《材料合成与制备》课程教学设计与探索-

《材料合成与制备》课程教学设计与探索*马艺函，谭轶璇（中南民族大学化学与材料科学学院，湖北武汉430074）材料是人类赖以生存和发展的物质基础，被视为社会文明进化的重要标志，是当代文明的三大支柱之一，人类社会的进步和发展离不开各种新材料的不断涌现。材料的合成与制备技术则是对微观原子和分子的合理操纵，使之互相结合并最终转变成为具体功能用品的一系列连续过程，是研发新材料和新器件的核心，也是提高产品质量和经济效益的关键。《材料合成与制备》作为材料化学专业一门重要的专业必修课，是合成与制备-组成与结构-性能-使用效能“四面体”知识体系中的基础环节，对学生后续知识的衔接、综合能力和思维方式的培养至关重要［1］。在教学过程中，需紧密联系材料科学发展的热点和趋势，深度融合现代信息技术，拓展课程的专业性和实践性，淘汰水课，打造金课［2］,适应本校材料化学专业国家级一流学科建设的发展需求。整个教学过程，需要坚持知识、能力、素质三位一体协调发展，理论和实践相结合、动手能力与创新能力并重，激发学生的求知欲，提升学生的自主学习能力，培养学生的科学思维和创新意识。基于此，笔者从课堂教学模式、课后实践环节和课程考核等方面提出了以下几点思考和探索。1转变教学理念，构建课堂教学新模式《材料合成与制备》课程围绕现代材料制备的基础理论和相关方法技术展开，涵盖金属、无机非金属、高分子材料等传统工程材料，以及单晶、非晶、薄膜和纳米材料等新型材料，涉及到多学科的交叉渗透，兼具专业性、应用性和前沿性［3］。但这些内容繁多且分散，章节之间欠缺明显的联系和规律性，授课时不能面面俱到，同时部分合成机理和工艺方法仅凭抽象的文字描述不能给予学生充分的感性认识，学习和理解的动力不足，达不到良好的教学效果。因此，教师在教学中要针对重点内容，从材料合成的科学性和理论性入手，以典型的应用案例和科研成果为引导，利用图片、动画和视频等多媒体手段详细介绍材料合成过程中的反应原理、制备方法、生产仪器、影响要素和应用前景等，并启发学生参与讨论和思考，大胆发挥想象力，深刻理解材料结构、制备工艺和性能之间的关联性，最终形成完整系统的知识脉络。例如，在介绍薄膜材料的制备时，以时下火热的手机折叠OLED屏为引例，引导学生联想之前学过的哪些合成方法适用于制备薄膜材料，如真空蒸镀、化学气相沉积和溶胶-凝胶法等，三种方法的侧重点有哪些差异，并充分调动学生的积极性，鼓励学生思考大尺寸OLED屏的制备工艺和相应的技术难点，从而认识到所学知识与实际生活息息相关，更好的理解和掌握所学习的内容，培养学生解决实际问题的能力。同时，由于当今社会高新技术的发展日新月异，许多具有优异性能和特殊功能的材料及其制备方法也在推陈出新，这里面既包括传统材料,也包括新型材料，二者互相推动甚至还可以相互转化。因此，照本宣科式的按照单一课本教学是无法满足材料合成与制备这门实践性很强的课程。在教学内容中，介绍某种材料时可穿插本校老师的相关研究进展和最新成果，这有利于学生更好地了解本专业的前沿知识、新材料和产业发展趋势［4］。例如，在讲述传统高分子材料环氧树脂的合成方法时，我们介绍了本院张道洪教授在超支化环氧树脂取得的一系列研究成果。利用硫醇-烯烧点击反应制备的超支化环氧树脂，由于独特的树枝状结构、分子间缠结点少和大量的官能团，相较于传统的环氧树脂，其具有分子量高、黏度低、反应活性高和增强增韧的优点。基于此，张教授通过建立校企技术研发中心，设计并开发了适用于风力发电机组的绝缘超支化环氧树脂，具备优异的贮存稳定性、潜伏性固化促进剂、耐高温、无溶剂等性能，并成功替代进口相关产品，占据国内30%以上的市场。此外，他们最近在超支化环氧树脂结构中引入可降解的六氢均三嗪分子，实现了高性能环氧树脂的循环回收利用，为设计和合成可降解热固性聚合物及循环利用提供了新思路和途径。这些新知识的补充和新信息的冲击不仅激发了学生的极大兴趣，而且激励他们认真学习专业课程，极大地提升了后续参与行业未来研究工作或考研深造的积极性。此外，充分利用学习通等在线学习平台，丰富教学内容，优化课堂管理，掌握学生的学习动态，引导学生自主学习。任课老师自身每天就会追踪《科学》、《自然》、《德国应用化学》、《美国化学会志》和《先进材料》等国际顶尖杂志在当前材料领域的科研成果，以及查阅中国知网、新材料在线和X0M-L等科技知识平台的资讯，将获取的相关信息整合重构后统一推送给学生，学生可以利用碎片化的时间阅读学习,发散思维，并与老师反馈沟通。同时在线上平台发布课程学习任务,学生完成相应的章节学习后方能进行作业和习题的解答。教师提前对学习平台提供的数据进行功能定位并汇总学生的问题与诉求，在下一次的线下教学中集中解答。这一方面可以促进学生课后自主学习，提高创新思维活跃度，加深对课程理论概念的理解及实际应用，同时有利于教师选择性地将科研思想、成果、先进技术理论和产业发展需求融入教学，并根据学生的学习情况及时调整和补充教学内容。2强化实践环节，增强学生学习的自主性《材料合成与制备》课程是在研究材料制备工艺技术及设计新材料的基础上，结合实际应用而开设的一门理论与实践并重的课程，应尽可能地为学生提供丰富的实践平台和科研条件［5］。课后实践是学生挥主观能动性，灵活运用课堂所学内容的一个重要环节。本学院配套开设的材料化学专业实验课，里面涉及球磨法制备纳米氧化钻、化学气相沉积法制备二氧化硅薄膜、超声法制备氧化石墨烯、沉淀法制备白炭黑及高分子的本体和悬浮聚合等。学生通过实际动手操作，观察实验现象，分析实验结果并探讨影响因素，更加深入具体地理解和思考相关知识点；若出现某些异常的实验现象或结果时，他们会更加投入和专注于理论课的学习，并主动与老师沟通交流，寻找解决问题的方法，拓展专业视野，最终实现知识的内化和迁移。此外，可以充分发挥本院本科生导师制度的优势，鼓励推动学生早进课题组、早进实验室参与研究工作，并将最新的科研成果及时转化,积极参加大学生创新训练计划、“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生化学实验创新设计竞赛、中国大学生高分子材料创新创业大赛和大学生化学（化工）学术创新成果报告会等。学生在掌握一定的材料制备理论知识的基础上，调研文献，设计合成某种材料的具体实验方案，与指导老师讨论可行性后，依据实验计划开展实验，记录实验过程及数据，分析实验过程中遇到的问题，探索实践并总结经验教训。笔者导师制名下的三名本科生在大一下学期就进入了实验室，依托本人的科研项目和大学生创新训练计划，以聚多巴胺修饰的碳纳米材料为研究体系，开展了一系列尝试。他们基于多巴胺在弱碱性条件下会自聚合的生物粘附效应，包裹碳纳米管后作为二级反应平台进一步引入功能性分子，制备合成了一种水溶性聚多巴胺衍生物，其具有高效的抗氧化损伤保护作用，在生物医药和化妆品领域具有潜在的应用价值。整个过程中利用了自由基聚合反应，迈克尔加成、席夫碱反应、水热法和溶胶-凝胶法等，这些制备方法的相关理论都在《材料合成与制备》课程中充分体现，不仅调动了学生的求知欲和创新精神，还可以全方位地锻炼学生实践动手和科研能力。3多样化考核方式，构建科学的考核评价体系课程考核是检验学生对课堂内容掌握程度、反馈学生学习情况的重要手段，也是教师制定教学策略、提升教学质量的关键，需要客观公平地反映学生对理论知识的理解及解决复杂问题的综合能力［6］。单一的闭卷考试容易使学生养成临考前突击复习和死记硬背知识点的不良习惯来应付考试，会降低学生平时学习的积极性和持久度，并且无法体现学生的自主学习和实践能力。基于此，本课程强调过程考核,把分组PPT展示、交流问答、实践技能和课后作业过程考核模块纳入评价范围，与期末考试各占比50%,实现知识传授、能力培养和价值塑造的有机融合。笔者在课程初始就发布小组任务，学生自由分组后结合自己的课外实践环节任意选择一种材料，在学期末以PPT的形式详细介绍其制备方法、性质及应用，老师和其他同学可以点评、提问和讨论，然后结合老师和小组自评成绩得到最终分数。整个过程中，学生通过自我探究和团队协作完成确定课题、探索研究、总结提炼及汇报答辩，课上学起来，课下忙起来，做到真学，真想，真领会。交流问答的考核分数则取决于课堂的主动问答次数，以及对线上学习平台推送的资料阅读和讨论情况，激励学生主动学习，巩固知识点并拓展知识的应用能力。利用线上教学平台打造试题库，不断实时更新，补充习题，课后及时发布作业，使学生随学随练，全面夯实理论基础。同时，期末试卷内容也做出一定调整，适当增加开放性主观题的比例，注重考察学生对知识的理解、重构和再创造的能力和高阶思维。通过构建多元化、全方位的考核评价体系，达到以考辅教、以考促学的目的，激发学生积极探索的热情，启迪学生的创新思维，提高学习的积极性和主动性。4结语“双一流”建设背景下，需要以立德树人为本，切实提高教学质量和