科教融合背景下材料化学专业材料表征课程教学改革探索

＊杜锟 柏元娟 陈志彦

（中南林业科技大学材料科学与工程学院 湖南 410004）

前言

二十大报告指出，在迈向第二个百年奋斗目标的历史新征程上，我们要坚持教育优先发展、科技自立自强和人才引领驱动，因为科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。深入实施科教兴国战略、人才强国战略和创新驱动发展战略，教育、科技、人才三个基础性、战略性要素必须进行深度整合与强化，形成各要素之间三位一体融合发展的新格局[1-3]。高校历来是人才培养的主阵地，同时也是科研创新与应用实践的重要部门，充分发挥二者自身的职能特色并形成三全育人合力，是民族复兴之路上广大教育工作者的重要使命。

材料化学是一门理工结合的新兴交叉学科专业，注重在原子、分子水平对新材料的设计、制备、组成、结构和性能之间的影响关系进行探索和研究，其涉及的专业问题小到人民的衣食住行，大到国家的战略需求，是支撑国民经济高速发展的重要专业之一[4]。材料结构表征课程是我校材料化学本科专业的一门专业核心课程，其教学内容包括理论和实验两部分，专业知识点抽象且涵盖面广，理论性和实用性均非常强。本门课程的主要内容包括光谱分析、电子显微分析、热分析、X-射线衍射、核磁共振波谱等常见的材料分析测试方法，课堂教学涉及各类分析方法的基本原理、应用领域、仪器结构及操作过程。材料的组成、结构和性能三要素之间密不可分，任何新材料的开发和应用必然涉及对其结构和性能的表征和分析[5]。通过对本门课程的学习，能够强化材料化学专业本科学生对于专业知识的深度理解和综合运用，进一步培养和提高学生的创新精神与创新能力。

1.课程教学的现状及问题

材料结构表征技术是高等院校中材料类专业高年级学生的一门重要专业课程，也是现代材料工作者必须要掌握的一类重要专业性技术工具。材料设计、制备合成与功能应用的各个环节都蕴含着对材料微观组成、化学结构与宏观性能之间的深入理解和综合分析，因此本门课程的教学内容牵涉面广且实用性强，在近几年的实际教学过程中面临着不少问题，具体表现在以下几个方面。

(1)教学内容庞杂抽象，相互独立性强

材料结构表征的相关实验技术手段，随着经济社会的飞速发展，其自身也在不断地完善和更新，体现出鲜明的时代发展特征。现代材料分析技术基于实验探索的方式，完成对各类材料组成结构、物相特征、微观形貌和应用性能的全方位观察和分析，其理论教学内容涉及材料学、化学及物理等诸多学科的不同专业知识，需要学生具备一定的通识课基础和专业课背景。在具体教学过程中，各类表征分析技术的基本原理各具特点又相对独立，理论概念纷繁复杂且通常比较抽象，要求学生具备较扎实的结构化学基础知识。导致专业学生的学习难度较大且学习效果欠佳，各章节的理论知识点掌握不牢固，无法实现不同分析技术之间的有机联系，在实践运用过程中更是难以做到融会贯通和学以致用。

(2)教学方式传统单一，缺乏联系互动

目前，材料结构表征课程的理论部分仍是以传统的讲授教学为主，利用PPT展示作为辅助手段。虽然图片、视频等教学资源能够一定程度上提升同学们的学习兴趣，但是仍然没有脱离灌输式的教学模式。现代材料分析技术发展的多样性和复杂性，不仅需要学生具备更多的学科知识储备，也对专业教师持续补充和完善自身业务素养提出了更高的要求。单一的教学方式难以调动学生的学习主动性，同时由于理论课程内容抽象、教学学时紧张以及教学内容分散繁杂等特点，使学生在课堂学习过程中深感枯燥和压力，只能被动接受和不求甚解的对待教材中的各个知识点。

(3)教学仪器设备紧缺，难以满足需求

材料结构表征课程既强调理论知识的积累，也要求实验动手能力的锻炼，二者紧密联系、相辅相成。我校材料化学本科专业在本门课程中分别设置了48学时的理论课和16学时的实验课，而实验课程需要使用的仪器设备大多为现代化的高精尖型大型仪器测试设备，如扫描电子显微镜和核磁共振波谱仪等。此类设备由于价格昂贵且维护成本较高，通常是优先满足科学研究的使用需求，部分特殊仪器尚处于等待购置的空白阶段。这一客观现实是我国教学型高校所面临的一个普遍性问题，因此，针对大型材料测试仪器的实验实践课程，很难满足本科学生进行独立操作的实际需求，使得学生对不同仪器设备工作原理和操作方式的理解只能停留在较浅的观察认识层面，无法在理论和实践层面进行转化融合。

2.科教协同理念下课程教学改革探索

教学和科研是高校的两大核心职能，而高校又是未来实施科教兴国战略，完成教育、科技、人才三位一体协同发展，持续推进为党育才、为国育才功能，稳步推动中华民族伟大复兴大计的关键战场。高校教育教学工作者应充分重视科研成果向教学育人的转化和赋能，高水平的教学工作与科研成果应是互相促进、相得益彰的。在新时代科教融合、协同育人的教育理念下，将教育、科研与创新进行一体化组织布局，是有效推动我国未来高等教育发展的必由之路。

(1)教学内容的与时俱进

科教融合是大学发展的理念，大学是科教融合发展的核心载体[2]。当前，科学技术与经济社会的不断深化结合，对高校创新型人才培养提出了新的要求。作为知识传承的主要载体，专业性教材虽然具有系统性、学科性和通识性特点，但同时也缺乏专业知识与技能的学术性和前沿性，不同程度地滞后于现代科学技术的发展水平。因此，专任教师一方面需要及时跟踪课程教学内容的前沿发展情况，不断更新和提升自身业务能力和业务水平；另一方面，也要针对授课教材的知识网络进行推陈出新和查漏补缺，不断修改和完善专业课程的教学内容。

立足于农林院校的历史背景和专业特色，课程教学团队选取学生较为熟悉的纤维素及其衍生物作为贯穿课程教学的核心科研元素，对此类生物质材料的制备过程、表征手段与功能应用进行分类和总结，并形成具有科研导向的课堂教学素材。基于纤维素材料的最新科学研究成果，有机串联不同的材料表征技术，以此增强教师教学的针对性和清晰度，进而提升学生学习的获得感和满意感。以超疏水纤维素气凝胶材料的教学素材为例，利用强酸水解微晶纤维素得到纳米纤维素原料，随后通过溶胶-凝胶法制备得到硅氧烷改性的超疏水纤维素复合气凝胶。纤维素材料改性前后的化学结构变化，可以通过傅里叶变换红外光谱进行分析，同时X-射线衍射分析能够对比纤维素原料与纤维素复合气凝胶的结晶情况；而复合气凝胶材料的微观形貌可以通过扫描电子显微镜进行观察，不同样品之间的结构稳定性与元素组成还可以通过热重分析和X-射线光电子能谱进行分析和对比。通过对此类科研素材的学习，不仅能使学生更加透彻的理解不同表征测试技术的实验原理和应用范围，还有效培养了专业学生对材料表征技术进行综合运用的实践能力。

(2)教学方法的多元统一

在材料结构表征课程的课堂教学和实验教学过程中，教师要注重学生好奇心和创造力的培养。在授课前安排相关教学内容与生活实际中科技发展密切联系的小调研，积极引导学生独立自主地学习专业知识，带着问题和疑惑进入课堂，将有利于调动学生的情感和兴趣；在课中多采用启发式、问题式、讨论式和案例分析型等多元化的教学方法，通过现代化网络教学资源和研究热点报道诸多教学载体，共同帮助学生完成专业知识从感性认知到理性认知的升华，从实践的角度剖析和掌握不同类型的材料结构表征技术；在课后留下专业提升性或者知识拓展性作业，并提供必要的讨论答疑时间，为学生自主思考和解决课程实际问题开辟新的成长空间。

以核磁共振波谱的理论教学为例，教师通过课前调研的方式布置相关作业，以日常生活中大家熟知的核磁共振成像为切入点，引导学生主动收集和整理资料。在授课过程中，以小组汇报的形式安排学生对核磁共振现象的原理和应用情况进行集中讨论和分析，并由教师对医疗领域的核磁共振成像技术与材料测试分析中的核磁共振波谱技术进行对比和介绍，由此展开对核磁共振波谱章节学习内容的理论教学。实践表明，从以“教”为主转变到以“学”为主，能够有效提高学生对专业知识的学习热情，在团队合作、自由讨论和延伸思考的过程中，学生的主观能动性和知识获得感得到了充分的提升。结合教师的科研项目，以功能高分子的设计、合成、表征与应用为主线，充分介绍了核磁共振氢谱、碳谱相关的实验原理、谱图解析与实践应用内容，促进了学生对于核磁共振波谱分析技术的理解和掌握。

(3)科教创新的循环转化

材料结构表征课程的授课教师通常活跃在科研一线，对于各种材料分析测试技术拥有较为深入的理解和运用。课程教师自身承担的各类科研项目就是一种重要的教育教学资源，同时根据学科研究领域的动态发展，结合不同学生的兴趣爱好与能力层次，可以进一步申请各级各类的创新创业、学科竞赛、“互联网+”与挑战杯等研究项目，将理论和实践教学的场地从教室内延伸至教室外，积极开辟材料表征课程的“第二课堂”。本校材料化学专业历来重视学生科研创新能力的培养，鼓励和支持本科学生根据自身兴趣爱好加入不同指导教师的科研团队，从事文献调研、课题分析、方案设计、实验操作和数据分析等各方面的科研技能训练。根据材料结构表征课程教学内容的特点，教师选取功能材料相关的前沿研究方向，指导部分学有余力的本科学生进行研究课题的探讨和拟定，并以项目申报书的形式整理课题研究过程，为参与申报各类大学生研究项目做好充分准备。

以“金属有机框架基传感器的构筑及酚类污染物检测”项目为例，教师安排授课班级中的相关学生组成研究小组，进行前期文献收集和整理。针对研究项目中金属有机框架材料的结构特点，设计不同的材料表征测试方案，涵盖教学内容中主要的波谱分析、显微分析、热分析以及X-射线衍射分析等，使学生参与到材料制备、表征和应用的全过程，贯穿课程教学理论与实践的通道。在项目的实际执行过程中，可以利用课堂教学的时间，由学生自主汇报和讲解，给予学生展示和发挥的空间，引导学生根据项目研究案例进行表征技术的分析、讨论和总结。基于教师与学生的充分交流和讨论，即可形成完整的项目申请书并申报适当的比赛项目。通过“以赛促教”“以赛促学”和“以赛促研”的模式进行精准育才，在推动课程教学质量不断提升的同时，增强学生的创新意识和专业认同感。高校科教融合的根本目的在于立德树人，培养创新型人才。故以科研反哺教学，以教学培养人才，通过人才实现创新，基于创新提升科研，如此形成一种相互促进，互为因果的良性发展，对于构建教育、科技、人才三要素三位一体贯通发展的循环育人体系具有重要作用。

3.结语

打破科研与教学的边界和壁垒，实现科研成果和教学资源的双向促进，推进教育、科技与人才三要素之间的协同育人，将是未来广大教育工作者的时代要求和历史使命。在今后的高校科研育人工作中，需要持续健全教学评价机制，积极优化整合教学内容，不断创新教学方式手段，通过理论联系实际和科研联动教学，切实提高课程教师教学质量与专业学生学习效果。