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探究无机材料科学基础课程教学中科研成果的应用及影响

2020-03-19 347 上传者：管理员

摘要：无机材料科学基础作为无机非金属材料工程专业一门重要的专业基础理论课，影响及意义深远，在该课程的教学过程中将科研成果运用到课程理论教学和实验教学中，不仅可以提高该课程的教学质量，还能够最大程度的培养学生的创新精神和综合能力，对此，本文全面阐述了科研成果对无机材料科学基础课程教学的作用，以期取得良好的教学效果，促进无机材料科学基础课程教学的发展。

关键词：
教学质量
无机材料科学基础
科研成果
综合能力
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教师不仅要对学生进行知识的传递，还要对学生进行能力的培养。然而，经笔者多年的教学实践发现，教师传授了知识，学生也学到了很多知识，但学生在解决实际问题时却无从下手，学生所学的理论知识与实际问题相脱节，不能独立分析和解决实际问题，因而教学水平难以提高。美国哈佛大学的亨利·罗索夫斯基院长认为：“科研和教学是相互补充的；大学等级的教学如果没有科研提供新的思想和启示，其教学水平是难以提高的^[1]”。可见科研与教学关系密切，科研能促进教学、科研成果向教学内容有效转化。该文将无机材料科学基础课程教学中科研成果在教学中的一些应用加以总结。

一、建设教学研结合的师资队伍

“教学与科研相统一”是德国人威廉·冯洪堡提出的，其精髓在于“将科学研究成果引入教学”^[2]。因此，要想有效地将科研成果引入教学中，首先要有一支教学研结合的师资队伍。在组建无机材料科学基础课程组教师群时，不仅要考虑教师的教学能力，还要充分考虑教师的科研能力，教师均应参与科学研究，有自己的研究方向和主持的科研项目，因此，该课程群教师在上无机材料科学基础这门专业基础课时可以把学科最前沿的信息带到课堂上，激发学生的好奇心和求知欲，这样一支教科研结合的师资队伍比照本宣科的教师更具有创造能力。

二、科研成果进入课堂丰富理论教学内容

无机材料科学基础课内容头绪多、概念定义多、原理规律多、理论计算少^[3]。学生普遍感觉这门课学习难度很大，课堂内容枯燥。所以，在该课程授课过程中，教师应该将自己的科研成果和科研过程中查阅文献获得的最新的相关领域的科研成果介绍给学生，使学生能够及时了解本学科的前沿动态及所学理论知识在解决实际问题中的应用，从而加深对抽象的基础理论知识的理解，提升学生的学习兴趣，获得了良好的教学效果。

例如，在讲授石墨和金刚石晶体结构时，将自己在科研过程中查阅文献时获得的有关碳元素材料—碳纳米管、石墨烯和C60（足球烯）以及碳量子点介绍给学生。从这些碳元素材料的发现到石墨烯的发现者们2010年获得诺贝尔奖物理学奖；从他们各自的结构到他们特殊而优异的性质再到他们潜在的应用，同时布置课后作业，让学生选其中一种碳材料，查阅资料，搞清楚其结构、性能和应用之间的关系。一方面可以使学生对学习内容感兴趣，另一方面可以引导学生课外阅读，利用好课外大好时光，开阔视野，培养学生获取知识的能力和自学能力，使学生在获取知识的同时获得能力的提升。

在平时讲授理论课的过程中，不但引入国际上的相关先进研究成果，而且将自己及课题组的科研成果介绍给学生。比如，在讲解扩散一章中的菲克第二定律时结合课题组的科研项目进行。众所周知，混凝土耐久性问题是科研工作者遇到的棘手的问题，削弱混凝土结构耐久性的因素有很多，而其中最重要的环境因素之一就是硫酸盐侵蚀，这也正是课题组目前研究的部分内容—基于Fick第二定律，研究弱碱环境下石膏型硫酸盐侵蚀混凝土的扩散反应规律。

课堂教学中将怎么应用Fick第二定律解决这一问题的理论基础、设计思路、实施过程以及在具体实施过程中存在的问题介绍给学生，将相关的学术论文等科研成果提供给学生课后阅读。以前学生看到书中复杂的、抽象的公式不知有什么用，不知怎么用。通过介绍自己的科研成果和思路，学生豁然开朗，觉得所学知识很有用处，能解决与其息息相关的问题。这不仅增加了学生的学习兴趣，而且让学生形象地了解了知识点的作用，化解了教学的重点难点，提高课堂教学质量。

三、科研成果完善实践教学

为了培养学生的创新能力、解决实际问题的能力，教师将蕴含着创新思想的科研成果转化为相关课程的实验教学内容。比如，将自己在光催化材料降解方面的科研成果引入实验教学。以纳米TiO2光催化剂为例，纳米TiO2是一种具有广泛的应用前景的光催化剂，但是纯TiO2光催化剂对太阳能利用效率很低，其工业化应用也受到了限制。另外，纳米TiO2光催化剂在光催化降解过程中光量子利用效率很低。

因此，抑制光生电子与空穴的复合、缩短其禁带宽度扩展其吸收光谱至可见光范围是提高纳米TiO2光催化剂的光催化效率和太阳能利用率的技术关键。为此，在该课程的CDIO综合实践中，让学生运用所学的固溶体和非化学计量化合物两种点缺陷的知识，结合材料物理性能和材料研究方法两门课所学的理论知识设计实验方案并加以实施和分析总结。

学生在设计和实施过程中要综合运用多门基础课和专业基础课的知识、查阅文献，才能分析解决所遇到的问题。由于实验内容是教师的科研成果，教师对该领域的内容比较熟悉，对学生提出的问题可以有针对性地解答，可以控制整个实验过程，指导起来会得心应手。教师借助自身的科研优势将科研成果引入实验教学内容中，使科研逐步向教学渗透，可以更好地提高实验教学水平，培养出高水平的专业技术人才。

四、科研成果优化教学方法

改变课堂教学方法，将研究型教学法引进该课的课堂，让课堂爆发出求知、探索与创新的生命活力。以“烧结过程中晶粒的生长”一节为例。在讲解烧结过程中晶粒的生长时，从传统陶瓷的脆性引出陶瓷材料领域中的先进研究成果—纳米陶瓷，简单介绍纳米陶瓷的概念、特性，比如纳米陶瓷具有好的韧性，可以180°的弯曲，可以像金属一样切削加工，等等，加深学生对所讲内容的印象，激发学生的学习兴趣，同时提出问题：常压烧结能否烧出纳米陶瓷呢？为什么？带着这样的问题讲解烧结过程中晶粒的生长的相关知识。

在讲解时首先展示自己指导的大学生科技创新课题中的纳米粉原料传统工艺制备的BaTiO3基热敏陶瓷的SEM照片图，让学生比较原材料粒度和陶瓷中晶粒粒径的大小，引导学生提出问题：常压烧结的陶瓷晶粒为什么能够生长？其推动力是什么？晶粒生长有没有极限？影响晶粒生长的因素有哪些？在教师的引导下，通过师生之间、学生之间的多向互动与积极探讨，对引出问题加以解决，同时布置课后作业，引导学生查阅资料搞清楚纳米陶瓷应采用什么烧结方法，烧结方法方面有哪些新的研究成果，通过引导学生自己提出问题并找出解决问题的途径和手段，不仅激发了学生的学习兴趣，加深了学生对基础理论知识的理解，而且培养了学生独立分析问题和解决问题的能力。

五、结论

通过把科研引入“无机材料科学基础”课程教学中，在教学内容、教学手段及方法、教学研结合的师资队伍等方面进行了探索与实践，感到很有收获，明显增强了学生对专业的兴趣，学生能将无机材料科学基础这门专业基础课的基础理论知识与生产生活中材料、科学研究的热点问题相联系，学生的创新意识、科学探索精神、自主学习能力有所提高。

参考文献：

[1]刘宝存.哈佛就是哈佛—哈佛大学办学理念探析[J].教育发展研究,2004,(2):30-34.

[2]叶国荣,陈达强,吴碧艳.高等本科教育中研究型教学模式探讨[J].中国高教研究,2009,(3):90-91.

[3]杜双明.材料科学基础课程教学质量保障系统[J].技术与创新管理,2008,29(6):649-651.

李燕,王爱国.科研成果对无机材料科学基础课程教学的作用[J].教育教学论坛,2019,(50):197-198.