潘炳力

(河南科技大學(xué)公共化學(xué)教研室，河南　洛陽(yáng)　471023)

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大數(shù)據(jù)時(shí)代下材料化學(xué)課程教學(xué)改革

潘炳力

(河南科技大學(xué)公共化學(xué)教研室，河南洛陽(yáng)471023)

材料化學(xué)所涉及內(nèi)容較廣且發(fā)展日新月異，而在大數(shù)據(jù)時(shí)代其課程教學(xué)過(guò)程更具有極大的挑戰(zhàn)性，很有必要進(jìn)行教學(xué)改革；筆者認(rèn)為構(gòu)建包含基礎(chǔ)和前沿知識(shí)的合理的課程內(nèi)容體系是教學(xué)改革的基礎(chǔ)，以興趣為先導(dǎo)的教學(xué)技巧的應(yīng)用是學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，結(jié)合學(xué)科本身的現(xiàn)代教育教學(xué)手段如多媒體手段、專(zhuān)業(yè)軟件技術(shù)等的運(yùn)用是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵途徑，學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力的提高是課程教學(xué)的重要目標(biāo)。

材料化學(xué)；大數(shù)據(jù)；教學(xué)方法

2008年9月，國(guó)際頂尖期刊雜志Nature發(fā)表系列社論“大數(shù)據(jù)：PB數(shù)據(jù)時(shí)代的科學(xué)”，提出了大數(shù)據(jù)的概念。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，對(duì)教育界、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在產(chǎn)生巨大影響。材料化學(xué)課程作為材料科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，隨著材料學(xué)與化學(xué)大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，引起材料化學(xué)的知識(shí)信息不斷延伸，方法手段也在不斷地創(chuàng)新，無(wú)疑對(duì)當(dāng)代材料化學(xué)課程教學(xué)提出了更高的要求。因此，改革材料化學(xué)教學(xué)方式，將研究領(lǐng)域的新信息、新思想和新技術(shù)融入教學(xué)中，促使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)下，了解材料化學(xué)科技研發(fā)的前沿信息，是材料化學(xué)教育工作者面臨的巨大挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合自己多年的材料化學(xué)教育教學(xué)體會(huì)，認(rèn)為如下幾方面比較重要：

1　構(gòu)建合理的課程內(nèi)容體系

大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，對(duì)于一名學(xué)習(xí)材料化學(xué)課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，要想有所成就，所有涉及材料學(xué)和化學(xué)的交叉學(xué)科知識(shí)，包括不斷更新的內(nèi)容都需要掌握或了解，然而現(xiàn)有的《材料化學(xué)》教材在內(nèi)容方面存在較大的差異，要求任課教師仔細(xì)比較這些教材的內(nèi)容特點(diǎn)，找到合適的教學(xué)內(nèi)容，綜合這兩方面需要重新構(gòu)建材料化學(xué)課程合適的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。相對(duì)其他經(jīng)典的化學(xué)學(xué)科來(lái)說(shuō)，材料化學(xué)為1997年教育部新設(shè)立的專(zhuān)業(yè)，因此材料化學(xué)學(xué)科發(fā)展的時(shí)間較短，盡管學(xué)科本身知識(shí)很豐富，但目前課程教學(xué)資料相對(duì)較少。隨著材料和化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的不斷發(fā)展，作為新興交叉學(xué)科的材料化學(xué)發(fā)展日新月異，在基本原理、制備技術(shù)、表征測(cè)試手段和性能研究等方面均取得了很大的進(jìn)步，但材料化學(xué)課程的教材內(nèi)容更新比較慢，以至于該學(xué)科的新技術(shù)、新成果和新進(jìn)展不能及時(shí)充實(shí)到材料化學(xué)的教科書(shū)中去[1]。

考慮到經(jīng)典內(nèi)容的基本性和重要作用，課堂講授中的70%學(xué)時(shí)選擇為現(xiàn)有教材上列出的內(nèi)容；根據(jù)學(xué)科發(fā)展情況，在把握本學(xué)科發(fā)展方向的前提下，結(jié)合本學(xué)院相關(guān)老師的科研情況，補(bǔ)充講授20%左右的相關(guān)知識(shí)；就材料化學(xué)學(xué)科的前沿中選擇幾個(gè)具體方向讓同學(xué)自學(xué)，讓同學(xué)們結(jié)合自己的興趣愛(ài)好，檢索相關(guān)資料以作報(bào)告的形式給大家講授，占用10%左右的課時(shí)。最終，構(gòu)建教材70%/補(bǔ)充20%/自學(xué)10%的課程內(nèi)容體系，目的是通過(guò)70%教材內(nèi)容的學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)學(xué)科本身基礎(chǔ)知識(shí)得以較好的掌握，通過(guò)補(bǔ)充和自學(xué)(共30%)使本學(xué)科的前沿方向也得以把握；在最后結(jié)課考核時(shí)以此為主要內(nèi)容，使同學(xué)們能夠?qū)Σ牧匣瘜W(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)有較好的理解，并對(duì)前沿知識(shí)有一定程度的了解。通過(guò)構(gòu)建這些課程內(nèi)容體系，為所培養(yǎng)學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程以至于將來(lái)參加工作或繼續(xù)深造，打下良好基礎(chǔ)。

2　以興趣為先導(dǎo)的教學(xué)技巧的應(yīng)用

包括所謂“最差”學(xué)生在內(nèi)的所有同學(xué)都有對(duì)美好事物的追求的興趣和愿望。然而，通常認(rèn)為科學(xué)本身往往晦澀難懂，因此教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中善于引導(dǎo)學(xué)生尋找科學(xué)中的美，感悟科學(xué)的魅力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，從而激發(fā)和釋放學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力；有位科學(xué)家曾說(shuō)過(guò):“科學(xué)跟藝術(shù)一樣，要考慮美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)?！弊鳛榻逃ぷ髡哂胸?zé)任探索相關(guān)學(xué)科教學(xué)中蘊(yùn)藏的美學(xué)問(wèn)題[2]。而基于大數(shù)據(jù)背景，有關(guān)材料化學(xué)的相關(guān)實(shí)例不勝枚舉，下面就兩個(gè)例子進(jìn)行介紹。

在學(xué)習(xí)材料化學(xué)的無(wú)機(jī)材料部分時(shí)，許多同學(xué)感覺(jué)內(nèi)容比較枯燥。 然而，大自然的“鬼斧神工”創(chuàng)造了無(wú)數(shù)讓人留戀往返的經(jīng)典旅游景點(diǎn)，其中不乏涉及無(wú)機(jī)材料的化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)各種途徑查詢(xún)可以得到相關(guān)景點(diǎn)的大數(shù)據(jù)，其中比較經(jīng)典的如喀斯特地形美景，盡管其形貌千變?nèi)f化，但其背后卻可以用中學(xué)化學(xué)所學(xué)到的無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)式進(jìn)行解釋。在自然界，溶有二氧化碳的雨水，會(huì)使石灰石構(gòu)成的巖層部分溶解，使碳酸鈣轉(zhuǎn)變成可溶性的碳酸氫鈣：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

當(dāng)受熱或壓強(qiáng)突然減小時(shí)溶解的碳酸氫鈣會(huì)分解重新變成碳酸鈣沉淀：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

大自然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期和多次的重復(fù)上述反應(yīng)，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(xué)合成部分，部分同學(xué)感覺(jué)合成步驟繁瑣不易掌握，若結(jié)合目前的大數(shù)據(jù)體系，其中有關(guān)的美學(xué)方面也有許多例子。比如20世紀(jì)末出現(xiàn)并迅速得以發(fā)展的微納米材料，現(xiàn)代的手機(jī)涂層中有納米顆粒，防曬霜中有納米二氧化鈦等等；可以說(shuō)，“納米材料”作為一個(gè)名詞已經(jīng)家喻戶(hù)曉。但是對(duì)剛開(kāi)始學(xué)習(xí)材料化學(xué)的同學(xué)來(lái)說(shuō)，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(chǎn)物的化學(xué)成分還要考慮控制納米材料的尺度問(wèn)題[4]，部分同學(xué)感覺(jué)合成步驟過(guò)于繁瑣，甚至有的產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(jué)得似曾相識(shí)；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(shí)，再吟誦幾句優(yōu)美的唐詩(shī)宋詞，定會(huì)使人陶醉，獲得美的享受，激起對(duì)微納米材料學(xué)習(xí)的強(qiáng)烈興趣和熱情；比如：“只道花無(wú)十日紅，此花無(wú)日不春風(fēng)。”這句用來(lái)描述月季花[5]的優(yōu)美詩(shī)句，對(duì)Ag花狀粒子同樣是真實(shí)的寫(xiě)照。自然界的植物豐富多樣，微納米材料的形貌變化無(wú)窮，材料合成反應(yīng)過(guò)程環(huán)境的微小差異都有可能導(dǎo)致器形貌的巨大變化，可謂“一方水土養(yǎng)一方人”[4]。

在目前的材料化學(xué)大數(shù)據(jù)體系中，自然界中和人工合成的漂亮的“材料”遠(yuǎn)非這幾類(lèi)，可以讓同學(xué)們發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，尋找材料化學(xué)學(xué)科中的美感；在這個(gè)過(guò)程中，可以在一定程度上激起學(xué)生們強(qiáng)烈的興趣想到材料化學(xué)世界里一探究竟。

3　充分利用現(xiàn)代教育教學(xué)手段

現(xiàn)代教育教學(xué)手段中的多媒體教學(xué)已經(jīng)成為一種基本的新型教育手段，它與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比較來(lái)說(shuō)，具有信息量大、形象生動(dòng)等特點(diǎn)。近年來(lái)，多媒體教學(xué)已經(jīng)比較普遍的應(yīng)用于各種學(xué)科包括材料化學(xué)課程的課堂上。將圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)等展現(xiàn)出來(lái)，運(yùn)用于《材料化學(xué)》教學(xué)，使原本枯燥的知識(shí)點(diǎn)變得生動(dòng)鮮活，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的各種感官參與到學(xué)習(xí)中來(lái)，具有形象、省時(shí)、高效的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)遇到課程的重點(diǎn)難點(diǎn)時(shí)，有的專(zhuān)家提出應(yīng)該使用傳統(tǒng)板書(shū)進(jìn)行講解，以便于留給學(xué)生充分理解消化的時(shí)間，也就是提出要將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書(shū)兩者有機(jī)結(jié)合的方式。將多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書(shū)兩者結(jié)合方式是可以作為一種選擇；筆者認(rèn)為，對(duì)材料化學(xué)的重難點(diǎn)的教學(xué)，可以充分利用大數(shù)據(jù)中材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及一些先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，在教學(xué)效果方面會(huì)發(fā)揮很大的作用。以《材料化學(xué)》的晶體學(xué)教學(xué)為例，重要的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)有：劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Cambridge Structural Database，簡(jiǎn)稱(chēng)CSD)、無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(The Inorganic Crystal Structure Data-base，簡(jiǎn)稱(chēng)ICSD)等，另外，還有一些免費(fèi)公益性的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供大量在線(xiàn)的服務(wù)如www.crystallography.net。在教學(xué)中通過(guò)引入晶體數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索功能，讓學(xué)生自己在廣闊的晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得形象化的微觀結(jié)構(gòu)。并且在這一過(guò)程中，微觀信息能以三維圖像的方式表現(xiàn)，使得抽象的結(jié)構(gòu)可視化，讓教學(xué)過(guò)程變得簡(jiǎn)單、清晰。同時(shí)，也可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)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(guó)學(xué)者屠呦呦獲得諾貝爾獎(jiǎng)所涉及到的青蒿素的晶體結(jié)構(gòu)，從www.crystallography.net網(wǎng)站，可以檢索到其結(jié)構(gòu)如圖1所示，這在一定程度是加深了學(xué)生們學(xué)習(xí)的印象。然而，仔細(xì)觀察在線(xiàn)顯示圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些圖像有些呆板；原因是此類(lèi)網(wǎng)站所附帶的可視化程序顯示功能比較簡(jiǎn)單，雖然在一定程度上強(qiáng)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，但效果不是很理想。筆者參考目前常用的晶體結(jié)構(gòu)顯示軟件，認(rèn)為Diamond軟件在教學(xué)中比較好用。學(xué)生可以從目前的晶體學(xué)大數(shù)據(jù)中獲得希望考察物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)cif文件，然后直接采用Diamond 軟件打開(kāi)顯示其三維結(jié)構(gòu)圖。從專(zhuān)用軟件的顯示圖像(圖2)上不僅可以發(fā)現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，而且還可以放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等，通過(guò)學(xué)生直接動(dòng)手參與，加深了對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的理解。

圖1　青蒿素的晶體結(jié)構(gòu)在線(xiàn)顯示圖

圖2　旋轉(zhuǎn)不同角度青蒿素晶體結(jié)構(gòu)圖

另外，晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性知識(shí)包括對(duì)稱(chēng)元素、對(duì)稱(chēng)元素的組合(點(diǎn)群和空間群)等，是材料化學(xué)中的基本內(nèi)容；然而，此知識(shí)點(diǎn)一直是教學(xué)過(guò)程的難點(diǎn)，多數(shù)同學(xué)對(duì)理解這些概念沒(méi)有困難，但不知道怎樣把點(diǎn)群、空間群和晶體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，其根本原因是部分同學(xué)缺乏很好的空間想象能力。Diamond軟件可以很容易構(gòu)建32個(gè)點(diǎn)群和230個(gè)空間群的晶體結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，通過(guò)軟件形象化的展示，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性這一基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)很有幫助。

4　實(shí)踐教學(xué)提高能力

與材料化學(xué)課程相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)也比較重要，需要重視；然而，目前現(xiàn)有課程體系中的許多實(shí)驗(yàn)是比較陳舊的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，雖然在教學(xué)過(guò)程中有一定意義，但對(duì)激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)效果不太明顯。鑒于這種情況，我們?cè)诮虒W(xué)中根據(jù)新的科技動(dòng)向補(bǔ)充新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(jiǎng)后，我們?cè)O(shè)計(jì)了石墨烯的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)；部分同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其產(chǎn)生了濃厚的興趣，隨后申請(qǐng)了當(dāng)年的校級(jí)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，由于緊跟科研發(fā)展前沿方向，第二年即獲得了省級(jí)挑戰(zhàn)杯三等獎(jiǎng)；隨后，其中一位同學(xué)獲得了到國(guó)際著名石墨烯研究機(jī)構(gòu)—韓國(guó)全北大學(xué)復(fù)合材料研究所攻讀研究生學(xué)位的資格。應(yīng)該來(lái)說(shuō)，這是基于大數(shù)據(jù)下材料化學(xué)教學(xué)的一點(diǎn)成績(jī)：結(jié)合基礎(chǔ)知識(shí)，把握最前沿科學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才。

總之，大數(shù)據(jù)時(shí)代，每門(mén)學(xué)科的相關(guān)或衍生知識(shí)已經(jīng)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，在這種情況下構(gòu)建合理的課程內(nèi)容體系是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，以興趣為先導(dǎo)的教學(xué)技巧的應(yīng)用是學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，基于大數(shù)據(jù)的現(xiàn)代教育教學(xué)手段是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，學(xué)生實(shí)踐能力的提高是衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要指標(biāo)。

[1]林青,王艷雯,唐海蓉,等.材料化學(xué)課程教育的新方法[J].時(shí)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(xué)課程中的美育教育[J].化學(xué)教育,2010(4):9-10.

[3]袁金橋.蘆笛巖洞美景被譽(yù)為“大自然的藝術(shù)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(yǎng)殖方法及圖片欣賞[OL].http://zixun.jia.com/article/335202.html.

[6]沙茂林.晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011(3):70-72.

[7]吳平偉,朱志斌,戴金輝.Diamond軟件在晶體對(duì)稱(chēng)性教學(xué)中的應(yīng)用—32點(diǎn)群晶體模型庫(kù)的建立[J].化學(xué)通報(bào),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(xué)化學(xué)教學(xué)工作。

G640

A

1001-9677(2016)012-0231-03