基于创新实践能力培养的材料专业基础实验教学改革探讨

刘敬肖+史非+姜淑文+王志强+刘贵山+刘素花

摘要：为了无机材料专业创新能力和应用型人才培养的教学改革能够有效推行，本文分析探讨了基于创新实践能力培养的无机材料专业基础实验教学改革思路及其实施办法，强调了科研实例和虚拟仿真以及立体化实验教材在创新实践能力培养中的重要作用，对于推动材料专业基础实验教学改革以及培养具有创新、实践能力的应用型人才具有较好的指导作用。

关键词：创新实践能力；材料专业；基础实验；教学改革；立体化实验教材

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）20-0278-03

当前，党中央、国务院高度重视创新创业人才培养，在国家“大众创业、万众创新”的号召下，基于创新实践能力培养的材料专业基础实验教学改革具有重要意义。辽宁省《关于推动本科高校向应用型转变的实施意见》中明确了本科高校向应用型转变的指导思想，要求高校培养应用型人才，增强学生就业创业能力。材料是工业的基础，也是各个领域科学技术进步的基石。材料类专业学生不但要掌握材料的制备、结构、性能和应用效能之间相互关系理论及其相关技能，而且，还要具备创新性思维、实践动手能力和研究能力。而无机材料科学基础及专业基础实验是培养学生创新实践能力的重要课程，也是学生日后从事新材料研究与开发的重要专业基础理论和实践课程。因此，为使无机材料专业创新能力和应用型人才培养的教学改革有效推行，本文结合大连工业大学无机材料专业基础理论课程和实验教学的目的和特点，分析探讨了基于创新实践能力培养的无机材料专业基础实验教学改革思路及其实施办法。

一、专业基础实验教学改革的重要意义

在无机非金属工程材料专业的教学过程中，“无机材料科学基础”理论课程及其相对应的“无机材料基础实验”在培养大学生创新思维和实践动手能力中发挥着重要作用。无机材料科学基础是无机非金属工程材料专业中一门理论性强、概念抽象、知识面广的专业基础课程。近年来，无机材料科学基础已经建立了课程教材、实验指导书、视频课堂、知识题库、多媒体教案等一系列教学方法和多媒体教学形式，并且在教学实践中取得了较好的效果，课程也成为辽宁省专业精品课程。2014年大连工业大学无机非金属材料工程专业在辽宁省专业评价中综合排名位居省内同类专业第2名，2015年获评辽宁省无机材料实验教学示范中心，这是本专业不断探索专业基础实验教学改革的成果体现，也是大连工业大学多年来重视大学生创新思维和实践能力培养目标的成果体现。

然而，随着科学技术和知识层次要求的进一步提高，尤其是新材料品种的日益发展，传统的平面知识和简单的模拟逐渐不能适应培养创新和应用型人才的要求。基于此，为了更好地发挥精品课程的作用，教研组积极探索新的无机材料专业基础实验教学思路和教学模式，力图结合专业发展、学科方向调整、就业形势需要和创新创业训练等不同要求，进一步提升专业基础实验教学效果，使学生真正掌握专业基础理论知识的精髓，提高其动手实践能力和分析问题、解决问题能力，并使其在技术实践过程中具有创新性思想。因此，对无机材料专业基础实验进行有效的教学改革，对于培养具有创新思想和实践能力的应用型人才具有重要意义。

二、专业基础实验教学改革的具体举措

无机材料专业基础实验教学改革的基本思路是，紧密围绕教育部提出的创新创业教育和辽宁省提出的应用型人才培养的战略部署，根据无机材料专业基础理论知识体系的构成和特点进行相应的实验教学改革。具体举措如下。

1.用科研实例提升实验教学效果。无机材料科学基础课程内容涉及了无机材料的制备、组成、结构、性质和应用效能的基本理论问题，主要包含4个模块：（1）无机材料微观结构理论知识模块：主要内容为材料结构基本知识，例如晶体结构基础、晶体结构缺陷和固溶体等；（2）无机材料表面与界面知识模块：主要内容为固体表面与界面以及浆体的胶体化学原理等；（3）无机材料热力学模块：主要内容为熔体和相平衡、相图等；（4）无机材料高温动力学模块：主要内容为扩散、相变、固相反应和烧结等基础理论[1-5]。

为了让学生真正理解和掌握专业基础理论知识，在实验教学中，教师要注重将科研和生产实例融入到基础理论的讲解中，特别是教师自身的科研实例往往会引起学生的极大兴趣和学习动力。例如，在讲授晶体结构缺陷内容时，一方面通过比喻、类比法等介绍晶体通过热振动产生的本征缺陷以及通过杂质原子掺杂、取代产生的非本征缺陷；另一方面，通过介绍具体的科研实例来形象地说明由于杂质引入而产生缺陷的机理及其对材料的影响，如教师正在进行的钛酸钡基热敏陶瓷的研究，就是由于La3+掺杂和取代部分Ba2+，使材料微观结构中产生缺陷和载流子，从而获得室温能够导电的低电阻钛酸钡陶瓷；而Mn2+的掺入又会因晶界的改变而使其达到良好的热敏电阻效应。教师对某种新材料在研究中遇到的问题及其涉及到的相关理论知识的介绍，常常会使学生产生一种豁然开朗的感觉：噢，原来专业基础理论知识在材料研究中起到如此重要的作用。这样可使学生深刻地体会到，只有学好专业基础理论知识才能产生创新思想，提高分析问题和解决问题的能力，进而研究和发明一种性能更好的新材料。在一个个科研实例的穿插讲解中，学生不但很轻松地深刻理解了相关的专业基础理论知识，而且还提高了学好无机材料专业基础理论知识的兴趣和动力。

2.通过虚拟仿真促进实验教学。在无机材料专业基础理论教学中，晶体结构和缺陷部分是学生感到最抽象、最难学的内容。为了让学生充分体会材料晶体结构对材料性能的重要影响，课堂上教师可通过模型、动画举例、类比法加深学生对基础理论知识的理解；同时，在实验教学中，还可通过增加对晶体结构的虚拟仿真实验，让学生在电脑上自行组装晶体结构，使其充分理解晶体密堆积原理、立方结构、六方结构和四方结构的不同以及其他有关晶体结构的理论知识。

无机材料晶体结构虚拟仿真实验不仅可以展现不可视的晶体结构或原子排列原理，而且对于培养学生自主学习、自我训练及创新意识具有重要作用。目前，虚拟仿真实验已成为实验室建设的一个重要發展方向[6]。

3.通过创新性和研究性实验加强创新实践能力培养。在无机材料专业基础实验教学中，应始终把创新思维和实践动手能力的培养目标放在首位。构建多层次、模块化的实验课程体系，特别是加强综合设计性实验和研究性实验的建设[7]。高级应用型人才的培养目标，要求学生必须具有系统的专业基础理论知识和很强的创新能力和实践动手能力[8，9]。近几年，教研组教师在响应国家培养大学生创新精神和实践动手能力的号召下，相继开设了一系列的专业基础综合设计实验教学内容，例如涉及到相变以及成核和析晶理论知识的“陶瓷结晶釉的综合设计实验”和涉及到缺陷和扩散知识的“掺杂钛酸钡功能陶瓷的综合设计实验”等，在培养学生实践动手能力方面取得了显著成效。为了进一步培养和提高学生的实践动手能力，培养应用型人才，教师还要在实验教学中增加更多有利于培养学生创新精神和实践动手能力的科研创新性实验，提高其分析问题和解决问题的能力。

综合设计性实验和研究性实验对于促进学生创新精神和实践能力的培养起着重要作用。在材料结构与性质关系的实验教学中，除了通过虚拟实验仿真使学生理解、掌握和巩固相关理论知识基础外，还要让学生亲自动手组装一些最新功能材料的晶体结构，使学生在学到基础理论知识的同时，还能掌握材料领域最新的技术发展动态及其相关理论。例如，钙钛矿结构、钨青铜结构和尖晶石结构是目前新型功能材料研究中经常涉及的晶体结构，它们在光催化材料、电子功能陶瓷和其他新材料领域中发挥着重要角色。其中，具有较高实际应用意义的钨青铜结构材料，在制备过程中，微观结构的空穴中会由于进入不同直径的金属离子，导致材料的晶体结构、晶面指数等参数发生较大的变化，直接影响到材料的光学、电学等宏观性质，而这些微观变化仅仅通过平面文字描述及简单的多媒体模拟很难做出全面系统的描述。这一点，在教学实践中我们深有体会，学生往往更愿意看得到和摸得到这种材料，如果能够自己组装这种材料的晶体结构就更有效果了，用“身临其境”表示这种情况可能更恰当些。因此，鼓励学生尝试用基本单元“原子”为骨架自己搭建出材料的微观结构，能够促使学生更快明白这种材料的结构与性能的相互关系理论。

在加强学生创新精神培養方面，还要力争每个实验内容都涉及到一种新材料的制备及应用，使所涉及的材料制备过程及性能测试能够充分利用到无机材料专业基础理论知识。也就是说，在新材料的制备过程中，要让学生充分体会课堂学到的基础理论知识在实验和新材料制备中的体现，增强学生的学习兴趣和动力。在此基础上，进一步让学生自己设计新的实验过程，培养其创新精神和实践能力。

4.努力建设立体化实验教材。立体化实验教材体系的建设是实验教学改革中注重培养学生创新精神和实践能力、培养应用型人才的有力保证[10]。针对无机材料专业基础实验立体化教材建设，教研组将从完善实验内容、电子课件和网络课程三个方面入手：（1）在实验内容方面，进一步完善实验内容，增加基础理论知识与实验内容及新材料应用之间相互关系方面的介绍，让学生对所要进行的实验有一个全面的基础理论知识框架及其在实际科研、生产中的应用背景的认识，以此促进学生对理论知识的掌握和提高实验的兴趣和动力。（2）在电子课件方面，通过制作动画、拍摄视频等，制作生动形象的电子课件，使学生对所要用到的实验仪器和操作步骤有一个完整的了解和掌握。（3）进行实验网络课程建设，使学生通过实验网络课程，可完成实验原理预习、操作步骤预习、实验重点与难点、思考问题、在线讨论、辅导答疑和文献资源下载等几方面内容。通过实验网络课程的开设，学生对实验的自学、预习、复习和总结突破了传统的时空限制而变得轻松灵活，为真正的动手实践奠定了坚实的基础。

三、结语

随着经济技术的快速发展，材料在电子、信息、生物、环境等科学技术发展中的作用日益显著。许多新产品的开发和新技术的进步，都依赖于材料的改进和新材料的研发。材料专业基础实验教学在培养大学生的创新思想和实践能力方面发挥着重要作用。实验教学不再单单是为了增强和巩固专业基础理论知识，而且，更为重要的作用是通过实验环节培养学生的创新性思维和实践动手能力，培养学生分析问题和解决问题的能力。将实验教学与教师的科研项目和成果相结合，会大大提高学生对基础理论知识掌握和科学研究的兴趣和动力；而实验仿真和立体化实验教材有助于进一步提高专业基础实验教学效果，使学生都能成为具有创新精神和实践能力的应用型人才，从而满足社会对相关领域的人才需求。

参考文献：

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