如何基于科学研究促进本科教...化学》本科教学中的应用为例_吕天帅.pdf

2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 213 如何基于科学研究促进本科教学如何基于科学研究促进本科教学 以长余辉发光材料研究在无机化学本科教学中的应用为例以长余辉发光材料研究在无机化学本科教学中的应用为例 吕天帅(华侨大学，发光材料与信息显示研究院，材料科学与工程学院，福建 厦门 361021)摘 要目前，国内大学本科生教学与科学研究具有较大的脱节。如何利用科学研究来促进本科生对基础课程知识的理解与掌握是当前一个亟待解决的难题。本文将建立起本科生对基础课程的学习与前沿科学研究相互联系与促进的关系。首先，在本科课程无机化学授课的过程中，任课教师对科学研究成果与课程基础知识的相关性进行分析，得出并分享科研成果与基础知识相联系的实例，从而让学生对基础知识有一个深刻的理解并产生主动学习的兴趣；此外，组建本科生科创团队，让本科生利用业余时间参与科创课题的研究。通过科学研究与本科教学的充分融合，将会促进本科生深入理解基础课程的知识，提升本科教育质量。关键词本科生教学质量升；科学研究与教学结合；长余辉发光材料；无机化学；大学生创新 中图分类号G4 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)06-0213-03 How to Improve the Undergraduate Teaching Quality by Combining Academic Research Outputs:An Example of Improving“Inorganic Chemistry”Teaching Quality by Using Afterglow Phosphor Research Outputs Lyu Tianshuai (Institute of Luminescent Materials and Information Displays,College of Materials Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)Abstract:Currently,academic research results are often not used in undergraduate teaching process in China.Therefore,it is a difficult issue that how to improve the study and the understanding of basic knowledge in courses for undergraduates by combining academic research outputs.This work will demonstrate that there is an interassociation and mutual promotion relationship between undergraduate teaching quality and the academic research outputs.Firstly,during the teaching process of for undergraduates,the teachers should try to establish the relationship between the academic research outputs and the basic knowledge in lectures,leading to good examples.Then,the students can better understand the basic knowledge by leaning these examples and then the students will have more interest in learning and in science.Secondly,the teachers should establish an“undergraduate research team”and students who have interest in science can join this team to carrier out some simple experiments in their spare time.In a word,the underground teaching quality will be improved by well combining the academic research outputs and the basic knowledge in lectures.Keywords:improving the quality of undergraduate teaching；the combination of academic research outputs and the basic knowledge；afterglow phosphor；inorganic chemistry；undergraduate innovation 1 前言前言 与中学的教育相比较，高等教育的一个比较大的区别在于其具有学术研究的活动。在一般的本科大学中，教授们不仅需要开展科学研究，还需要完成本科教学的基本任务。在当前的绩效评价体系中，科学研究受到了极大的重视，而基础课程教育受到了忽视。大部分老师只是完成了最基本的本科教学任务。通常老师缺乏科研与本科教育二者之间关系的思考。因此，国内大学本科生教学与科学研究具有较大的脱节。在文献1中，基础授课与科学研究的关系被简要概述。其经历了从分离到相互结合与相互促进的发展阶段。在第二次世界大战之后，大学为社会的进步与发展提供了极大的帮助。然而，随着时间的推移，大学逐渐提高了对科研成果进行数字化的绩效评价。这使得科学研究与基础本科授课之间的矛盾逐渐激化。综上，如何利用科学研究来促进本科生对基础课程知识的理解与掌握是当前一个亟待解决的难题。这也是达到“穷理尽性”的大学目标需要解决的问题。在当前的高等院校的化学类教学中，无机化学是一门重要的基础化学课程。其是帮助本科生构筑基础化学知识的一门课程2。该门课程主要抽象地解释一些化学方面的概念、公式和定律。特别地，其开设在本科一年级的上学期。本科生刚进入大学学习，还非常缺乏大学课程的学习方法。由于高考改革的原因，有一部分同学甚至没学过高中基础化学知识。这就导致了同学们较难理解与记忆 无机化学 中抽象和枯燥的定律和概念。为了解决以上的问题，部分研究人员初步探索了本科教学与科学研究的融合。在介绍物理化学中表面张力相关课程内容时，可引导学生自主查询重金属离子分离的相关中英文文献3。通过这种锻炼，可加深学生对基础知识的理解以及提高其学习的自主能动性。在物理化学的教学中，可添加科学小故事以及生活常识等内容把枯燥的概念和定律变得容易理解4。此外，通过培养学生对学习的兴趣也可促进教学质量的提升5。然而，如何利用科研成果来促进本科的教学还未开展深入研究。本文将探讨如何结合科学研究成果来促进本科课程教育质量的提升。2 利用科学研究结果实例启发学生自主学习利用科学研究结果实例启发学生自主学习无机化学基本知识的兴趣无机化学基本知识的兴趣 兴趣是能够保持长期持续学习的助推剂。如何让学生长期对知识充满学习的兴趣是一个重要的课题，这对提升本科生教学质量具有重要的意义和价值。工作在科学研究一线的教师每天都与研究相伴。老师们通常都具有丰富的研究成果。老师们需要做的就是思考这些科学研究成果与基础课程知识点的相关性。当二者具有非常紧密的联系时，老师们可以把这些联系点归纳并总结为例子。在本科生基础课程授课的过程中，把这些例子恰到好处并充分的讲解给同学们听，从而激发同学们的好奇心、学习的兴趣并促进对课本基础知识点的理解。无机化学第一章物质的状态的 1.3 节是关于固体的介绍。固体包括离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。这些抽象的概念同学们较难理解和区分。因此，可以结合科研实例进行说明。笔者研究的是无机固体发光材料，比如具有长余辉发光特性的LiTaO3:0.004Bi3+就是一种离子晶体6-8。可以把这种合成好的收稿日期 2022-09-07 基金项目 国家自然科学基金(12104170)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(ZQN-1023)和华侨大学人才引进经费项目(21BS106)资助 作者简介 吕天帅(1989-)，男，贵州安顺人，博士，讲师，主要研究方向为稀土离子掺杂光存储材料的基础理论与运用研究。广 东 化 工 2023 年 第 6 期 214 第 50 卷 总第 488 期 发光材料带到教室给同学们观看，并简绍这种材料的合成方法和光学特性，从而可以加深同学对离子晶体的理解和加深学习的兴趣。无机化学第三章的 3.2.2 节是温度对反应速率的影响。通常反应温度提高时，反应的速率就会大大增大。为了加深同学们对该知识点的理解，可以列举实验室是怎么合成LiTaO3:0.004Bi3+长余辉粉末材料的。实验发现，当合成的温度较低时，化学反应的速率较慢，这会导致 LiTaO3:0.004Bi3+离子晶体的晶体较小，从而余辉发光较弱。在相同的反应时间内，当提高大约 300 度时，化学反应的速率会提高很多，从而导致 LiTaO3:0.004Bi3+离子晶体生长的比较大，从而余辉发光较强。因此，在有限的时间内，可以通过优化合成的温度来获得发光强度较高的样品。通过以上的案例讲解与分析，同学们大大加深了温度与反应速率关系的理解。无机化学第四章是关于原子结构与元素周期系的知识，其中 4.2.1 节是关于玻尔理论。玻尔理论是与电子在不同能级之间跃迁并发光有关系。为了让同学们深入理解并对玻尔理论产生兴趣，可以介绍图 1 所示的作者所使用的热释光设备及其原理。图 1(a)给出了这种热释光设备的工作原理，即热激励的发光是怎么实现的(类似于玻尔理论中涉及到的发光现象)以及怎么探测出样品所发出的光子强度。图 1(b)给出了实验室中一个具体的热释光设备。通过上述例子的讲解可以加深同学们对玻尔理论电子跃迁与能级发光的理解。无机化学第五章是化学键与分子结构，其中 5.3.2 节是关于能带理论。LiTaO3:0.004Bi3+长余辉发光材料的发光原理就涉及到了能带理论。在讲解能带理论时，可以介绍一下长余辉发光材料的原理，从而可以激发同学们对科学的兴趣。综合以上所述，通过分享与课程基础知识点密切相关的科研实例可以激发同学们学习的兴趣，加深对知识点的深刻理解，甚至可以激励优秀本科生为国家的科学研究事业做出积极的贡献。图图 1 (a)热释光表征技术原理及其热释光表征技术原理及其(b)设备示意图设备示意图 Fig.1 (a)The mechanism of the thermoluminescence(TL)technique and(b)illustration of a TL facility 3 利用科创课题促进学生对无机化学知识的利用科创课题促进学生对无机化学知识的理解与运用理解与运用 为了促进学生对基础课程知识的理解与应用，作者认为应该利用好大学生科创课题。在参加科创课题的过程中，学生可以学到各种材料相关的基础知识，学生也可以巩固和利用无机化学课程中学到的基础知识点，具体的分析如下。3.1 实验背景 长余辉发光是一类光存储材料。在高能射线或紫外光激发时，产生的自由电子与空穴可以存储于材料点阵缺陷之中。当激发光源停止时，存储于缺陷中的电子或空穴在物理刺激，如热 或 光 激 励 时，可 以 被 释 放 出 来 进 行 复 合 而 发 光。LiTaO3:0.004Bi3+离子晶体就是一种典型的长余辉发光材料。长余辉发光材料在防伪、信息存储、X 射线成像等领域具有广泛的应用前景。本节将以 L