“一体两翼”内核赋能《材料制备化学基础》课程教学改革_刘辉.pdf

202302教学研究150Modern Chemical Research当代化工研究202302教学研究150Modern Chemical Research当代化工研究“一体两翼”内核赋能材料制备化学基础课程教学改革刘辉1 庞凌燕1 李军奇1 陈三平2 杨奇2 刘俊莉1（1.陕西科技大学 陕西 7100212.西北大学 陕西 710069）摘要：材料制备化学基础是一门材料类专业基础必修课，主要立足于热力学和动力学等化学原理，深入理解并熟悉化学合成的常用方法与技术，提升学生在科研训练和实践中分析解决问题的能力。本文针对材料制备化学基础的课程特点及痛点进行了教学分析，瞄准创新与应用，提炼“一体两翼”课程内核，优化学习方式，提升学生解决复杂工程问题的能力，该探索可以提升该类课程的教学质量，促进综合能力和素质的发展。关键词：材料制备化学基础；一体两翼；课程内核；创新能力；实践能力中图分类号：G642.0 文献标识码：ATeaching Reform of“Chemical Fundamental of Materials Preparation”Course Based on“One Body Two Wings”CoreLiu Hui1,Pang Lingyan1,Li Junqi1,Chen Sanping2,Yang Qi2,Liu Junli1(1.Shaanxi University of Science&Technology,Shaanxi,7100212.Northwest University,Shaanxi,710069)Abstract：“Chemical fundamental of Materials preparation”is a required professional course of materials majors,which is aimed at improving students ability to analyze and solve problems in scientific research training and practice with deep understanding and familiarity with common methods and techniques of chemical synthesis based on thermodynamics and kinetics of chemical reaction.So this article reported the reforms aimed at the innovation and practical application after a deep analysis of the courses characteristics and pain points,and refined“One body Two Wings”as the core of the course,and optimized the learning mode.This exploration can improve the teaching quality of this course and promote the development of comprehensive ability and quality.Key words：chemical fundamental of materials preparation；one body two wings；course core；innovation ability；practical ability材料合成技术反映一个国家的科技与工业水平，每一种新的材料设计与合成原理的提出、材料制备技术或加工工艺的出现都很可能伴随材料发展的一次飞跃，推动材料创新1。作为材料类“新工科”学生的基础必修课，材料制备化学基础课程是材料科学领域的一门重要学科基础课程，是新材料研究的必备理论基础，对于材料的合成原理和设计思路、功能材料的制备及表征、复合材料的设计与制备、界面化学修饰研究等领域的发展具有重要意义，是培养学生的工程思维和创新能力的最重要支撑。同时，随着科学技术的进步，各种新材料层出不穷，许多新材料也在不断发展中，其应用领域日益广泛，材料制备化学也在不断发展，是与现代科学联系最为紧密的基础课程之一。因此，材料制备化学是培育具有工程思维和创新能力的“新工科”人才的肥沃土壤2。1.材料制备化学基础的改革必要性及课程痛点分析随着“新工科”内涵的不断深化，以材料类为代表的工科教育教学理念、模式、内容、方法等已发生巨大变化3-5。材料制备化学基础必须从教育教学实际出发，让学生立足基础理论工具，掌握材料领域的新知识和新方法，具备一定的科研、创新能力。然而，在实践过程中该课程的实际效果与预期目标仍然存在一定的距离，究其原因目前存在如下两个方面的痛点问题：（1）材料制备化学基础与一流课程要求存在距离，课程内容有待更新。该课程作为新材料新技术的重要支撑点和落脚点，其课程内容是先进材料及制备技术的孵化器。然而与日新月异的材料技术的迅猛发展相比，当前的课程内容，立足较为传统的化学制备方法开展，面对飞速发展的科学进展，一方面课程内容略显陈旧，导致教学理念的实施受到掣肘，且各个内容模块之间联系松散，缺乏必要的科学内核铰链；另一方面，现有内容对能力的培养与产业实际需求存在脱节现象，缺失了科学理论到工程实际的连接。如何与时俱进地更新高阶性课程内容，增加课程任务的挑战度，是材料制备化学基础课程教学改202302教学研究151Modern Chemical Research当代化工研究202302教学研究151Modern Chemical Research当代化工研究革的最重要问题6-8。不仅如此，由于该课程更关注技术本身，忽视了课程的育人功能，因此如何提升材料制备化学基础课程内容的科学性、创新性、含金量和应用性？如何将课程育人与课程知识体系有机结合？这是材料制备化学课程内容改革亟待完成的重要任务。（2）传统的材料制备化学基础课程教学模式创新不足、难以全面支撑人才培养。材料制备化学基础的教学活动通常体现为重知识，教师更关注学生有没有理解本节课程的知识点，而忽略了设计科学的学习活动，借此锻炼学生的应用能力、探索能力和创新能力。即便经过初步探索，采用线上线下混合式教学，学生的学习积极性有所提升，学生将理论知识用于解决实际问题的能力仍然有较大欠缺，理论与实践之间的跨度没有明显缩小，这与“新工科”的能力要求仍存在差距9。因此，如何创新课堂教学模式，强化能力训练环节，全面支撑材料制备化学基础课程改革，是课程模式改革面临的重要难题。2.提炼“一体两翼”课程内核，优化课程内容为了更好地契合行业需求和研究需要，首先在相关行业进行了能力需求的调研。一方面，到相关院校材料类认证专业及本校所属工科专业及相关大型企事业单位进行调研，经过充分沟通交流，总结提炼出企业对纳米材料与技术专业要求的能力特点，调研结果指导教学内容改革，通过教学设计将能力指标要求编织进适当的课程内容和环节中；另一方面，通过对本学院各个专业学生进行问卷调查，考察学生个体对培养过程和能力需求的主观意向，充分听取学生主体的意见，采集所需相关原始数据，有针对性地进行具体实施方案的修改。在前期调研学习的基础上，将知识、能力、情感等目标分割成具体指标，巧妙编织进课程内容中。凝练课程体系内核，依托溶液法、固相法、溶胶凝胶法、水热溶剂热法、微波法、模板法、气相沉积法、机械剥离法、LBL法等众多先进科学制造方法与技术，打造一条“制备方法设计原则热力学原理动力学原理”+“科学前沿+工程实例”的深入浅出的“一体两翼”课程体系链（图1），深挖课程背后的科学内涵和研究前沿，突出与时俱进，有利于学生在学习过程中抓课程内核与规律，提升学习的科学性与系统性；对标“金课”的高阶性、创新性和挑战度的要求，在课堂内容中删除如“化学反应方向的判断”“系统内能”“化学反应速率”“催化剂的作用原理”“溶液法概念及操作”“高低温区间及获得方法”“水热合成一般步骤”等低阶性、基础性的内容，转而将上述基础内容录制成43节在线视频，依托学堂在线平台建设无机合成原理及技术MOOC课程，供学生有选择地进行自主学习。线上课程的建设为高阶性、创新性课程内容提供了更加充分的时间和空间。图1 材料制备化学“一体两翼”课程内容体系内核为了更好地加强对学生能力的培养，在“制备方法设计原则热力学原理动力学原理”这条主线的基础上，为其制定两个拓展提升方向，称之为“两翼”，即：科学前沿+工程实例。一方面，通过适时引入国内外最新的科学研究前沿、研究成果与研究理念，帮助学生更好地了解科学发展动向，拓展视野与思路，提升课程内容的创新性，通过将本校的科学研究成果与课程内容结合，实现科研反哺教学，同时立足研究内容，设定一定的自主探究的科学任务，设置合理的最近发展区，提升课程内容的高阶性和挑战度；另一方面，增加经典的工程案例，契合“新工科”学生的实践需要，通过学习经典工程案例，学生锻炼工程思维；设置第三课堂，即真实的远程工程场景，工程师在线抛出实际工程问题，学生尝试将理论知识用于解决真实的工程案例，提升课程的趣味性与挑战度，同时打通工科学生从理论上到实践的最后一公里。在该研究中，首先抓住材料制备化学基础课程改革载体课程内容作为切入点，重新划分知识模块，提炼逻辑内涵清晰、含金量高的“一体两翼”课程内核链条；引入科学前沿，设置合理的最近发展区，增加理论到实践的延伸，支撑学生自主探究，体验沉浸式学习。3.转变课程模式，建立四维联动混合式智慧课堂根据课程内容模块的不同，分配不同的课程模式。对于较为基础性，例如化学反应方向的判断、系统内能等基础概念、化学反应速率、催化剂的作用原202302教学研究152Modern Chemical Research当代化工研究202302教学研究152Modern Chemical Research当代化工研究理等内容整理成线上资源，主要利用第一维度的线上课程作为载体，供学生选择性自学。除此之外，教师还将课程的主线框架录制课程在线视频，方便学生把握课程架构，拓展学生学习维度。对于激光合成、等离子体合成、化学气相沉积CVD法等包含较多反应路径和态势的合成方法而言，科学理论和课程难度均较高，更多借助第二维度的线下智慧教室，在教师主导下，设置合适的问题梯度，建立适度的最近发展区，供学生完成教师指导下的分组探究式学习。例如，在激光化学气相沉积这一方法模块，从技术上条件出发，启发学生分组完成任务，思考关于反应过程、反应产物和反应物选取的原则：激光化学气相沉积技术是激光与CVD的联用，相比于单纯的激光和CVD，该技术的优势在于？激光和CVD技术的过渡区域体现在什么方面？制备产物通常会具有什么特点？对于该特点的产物，应当设计怎样的接收装置？反应物对激光具备怎样的响应特点？从给予的备选产物中选择一例，试用激光CVD设计合成路线。在上述细化问题的探究学习下，学生能激发出更多的主动性。对于科学前沿问题，主要依托第二维度的智慧教室完成，但形式略有不同，教师就某一技术热点发出任务，同学们根据小组的研究兴趣自行查阅科学研究资料，将符合该课题的科学研究前沿结果进行小组展示，展示过程除了要体现成果的先进性，还应该与课程的结构进行紧密联系，将研究的原理落脚到课程内容体系中，借此可以学生可以提升信息素养、锻炼科学的思维方法，形成严密的科学逻辑。根据课程内容的改革，针对实际工程案例，将采用远程工程现场作为第三维度的课堂。教师通过前期的交流与校企合作，与企业形成良好的共享关系，教师将工程中的实际问题进行凝练，链接到课程具体内容中，适时提供第三维度的工程课堂，抛出工程问题。例如在激光合成精细陶瓷粉末中，如何解决激光束聚焦强与反应产物均匀性的问题，学生从激光合成原理出发，分析在实际工程中的具体问题，提升其工程思维能力。为学生解决实际问题中提