體需要購置的設備如表1所示。

表1 實驗室需購置的器材

在完成實驗室設備、器材購置之后，教師可以利用這些設備開展一系列實踐教學（見表2），幫助學生提高相關知識儲備量，提高學生的實踐技能水平。

表2 材料化學專業課程實踐教學

4.4 提高教師的綜合素質水平

“材料化學”課程教學內容多、難度大，需要教師不斷提高綜合教學質量，以適應課程教學的需要。一是教師要提高“材料化學”理論知識和實驗技能的學習水平，不斷提高綜合素質，更好地為學生開展專業講座；二是教師要提高教學組織能力，特別是通過多媒體、網絡資源、微課堂等形式，提高學生對材料化學的理解程度，激發學生的學習興趣，提高學習效果；三是建立教師教學評價機制，結合“材料化學”課程教學改革需要，制定面向發展的“材料化學”課程教師評價指標，促使教師不斷提高教學質量和教學效果。

4.5 加強材料化學教學內容配置

材料化學是一門新興交叉學科。新理論和新技術正在迅速發展，為了提高學生對材料化學的掌握水平，教師需要根據教學需要對教學內容進行科學配置。一是注重材料化學專業基礎課程的配置，特別是材料、化學、物理、數學等與材料化學密切相關的學科知識，可以重點設置，結合材料化學掌握本學科基礎知識，提高學生的材料化學綜合知識能力；二是突出材料化學新知識的配置，并與社會材料化學發展的新趨勢相聯系，特別是一些研究突出的新理論，及時向學生解釋。這種講解不僅可以利用網絡資源，還可以利用一些材料化學研究突出的研究機構和企業介紹專題，促使學生了解材料化學研究的最新趨勢。

5 結語

材料化學通過調整結構復制或優化材料的某些功能，以化學為方法，以材料為對象，其知識點不是簡單的積累，而是化學和材料的有機結合。在開展“材料化學”教學改革時，教師應重新設置培養方案，實現信息資源共享，高校應建設材料化學專業實踐實驗室，加強多方投入，幫助“材料化學”課程優化改革。