无机材料创新案例教学

本文作者：夏 熠 单位：河南工业大学

无机材料物理化学是无机非金属材料专业的一门重要专业基础课，研究的是无机材料，特别是硅酸盐材料的组成、结构和性能之间的关系，是物理化学、晶体化学等基础理论在硅酸盐材料生产中的具体应用。通过该门课程的学习，要使学生掌握无机材料物理化学的基本概念和基本原理，获得材料设计能力和创新意识，使学生在走上工作岗位时能够较快适应工作。如何在有限的课时内实现上述教学目标，成为每个专业课教师所必须面对的问题。本文根据无机材料物理化学课程的特点，深入探讨教学理念和方法，提出相应的教学创新措施。实践证明，新的教学方法提高了教学效果，提高了大学生学习新知识的兴趣和能力。

一、课程特点

（一）知识点多课程讲授内容主要分为材料结构及性质(晶体几何基础、晶体结构和结构缺陷)、材料表面界面(固体表面界面、浆体的胶体化学原理)、相转变(包括相变、熔体和玻璃体、相平衡)和高温动力学(包括扩散、固相反应和烧结)等4部分，概念性强、知识点多且散乱。

（二）内容抽象无机材料物理化学是物理化学、晶体化学等基础理论在硅酸盐材料生产中的具体应用，涉及大量的材料物理化学现象，如相平衡、相变热力学、胶体化学和表面化学等，理论性强，抽象难懂。

（三）实践性强该课程的讲授内容与无机材料，特别是硅酸盐材料的科研、生产密切相关，对新材料的研究开发、生产工艺设计起到重要的指导作用。例如，相图的物相平衡分析、烧结过程的工艺控制理论等直接决定了新材料生产设计的可行性及所采取的工艺手段。由于以上特点，在讲授过程中，如果继续沿用普通的教学方法，容易使学生在学习过程中感到枯燥乏味、接受困难。久而久之，易在学生中间形成一种怕学、厌学的情绪，以致难以把握“学以致用”的精髓。

二、教学创新

（一）强化认识实习根据学校教育教学创新改革安排，在新学期开学初期本课程讲授之前，安排学生去相关企业进行两周的认识实习实践活动。参观企业为水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料厂，它们都是传统的硅酸盐材料生产企业。这是一次极为重要的学习、认识之旅。过去两年的实践证明，通过合理的引导，其重要性甚至不低于课堂教学。认识实习是一种感观实习，厂矿企业宏大的规模、轰鸣的机器、日夜不停的生产流水线、琳琅满目的工业产品极易给予没有任何实践经验的大学生足够的感观冲击。在此过程中，学生会看到产品完整的生产制备工艺，包括原料加工、配料、混料、成型、烧制等过程。在参观过程中，作为行业潜在人才的大学生自然而然就会提出大量问题，本文作为带队教师曾深刻地感受了这种学习热情。例如，在“材料烧制”这一部分，烧成工艺（温度、气氛）不同，引起产品的外观颜色、表观结构、强度产生差异，而解答这些问题的基本理论就涉及到无机材料物理化学这门课程中的晶体结构和结构缺陷、固体表面界面、相变、相平衡、扩散、固相反应和烧结等诸多知识。比如，烧结后产品产生强度差异的原因在于扩散、固相反应和烧结等。通过对这些问题的解答，学生可以深切体会到无机材料物理化学这门课程的重要性，在没有上课之前就对这门课程的学习充满了期望。

（二）改进讲授方法由于无机材料物理化学课程的特点，如果在上课之初不能给予合理引导，学生的学习热情就会随着课程的进行而逐渐消退，如何利用前期的良好基础进行课程讲授成为教师面临的重要问题。1.合理组织，提高教学的科学性和灵活性根据不同章节的课程特点，尝试采用多种形式相结合的课堂教学手段，活跃课堂气氛，使学生认识到他们是教学活动的主体。例如，由于缺陷化学的缺陷符号多，缺陷反应规则多，讲授过程中采取了比较学习法、联想记忆法，把缺陷化学方程式和学生熟悉的普通化学反应方程式联系起来，取得了良好的教学效果。2.注重知识前后联系，针对重点难点问题开展课堂讨论在讲授的过程中，特别注重前后知识点的联系，这样既可以及时巩固之前所学的重要知识点，也可以促进新知识的掌握，最终达到新旧知识的融汇贯通。例如，在讲授“质点扩散”时，与前面所讲的“晶体结构”“缺陷化学”联系起来，对扩散机构、扩散类型等知识点的掌握起到触类旁通的效果。针对重要知识点，特别是难于理解的知识点，在教师讲授之后进行课堂分组讨论。讨论结束后，教师通过案例讲解，对学生讨论的内容做出结论，学生于潜移默化中掌握了学习中的难点，并对该知识点获得深刻记忆。3.板书教学与多媒体教学相结合板书教学与多媒体教学各有其优缺点，应该根据不同的教学内容采取不同的授课方法。对于某些基础理论或者基本定理，需要采用板书教学的方式对公式、原理进行层层推导，使学生明了公式、理论的由来、推理过程。板书的同时加以讲解，既容易与学生增强互动，又增加了学生的课堂思考时间，有助于学生对理论知识的消化吸收，从而激发学习兴趣。但是，对于一些抽象的知识点，例如晶体的结构、缺陷产生的过程等则需要借助多媒体教学，以动画、图片的形式向学生展示材料微观结构的奇妙世界，也使学生深刻认识到材料科学的魅力所在。实践证明，以上教学方法，可明显改善教与学的关系，增强课堂互动性，充分调动学生的学习积极性。

（三）理论联系实际在人类社会高速发展和进步的今天，材料科学的发展更是日新月异。对于无机非金属材料来说，早已突破了传统的硅酸盐材料的范畴，各种高性能、复合型材料不断涌现，相关理论不断推出。在课堂教学过程中，需要适当介绍本课程所涉及相关理论的最新发展动态，使学生及时了解无机材料科学发展的前沿，提高学生的学习兴趣，为今后进一步深造和从事科研工作打下良好的基础。在课堂讲授时不断拓展学生的知识面，使他们及时了解当今科学发展的趋向。除此之外，也要不断强化案例教学，理论联系实际，突出实用性。本课程是一门实践性很强的课程，教材中的理论来源于实践，又直接服务于实践。在教学中力争避免空洞说教，以免学生因为缺少实践经验，觉得枯燥无味，从而失去学习兴趣。根据相关章节的教学安排，及时举出其工程应用实例，达到理论联系实际的目的。如在讲到抽象的“缺陷化学”时，有些陶瓷材料会在烧结时发生颜色变化，其原因是由于发生了“非化学计量缺陷”造成的。在讲授时，把工业产品带到课堂，在激发学生兴趣、满足其好奇心的同时，也在潜移默化中把这一原理灌输给学生。通过教学实践发现，学生很容易被丰富、具体的工程案例所吸引，运用此类教学方法，学生总是充满兴趣，很容易接受新的理论知识，达到了事半功倍的效果。（四）加强实践教学环节除了理论教学外，还安排了实践教学环节，包括实验和课程设计两个部分。实验部分是安排学生进行制品烧制，分析其过程和原理；课程设计部分是对一元相图如SiO2相图、二元相图如CaO-SiO2相图、三元相图如MgO-Al2O3-SiO2等进行基本理论分析，熟练掌握相图的基本原理和技巧，并对相图在陶瓷、耐火材料、水泥和玻璃工业的应用进行分析，对生产过程及工艺制度的确定进行理论指导，进一步根据相图进行材料的结构设计。通过这些举措，一方面使学生掌握课堂所学；另一方面，使学生掌握适当的操作技能，快速完成设计任务以适应今后的工作需要。此外，通过下述措施加强实践教学环节。1.通过先修课程打好基础为提高设计质量，教师在此前的课程讲授中，应结合实验和课程设计内容有针对性地布置一些思考题，督促学生通过查阅资料获得问题的答案。2.课堂教学与实践教学紧密连接，打破传统教学安排传统教学通常将各门课的实践环节都安排在每学期后期进行，导致期末学生的学习任务繁重，既要应付期末考试，又要进行多门课的课程设计，势必影响到课程设计质量。为此,把某些实验部分安排到相关章节的授课之后，课程设计则安排到理论教学结束之后随即进行。这样在前期课堂教学中可以对学生进行实践环节引导，提前安排学生进入实践环节，使教学与实践同步进行。3.加强监督检查当今社会信息发达，学校藏书及网络资料都很丰富，学生不难找到课程设计的实例，教师的引导与监督作用尤为重要。教师允许学生借鉴所查阅的资料，但严禁相互抄袭。为此，教师应将学生进行分组，给每组布置不同的设计任务，并注意检查学生是否有抄袭现象。通过采用以上措施，学生通过一周的课程设计，知识掌握更为综合、系统，动手能力也大大提高，便于以后尽快适应工作岗位，效果良好。

三、结语

本课程是材料科学与工程、无机非金属材料专业的专业基础课之一，其特点是内容繁杂、知识点多；内容抽象、理论性强；实践性强。应按照课程的特点和培养目标，以基础理论教学为基础，重视对学生创新能力和实践能力的培养。进行了教学创新研究，采用强化认识实习、更新教学内容、加强案例教学和多媒体教学、进行课堂讨论、理论联系实际、提高实践环节教学质量等手段进行教学。实践证明，以上措施效果显著，通过对本课程的学习，很好地激发了学生学习的热情，促进了学生对基础理论知识的学习，培养了学生科学的思维方法以及运用基础理论知识解决实际问题的能力。