基于创新创业教育理念的近代测试与表征技术教学改革

林浩伟,邢士博,江 傲,苗 蔚,李金玲,程文喜,彭 进

(河南工业大学 材料科学与工程学院,河南 郑州 450001)

创新能力是提升国家综合实力的重要战略支撑,而高等教育是培养创新能力的重要阵地。新材料作为高新技术产业发展的基础和先导,对加快我国经济发展方式转变、增强国防实力起着关键作用。近年来,材料科学的发展日新月异,其中对材料体系从宏观到微观不同层次的结构及性能表征起到了关键作用,而相关的测试表征技术是联系材料结构设计、生产工艺和性质特征之间的重要桥梁。

近代测试与表征技术目前在国内高等院校的高分子材料与工程专业广泛开设,作为一门重要的专业必修课,在讲授多种近代测试技术的基本原理、实验技术及应用的基础上,着重锻炼学生依据测试方法的功能和局限性,准确选择合适的表征方法,合理分析高分子材料领域的工程案例问题的能力[1]。

1 课程存在的问题

目前,近代测试与表征技术课程教学普遍存在以下问题：①教学内容陈旧,跟不上创新创业发展形势。而材料学科发展非常迅速,相关学科间交叉融合特明显,除了教材涵盖内容外,需要将前沿的学科知识补充进课堂教学,才能有效培养具有国际视野的专业人才;②教师授课方式单一,学生学习主动性有待提高。长期以来,课堂教学主要是以教师为主体讲授测试表征技术的工作原理,课程的应用性与实践性体现不足。随着信息技术的快速发展,与课程相关的视频动画等电子资源层出不穷,而教师需要充分利用网络资源,将新鲜生动的教学素材融入到课堂教学,增加课堂趣味性和互动性,有效调动学生的学习积极性;③教学内容重理论轻实践,与创新创业教育理念联系不够紧密。在多年的实际教学过程中,实验教学所占课时少,实验室设备陈旧,导致学生虽然学习了测试表征技术的理论知识,但缺少充分的理论联系实际的锻炼,造成学生实践动手能力严重不足,不利于学生运用所学知识解决复杂工程问题和创新创业实践能力的有效提升[2]。因此,开展基于创新创业教育理念的近代测试与表征技术课程教学改革与实践,对近代测试与表征技术的教学内容、教学方法与手段、考核方式等进行深层次改革,旨在使学生不但能更深入地理解基础知识,更能根据测试表征目的,灵活运用相关测试技术知识,多学科交叉融合,准确分析、解决复杂工程问题,在此基础上培养出符合现代社会发展需求,具有创新思维和创新能力的高素质人才。从以下几个方面进行了教学设计与实践。

2 教学改革与实践

2.1 对教学内容进行适时更新以创新创业思维与能力培养为导向

目前国内高校针对近代测试与表征技术课程选用的主流教材主要围绕典型测试表征技术的测试原理及其应用展开论述。表征手段主要包括红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱、差热分析法、差示扫描量热法、热重分析法、凝胶渗透色谱法、扫描电镜、透射电镜等。而这些教材多数已出版10年之久,其中的案例分析基本围绕传统材料的测试表征展开阐述,跟不上材料学科知识日新月异的更新步伐,不能有效调动学生学习的主观能动性和创新思维能力。因此,该课程需在现有教材知识框架的基础上,以创新创业思维与能力培养为导向进行适度的创新改革。引导学生在深刻理解测试原理及操作技术的基础上,通过自主查阅文献、归纳总结、小组讨论等方式将现有教学内容进行延展深化;然后通过师生共同分析探讨材料学科的发展态势,将与课程相关的最新研究成果融入教学过程,帮助学生讲理论基础与创新研究、工程应用融会贯通,从而为学生的创新创业思维与能力培养提供坚实基础。例如,在介绍传统高分子材料的结构特征及测试表征技术的发展历程基础上,引入一些近年来备受关注的研究热点,如石墨烯、钙钛矿、钠离子电池、碳纳米管等热点材料的分子结构、制备改性技术及其在柔性显示屏、海水淡化、新能源电池、光电探测器、气体传感器等领域的应用。在完成教材内容讲解后,介绍一些具有我国自主知识产权热点材料的研究进展,如新型碳的同素异形体石墨炔的制备及应用,石墨烯的宏量制备及产业化应用等。

2.2 对教学方法进行合理改善

传统教学模式中近乎灌输式的教学方式往往使学生感到枯燥压抑、睡意渐浓,抑制了学生创新思维的培养。

①探索以“学”为中心的课堂教学新模式,将学生作为课堂的主体,彻底改变传统的填鸭式教学。

②将教学内容进行分级。为提高课堂时间的利用效果,将测试表征技术的基本原理、仪器结构及重要应用布置为课前预习任务,从而释放出大量的课堂教学时间,以方便教师围绕重难点进行充分讲解,同时使学生根据预习情况带着疑难问题进入课堂有侧重地学习,从而有效提升课堂学习效果。

③丰富教学手段。将常规的教学手段与在线课程、慕课、雨课堂等信息化教育教学手段相结合,进行线上线下混合式课程建设及教学改革,有助于充分发挥学生的学习自主性,提升学生的创新思维与创新能力。利用超星学习通平台,建设了近代测试与表征技术在线课程,把每个小节涉及的重要知识点录制成10 min左右的视频,方便学生进行课前预习和课后复习;对每章节的教学内容设立题库,利于学生及时通过练习加强对理论知识的理解和消化;另外,通过在线课堂设置一些前沿材料结构表征讨论活动,鼓励学生调研相关材料的研究进展,在课堂上分组以PPT形式进行讲解,引发学生如何利用所学测试表征技术解决问题的思考,激发学生的创新思维,提高学生解决复杂工程问题的能力。

2.3 对考核方式进行深层次改革

考核是检验学生学习效果的重要环节,根据课程实际调整了课程考核评定方式：期末成绩占比降为50%,平时成绩占比30%,实验成绩占比20%。①平时成绩包括学生课堂表现情况、学习通平台的视频学习及章节测试、线上线下作业等内容。②在期末考试题目设置中,取消沿用多年的名词解释题型,增大综合设计应用题型占比,同时强调题目要结合具体的材料结构表征案例设置,需要具有适当的交叉性和复合性,从而引导学生围绕知识点进行散发式、深层次及多角度的创新性思考和有益探索。另外把1/4的学时设置为课内实验,一方面利用学院实验室分组开展红外光谱、热分析(DSC和TG)、扫描电镜的线下实验;另一方面利用虚拟仿真实验平台,开展凝胶渗透色谱、透射电镜和核磁共振谱等线上实验,使学生通过线上线下相结合的实践环节,强化对测试表征原理的理解,提升对其在高分子材料结构表征中应用的认知。通过一系列的考核改革,促使学生从被动接受知识向主动探索知识转变,在扎实掌握测试原理、操作技术及重要应用的基础上,能根据测试目的对多方面的知识进行分析、比较及融合,有效提升学生的解决复杂工程问题能力和创新能力。

2.4 衔接大学生创新创业训练计划项目和学科竞赛

结合国家和学校的“大学生创新创业训练计划项目”“互联网+大学生创新创业大赛”和“全国大学生挑战杯课外学术竞赛”等创新创业活动的申请和实施,近代测试与表征技术课程与这些计划项目和竞赛可以很好地衔接,学生利用该课程学习的材料结构表征方法的原理和应用,在新结构、高性能材料的设计开发过程中起到了关键作用,可有力地促进这些创新创业项目的申请和顺利实施。

3 结语

近5年,我校高分子材料与工程专业的学生陆续荣获“全国大学生挑战杯课外学术竞赛”国家二等奖及河南省特等奖、“互联网+大学生创新创业大赛”河南省一等奖,获批多项河南省大学生创新创业训练计划项目。同时这些高质量的创新创业项目也成为近代测试与表征技术课堂教学的典型案例,有效地形成了“学习—探讨—应用”的良性循环。

针对近代测试与表征技术课程长期存在的教学内容陈旧、授课方式单一以及重理论轻实践等突出问题,本文以创新创业思维与能力培养为导向,首先与时俱进,紧密联系材料科学的前沿发展动态更新教学内容,有效激发学生的学习兴趣和探索创新思维;同时结合新时期学情特征,充分利用多媒体技术革新教学方法,切实提升课堂学习效果;另外,以“重视过程,全面考核”的课程成绩评定方式引导学生从被动接受知识向主动探索知识转变,以能力考核提升学习主动性;此外通过衔接大学生创新创业训练计划项目和学科竞赛,促进学生将理论知识更好地应用于新材料新技术的开发,实现生动教—主动学—灵活用的良性循环。