劉敬肖 史非 張晶晶 姜淑文 劉貴山 楊海霞 閆爽

摘? 要：對實驗教學進行教學改革是培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才的重要途徑。該文以無機材料基礎實驗課程為例，基于培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和解決實際工程問題能力的目標導向，分析實驗教學融合科研創(chuàng)新與設計的必要性，并對無機材料基礎實驗融合教師科研成果的實驗教學案例進行介紹，探討融合科研創(chuàng)新與設計的線上線下結(jié)合式實驗教學對于培養(yǎng)具有綜合能力的創(chuàng)新應用型人才的重要作用。

關鍵詞：實驗教學；無機材料基礎實驗；科研創(chuàng)新；線上線下結(jié)合式教學；教師科研成果

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）03-0146-04

Abstract： Reforming experimental teaching is an important way to cultivate innovative and application-oriented talents. Based on the goal of cultivating students' innovative consciousness and ability to solve practical engineering problems， this paper takes the course of Fundamental Experiment of Inorganic Materials as an example to analyze the necessity of integrating experimental teaching with scientific research innovation and design. This study introduces the experimental teaching cases of integrating teachers' scientific research achievements in Fundamental Experiment of Inorganic Materials， and discusses the important role of online and offline experimental teaching integrating scientific research innovation and design in cultivating innovative applied talents with comprehensive ability.

Keywords： experimental teaching; Fundamental Experiments of Inorganic Materials; scientific research innovation; online and offline blended teaching; scientific research achievements of teachers

黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。高等教育作為全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的重要戰(zhàn)略支撐，培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才，是時代賦予高校的重要使命。同時，經(jīng)濟的快速發(fā)展使社會對高校人才質(zhì)量的要求不斷提高?！豆こ探逃龑I(yè)認證標準》提出：“要具有明確的、符合學校定位和社會經(jīng)濟發(fā)展需要的培養(yǎng)目標”，其中特別強調(diào)培養(yǎng)學生“解決復雜工程問題的能力”。無機非金屬材料工程等材料類專業(yè)對實踐環(huán)節(jié)具有更高的要求，材料類專業(yè)工程教育專業(yè)認證補充標準提出：“專業(yè)課實驗開出率應達到90%以上，其中綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗課程占總實驗課程比例大于60%”。由此可見，以創(chuàng)新思維與實踐能力為培養(yǎng)目標的專業(yè)實驗教學在材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中占據(jù)重要地位。

一? 實驗教學融合科研創(chuàng)新與設計的必要性

在傳統(tǒng)的實驗教學中，教學內(nèi)容和教學活動容易受到教材的束縛，部分實驗教學內(nèi)容陳舊，與學科發(fā)展前沿案例結(jié)合較少，實驗教學缺乏創(chuàng)新性。對實驗教學進行改革研究是提升實驗教學水平及教學效果的根本途徑。無機材料基礎實驗是大連工業(yè)大學無機非金屬材料工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎實驗課程，在工程教育專業(yè)認證背景下，教學團隊重新凝練了無機材料基礎實驗的課程目標，新的課程目標為：①能夠?qū)ο鄳牧系闹苽浜托阅軠y試進行簡單的實驗設計和配比計算；②能夠正確采集、整理實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)對復雜工程問題的綜合研究能力；③能夠熟練操作儀器設備，熟悉常用分析測試儀器、信息檢索工具和模擬軟件的使用原理和方法；④培養(yǎng)團隊合作意識，以及分析問題和解決實際工程問題的能力。

當前，以學生為本的教學理念，要求既要注重學生對理論知識的理解，更要加強學生動手操作能力、 科學思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。隨著社會對學生創(chuàng)新意識和工程實踐能力要求的不斷提高，無機材料基礎實驗課程涉及到的基礎理論知識應更加全面和深入，對同學們通過實驗提高其工程實踐能力、創(chuàng)新思維等綜合能力的要求更高，挑戰(zhàn)性也更大；同時，實驗內(nèi)容需緊密結(jié)合當前學科和行業(yè)發(fā)展最新進展，教師需將科研創(chuàng)新設計、工程實踐案例，以及課程思政充分融合到實驗教學中。此外，有關材料制備特別是玻璃和陶瓷等無機材料制備的實驗大多需要高溫電爐等才能得以完成，且多數(shù)材料制備所需要的時間較長。因此，針對上述問題，為了精準實驗和培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的高素質(zhì)人才，無機材料基礎實驗教學內(nèi)容中亟待增加“科研創(chuàng)新與設計”元素，教學方法急需采用“線上線下相結(jié)合”的教學模式。在以培養(yǎng)創(chuàng)新意識和解決實際工程問題能力為導向的課程目標下，融合“科研創(chuàng)新與設計”的無機材料基礎實驗線上線下結(jié)合式教學研究與實踐對于提高專業(yè)實驗教學質(zhì)量和培養(yǎng)高質(zhì)量的人才具有非常重要的現(xiàn)實意義。

二? 無機材料基礎實驗科研創(chuàng)新案例介紹

教學與科研是高校的重要職能，也是教師必須認真履行的重要職責。如何實現(xiàn)教學促進科研，科研反哺教學的良性互動發(fā)展，是高校教師需要深入思考的問題?！督逃筷P于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中提出“推動科研反哺教學”，鼓勵高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣。近年來，隨著高校對教學與科研工作的重視力度不斷加大，教學與科研相互融合受到重視，融合科研成果的研究性綜合實驗和創(chuàng)新性綜合實驗教學改革的研究范例已有較多報道[2-6]。將科研成果融入本科生實驗教學，既能幫助學生較早地接觸科研項目、了解學科前沿發(fā)展，也能更好地促進本科生創(chuàng)新能力、實踐能力及分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)[7]?？蒲蟹床附虒W，強化科研育人功能，是全面提高人才培養(yǎng)能力與培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措[8]。

在工程教育專業(yè)認證和新工科建設背景下，結(jié)合當前無機非金屬材料發(fā)展前沿，課組教師重新構(gòu)建了無機材料基礎實驗的教學內(nèi)容體系，新的實驗教學內(nèi)容充分融合教師的科研成果和學科發(fā)展前沿，通過實驗教學不但要促進學生對理論知識的理解和提升學生的實驗技能、實踐動手能力和分析問題、解決問題能力，而且，更要通過實驗教學培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、科研創(chuàng)新設計能力，以及為祖國強盛和新材料發(fā)展做出貢獻的愛國情懷。

圖1列出了當前無機材料基礎實驗中的幾個代表性實驗與科研案例的融合情況。以“材料擴散綜合性實驗”為例，該實驗內(nèi)容為：選用玻璃片試樣，通過高溫熔鹽離子交換實驗，分析高溫過程玻璃和熔鹽中某些離子的擴散現(xiàn)象和特點，觀察和測定樣品擴散前后的抗折強度等性能，分析影響擴散的因素。為了讓學生充分了解和理解離子擴散在手機玻璃制備和研發(fā)中的重要作用，教師在無機材料基礎實驗網(wǎng)絡課程中上傳了有關“手機玻璃化學鋼化處理”的科研案例文獻，使學生在線上預習環(huán)節(jié)能夠深刻理解離子擴散在手機蓋板玻璃制造過程中的重要應用，從而激發(fā)學生熱愛科學和從事科學研究的興趣和動力。

離子擴散和離子交換是玻璃進行化學鋼化處理的基本原理，具體過程為：在一定溫度條件下，將含有小半徑堿金屬離子的玻璃沉浸在含有大半徑堿金屬離子的熔鹽中并保溫一定時間，在化學位和濃度梯度推動下，玻璃中的小半徑堿金屬離子將與熔鹽中的大半徑堿金屬離子發(fā)生互擴散和交換過程。例如，將玻璃基板放入硝酸鉀等熔鹽中進行保溫，可使玻璃中的鋰離子（Li+）或鈉離子（Na+）與熔鹽中的鉀離子（K+）進行交換，由于K+的半徑大于Li+和Na+，因此，可以利用Li+、Na+和K+體積上的差異在玻璃表層形成嵌擠壓應力，從而使玻璃的強度得以提高。自2007年蘋果公司第1代智能手機問世以來，其采用超薄玻璃，用一步離子交換法進行化學增強后作為手機面板或蓋板的研究已有較多報道。通過一步離子（擴散）交換法對手機玻璃進行強化處理，已在生產(chǎn)中應用；研究表明，采用兩步離子交換法可以優(yōu)化玻璃表面應力分布，從而能夠更有效地提高玻璃的抗沖擊強度[9]。

在執(zhí)行材料擴散實驗教學時，實驗前，通過網(wǎng)絡課程讓學生查閱有關離子交換增強手機玻璃蓋板和面板的相關文獻，使學生充分了解和理解通過離子擴散/離子交換法提高手機玻璃機械強度的理論原理，從而激發(fā)學生對材料擴散實驗的興趣，并使其對實驗動手操作有一種期待感。線下實驗過程中，教師通過介紹相關科研項目“離子擴散增強牙齒修復用二硅酸鋰微晶玻璃”的研究成果，促使學生進一步理解離子擴散理論在新材料研究開發(fā)中的重要性，即除了K+替換Na+（或Li+）可以使玻璃的強度得以提高外，Rb+（或Cs+）替換玻璃中的K+同樣會在較大程度上提高玻璃的抗折強度。圖2為通過Rb+和Cs+交換牙齒修復用二硅酸鋰微晶玻璃中K+的實驗結(jié)果[10]，可以看出，當離子交換時間為4 h時，用Rb+/Cs+交換K+可使微晶玻璃的抗折強度達到最大值。

三? 以學生為中心的網(wǎng)絡實驗課程輔助教學

疫情期間，線上線下混合式教學受到教育部和各高校教師的極大重視。以學生為中心的線上線下混合式教學更有利于調(diào)動學生的學習積極性和參與度，有助于培養(yǎng)學生的思考能力、總結(jié)表達能力和分析問題能力。在目標導向和一流課程建設引領下，教學團隊對無機材料基礎實驗進行了網(wǎng)絡課程建設和線上線下混合式實驗教學研究，實踐表明，采用“線上設計”“線下實訓”和“線上總結(jié)”相結(jié)合的實驗教學模式，對于培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才具有重要意義。

以“陶瓷結(jié)晶釉成核-晶體長大相變綜合性實驗”為例，該實驗內(nèi)容要求完成：配料、球磨、成型燒結(jié)制備陶瓷坯體；設計選定實驗所需釉料配方，進行配制、涂覆、干燥、燒結(jié)，觀察結(jié)晶釉的形貌，結(jié)合晶體成核與長大的相變過程，分析結(jié)晶釉在燒結(jié)過程中所發(fā)生的析晶過程及其機理。如圖3所示，整個實驗分為三大環(huán)節(jié)：①線上相關文獻查閱與實驗方案設計；②線下實驗操作與完成；③線上實驗結(jié)果總結(jié)與討論。

實踐結(jié)果表明，實驗前和實驗后，充分利用網(wǎng)絡課程資源，有助于發(fā)揮學生的自主學習能力和培養(yǎng)學生的總結(jié)、分析能力。實驗前，學生在網(wǎng)絡課程中完成分組，每組學生3～4人。第一個環(huán)節(jié)是實驗前的線上預習與實驗方案設計環(huán)節(jié)，課組教師首先在網(wǎng)絡課程中發(fā)布最新版本的實驗講義和2～3篇相關的科研案例文獻，并布置實驗方案設計作業(yè)。學生在閱讀老師發(fā)布的科研案例文獻基礎上，自主查閱最新的與實驗相關的科研案例文獻，并對實驗方案進行設計，以小組為單位撰寫實驗方案。第二個環(huán)節(jié)是線下實驗實施環(huán)節(jié)，首先，教師要求每組學生簡要匯報本組的實驗方案，并與老師探討，以對實驗方案進行微調(diào)和修正；實驗過程中，教師會隨時指導并引導學生注意思考實驗的關鍵步驟和影響因素，引導每組同學各成員協(xié)商完成各個實驗操作步驟。結(jié)果表明，在線上預習與自主設計實驗方案的基礎上，每位同學都能夠積極投入實驗，對實驗的每個環(huán)節(jié)和步驟都能認真思考，從而避免了實驗的盲目性和因不熟悉實驗造成失誤的現(xiàn)象發(fā)生。第三個環(huán)節(jié)是實驗結(jié)束后的線上總結(jié)討論環(huán)節(jié)，要求每組同學將實驗原始記錄進行整理，分析探討影響實驗結(jié)果的主要因素，并以PPT的形式將實驗總結(jié)發(fā)布到網(wǎng)絡課程的分組任務中。

與傳統(tǒng)的實驗教學相比，本實驗教學模式中增設了線上預習、線上實驗方案設計和線上實驗總結(jié)環(huán)節(jié)，由于要求每位同學都需通過網(wǎng)絡課程進行自主預習、查閱相關文獻和進行實驗方案設計，同學們對實驗的積極性和參與度大大提高，并且線上預習和線上總結(jié)環(huán)節(jié)有效解決了實驗課程時長不足的問題，同學們的用心實驗換來了理想的實驗結(jié)果，圖4、圖5為同學們實驗過程中制備的部分結(jié)晶釉產(chǎn)品的代表性照片，以及陶瓷結(jié)晶釉實驗線上分組任務完成情況截圖。

除了與結(jié)晶釉的配方有關外，陶瓷結(jié)晶釉的晶花大小和形貌與晶核形成、晶體長大過程密切相關，如圖6所示。同學們結(jié)合圖6中的基礎理論知識，對實驗結(jié)果進行總結(jié)分析，并將實驗總結(jié)發(fā)布到網(wǎng)絡課程中的分組任務中，同小組中的每位同學都可以進行編輯和發(fā)布總結(jié)。與此同時，每組同學會抽出一個最佳的實驗結(jié)果發(fā)布到網(wǎng)絡課程的討論話題中，各組同學可以根據(jù)自己所在小組和兄弟小組的實驗結(jié)果展開討論。線上實驗總結(jié)、討論環(huán)節(jié)既培養(yǎng)了學生的總結(jié)表達能力，又增強了其團隊合作意識，特別是，激發(fā)了同學們對無機材料專業(yè)和科研工作的的熱愛之情，以及為新材料發(fā)展和祖國強盛做出貢獻的決心和意志。

四? 結(jié)束語

創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)已成為我國人才培養(yǎng)計劃的一個主要目標。如何培養(yǎng)學生成為具有“創(chuàng)新意識、團隊合作、自主學習、分析問題和解決復雜工程問題”等綜合能力的高素質(zhì)創(chuàng)新應用型人才，是高校教師教學改革中必須思考的問題。在新工科建設背景下，結(jié)合材料學科發(fā)展前沿，融合教師科研成果的無機材料基礎實驗教學改革研究顯得愈發(fā)重要，而利用實驗課程網(wǎng)路資源進行線上線下相結(jié)合的實驗教學模式，對于培養(yǎng)學生的學習積極性、實踐能力和分析、解決問題能力具有重要意義。

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