劉敬肖+史非+姜淑文+王志強+劉貴山+劉素花

摘要：為了無機材料專業(yè)創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革能夠有效推行，本文分析探討了基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革思路及其實施辦法，強調(diào)了科研實例和虛擬仿真以及立體化實驗教材在創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的重要作用，對于推動材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革以及培養(yǎng)具有創(chuàng)新、實踐能力的應(yīng)用型人才具有較好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實踐能力；材料專業(yè)；基礎(chǔ)實驗；教學(xué)改革；立體化實驗教材

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0278-03

當(dāng)前，黨中央、國務(wù)院高度重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)，在國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的號召下，基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革具有重要意義。遼寧省《關(guān)于推動本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的實施意見》中明確了本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)思想，要求高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才，增強學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。材料是工業(yè)的基礎(chǔ)，也是各個領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)進步的基石。材料類專業(yè)學(xué)生不但要掌握材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用效能之間相互關(guān)系理論及其相關(guān)技能，而且，還要具備創(chuàng)新性思維、實踐動手能力和研究能力。而無機材料科學(xué)基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要課程，也是學(xué)生日后從事新材料研究與開發(fā)的重要專業(yè)基礎(chǔ)理論和實踐課程。因此，為使無機材料專業(yè)創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革有效推行，本文結(jié)合大連工業(yè)大學(xué)無機材料專業(yè)基礎(chǔ)理論課程和實驗教學(xué)的目的和特點，分析探討了基于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革思路及其實施辦法。

一、專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的重要意義

在無機非金屬工程材料專業(yè)的教學(xué)過程中，“無機材料科學(xué)基礎(chǔ)”理論課程及其相對應(yīng)的“無機材料基礎(chǔ)實驗”在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐動手能力中發(fā)揮著重要作用。無機材料科學(xué)基礎(chǔ)是無機非金屬工程材料專業(yè)中一門理論性強、概念抽象、知識面廣的專業(yè)基礎(chǔ)課程。近年來，無機材料科學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)建立了課程教材、實驗指導(dǎo)書、視頻課堂、知識題庫、多媒體教案等一系列教學(xué)方法和多媒體教學(xué)形式，并且在教學(xué)實踐中取得了較好的效果，課程也成為遼寧省專業(yè)精品課程。2014年大連工業(yè)大學(xué)無機非金屬材料工程專業(yè)在遼寧省專業(yè)評價中綜合排名位居省內(nèi)同類專業(yè)第2名，2015年獲評遼寧省無機材料實驗教學(xué)示范中心，這是本專業(yè)不斷探索專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的成果體現(xiàn)，也是大連工業(yè)大學(xué)多年來重視大學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力培養(yǎng)目標(biāo)的成果體現(xiàn)。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)和知識層次要求的進一步提高，尤其是新材料品種的日益發(fā)展，傳統(tǒng)的平面知識和簡單的模擬逐漸不能適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新和應(yīng)用型人才的要求。基于此，為了更好地發(fā)揮精品課程的作用，教研組積極探索新的無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)思路和教學(xué)模式，力圖結(jié)合專業(yè)發(fā)展、學(xué)科方向調(diào)整、就業(yè)形勢需要和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等不同要求，進一步提升專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)效果，使學(xué)生真正掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的精髓，提高其動手實踐能力和分析問題、解決問題能力，并使其在技術(shù)實踐過程中具有創(chuàng)新性思想。因此，對無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗進行有效的教學(xué)改革，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思想和實踐能力的應(yīng)用型人才具有重要意義。

二、專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的具體舉措

無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的基本思路是，緊密圍繞教育部提出的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和遼寧省提出的應(yīng)用型人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略部署，根據(jù)無機材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識體系的構(gòu)成和特點進行相應(yīng)的實驗教學(xué)改革。具體舉措如下。

1.用科研實例提升實驗教學(xué)效果。無機材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容涉及了無機材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用效能的基本理論問題，主要包含4個模塊：（1）無機材料微觀結(jié)構(gòu)理論知識模塊：主要內(nèi)容為材料結(jié)構(gòu)基本知識，例如晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷和固溶體等；（2）無機材料表面與界面知識模塊：主要內(nèi)容為固體表面與界面以及漿體的膠體化學(xué)原理等；（3）無機材料熱力學(xué)模塊：主要內(nèi)容為熔體和相平衡、相圖等；（4）無機材料高溫動力學(xué)模塊：主要內(nèi)容為擴散、相變、固相反應(yīng)和燒結(jié)等基礎(chǔ)理論[1-5]。

為了讓學(xué)生真正理解和掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，在實驗教學(xué)中，教師要注重將科研和生產(chǎn)實例融入到基礎(chǔ)理論的講解中，特別是教師自身的科研實例往往會引起學(xué)生的極大興趣和學(xué)習(xí)動力。例如，在講授晶體結(jié)構(gòu)缺陷內(nèi)容時，一方面通過比喻、類比法等介紹晶體通過熱振動產(chǎn)生的本征缺陷以及通過雜質(zhì)原子摻雜、取代產(chǎn)生的非本征缺陷；另一方面，通過介紹具體的科研實例來形象地說明由于雜質(zhì)引入而產(chǎn)生缺陷的機理及其對材料的影響，如教師正在進行的鈦酸鋇基熱敏陶瓷的研究，就是由于La3+摻雜和取代部分Ba2+，使材料微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷和載流子，從而獲得室溫能夠?qū)щ姷牡碗娮桠佀徜^陶瓷；而Mn2+的摻入又會因晶界的改變而使其達到良好的熱敏電阻效應(yīng)。教師對某種新材料在研究中遇到的問題及其涉及到的相關(guān)理論知識的介紹，常常會使學(xué)生產(chǎn)生一種豁然開朗的感覺：噢，原來專業(yè)基礎(chǔ)理論知識在材料研究中起到如此重要的作用。這樣可使學(xué)生深刻地體會到，只有學(xué)好專業(yè)基礎(chǔ)理論知識才能產(chǎn)生創(chuàng)新思想，提高分析問題和解決問題的能力，進而研究和發(fā)明一種性能更好的新材料。在一個個科研實例的穿插講解中，學(xué)生不但很輕松地深刻理解了相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，而且還提高了學(xué)好無機材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的興趣和動力。

2.通過虛擬仿真促進實驗教學(xué)。在無機材料專業(yè)基礎(chǔ)理論教學(xué)中，晶體結(jié)構(gòu)和缺陷部分是學(xué)生感到最抽象、最難學(xué)的內(nèi)容。為了讓學(xué)生充分體會材料晶體結(jié)構(gòu)對材料性能的重要影響，課堂上教師可通過模型、動畫舉例、類比法加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解；同時，在實驗教學(xué)中，還可通過增加對晶體結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實驗，讓學(xué)生在電腦上自行組裝晶體結(jié)構(gòu)，使其充分理解晶體密堆積原理、立方結(jié)構(gòu)、六方結(jié)構(gòu)和四方結(jié)構(gòu)的不同以及其他有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的理論知識。

無機材料晶體結(jié)構(gòu)虛擬仿真實驗不僅可以展現(xiàn)不可視的晶體結(jié)構(gòu)或原子排列原理，而且對于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識具有重要作用。目前，虛擬仿真實驗已成為實驗室建設(shè)的一個重要發(fā)展方向[6]。

3.通過創(chuàng)新性和研究性實驗加強創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。在無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中，應(yīng)始終把創(chuàng)新思維和實踐動手能力的培養(yǎng)目標(biāo)放在首位。構(gòu)建多層次、模塊化的實驗課程體系，特別是加強綜合設(shè)計性實驗和研究性實驗的建設(shè)[7]。高級應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生必須具有系統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和很強的創(chuàng)新能力和實踐動手能力[8，9]。近幾年，教研組教師在響應(yīng)國家培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐動手能力的號召下，相繼開設(shè)了一系列的專業(yè)基礎(chǔ)綜合設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，例如涉及到相變以及成核和析晶理論知識的“陶瓷結(jié)晶釉的綜合設(shè)計實驗”和涉及到缺陷和擴散知識的“摻雜鈦酸鋇功能陶瓷的綜合設(shè)計實驗”等，在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力方面取得了顯著成效。為了進一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的實踐動手能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，教師還要在實驗教學(xué)中增加更多有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐動手能力的科研創(chuàng)新性實驗，提高其分析問題和解決問題的能力。

綜合設(shè)計性實驗和研究性實驗對于促進學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)起著重要作用。在材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的實驗教學(xué)中，除了通過虛擬實驗仿真使學(xué)生理解、掌握和鞏固相關(guān)理論知識基礎(chǔ)外，還要讓學(xué)生親自動手組裝一些最新功能材料的晶體結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在學(xué)到基礎(chǔ)理論知識的同時，還能掌握材料領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展動態(tài)及其相關(guān)理論。例如，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)是目前新型功能材料研究中經(jīng)常涉及的晶體結(jié)構(gòu)，它們在光催化材料、電子功能陶瓷和其他新材料領(lǐng)域中發(fā)揮著重要角色。其中，具有較高實際應(yīng)用意義的鎢青銅結(jié)構(gòu)材料，在制備過程中，微觀結(jié)構(gòu)的空穴中會由于進入不同直徑的金屬離子，導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶面指數(shù)等參數(shù)發(fā)生較大的變化，直接影響到材料的光學(xué)、電學(xué)等宏觀性質(zhì)，而這些微觀變化僅僅通過平面文字描述及簡單的多媒體模擬很難做出全面系統(tǒng)的描述。這一點，在教學(xué)實踐中我們深有體會，學(xué)生往往更愿意看得到和摸得到這種材料，如果能夠自己組裝這種材料的晶體結(jié)構(gòu)就更有效果了，用“身臨其境”表示這種情況可能更恰當(dāng)些。因此，鼓勵學(xué)生嘗試用基本單元“原子”為骨架自己搭建出材料的微觀結(jié)構(gòu)，能夠促使學(xué)生更快明白這種材料的結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系理論。

在加強學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)方面，還要力爭每個實驗內(nèi)容都涉及到一種新材料的制備及應(yīng)用，使所涉及的材料制備過程及性能測試能夠充分利用到無機材料專業(yè)基礎(chǔ)理論知識。也就是說，在新材料的制備過程中，要讓學(xué)生充分體會課堂學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識在實驗和新材料制備中的體現(xiàn)，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。在此基礎(chǔ)上，進一步讓學(xué)生自己設(shè)計新的實驗過程，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力。

4.努力建設(shè)立體化實驗教材。立體化實驗教材體系的建設(shè)是實驗教學(xué)改革中注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有力保證[10]。針對無機材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗立體化教材建設(shè)，教研組將從完善實驗內(nèi)容、電子課件和網(wǎng)絡(luò)課程三個方面入手：（1）在實驗內(nèi)容方面，進一步完善實驗內(nèi)容，增加基礎(chǔ)理論知識與實驗內(nèi)容及新材料應(yīng)用之間相互關(guān)系方面的介紹，讓學(xué)生對所要進行的實驗有一個全面的基礎(chǔ)理論知識框架及其在實際科研、生產(chǎn)中的應(yīng)用背景的認(rèn)識，以此促進學(xué)生對理論知識的掌握和提高實驗的興趣和動力。（2）在電子課件方面，通過制作動畫、拍攝視頻等，制作生動形象的電子課件，使學(xué)生對所要用到的實驗儀器和操作步驟有一個完整的了解和掌握。（3）進行實驗網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，使學(xué)生通過實驗網(wǎng)絡(luò)課程，可完成實驗原理預(yù)習(xí)、操作步驟預(yù)習(xí)、實驗重點與難點、思考問題、在線討論、輔導(dǎo)答疑和文獻資源下載等幾方面內(nèi)容。通過實驗網(wǎng)絡(luò)課程的開設(shè)，學(xué)生對實驗的自學(xué)、預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和總結(jié)突破了傳統(tǒng)的時空限制而變得輕松靈活，為真正的動手實踐奠定了堅實的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

隨著經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展，材料在電子、信息、生物、環(huán)境等科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的作用日益顯著。許多新產(chǎn)品的開發(fā)和新技術(shù)的進步，都依賴于材料的改進和新材料的研發(fā)。材料專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思想和實踐能力方面發(fā)揮著重要作用。實驗教學(xué)不再單單是為了增強和鞏固專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，而且，更為重要的作用是通過實驗環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。將實驗教學(xué)與教師的科研項目和成果相結(jié)合，會大大提高學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識掌握和科學(xué)研究的興趣和動力；而實驗仿真和立體化實驗教材有助于進一步提高專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)效果，使學(xué)生都能成為具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型人才，從而滿足社會對相關(guān)領(lǐng)域的人才需求。

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