融合科研创新与设计的无机材料基础实验教学改革研究与实践

摘  要：对实验教学进行教学改革是培养创新应用型人才的重要途径。该文以无机材料基础实验课程为例，基于培养学生创新意识和解决实际工程问题能力的目标导向，分析实验教学融合科研创新与设计的必要性，并对无机材料基础实验融合教师科研成果的实验教学案例进行介绍，探讨融合科研创新与设计的线上线下结合式实验教学对于培养具有综合能力的创新应用型人才的重要作用。

关键词：实验教学；无机材料基础实验；科研创新；线上线下结合式教学；教师科研成果

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）03-0146-04

Abstract： Reforming experimental teaching is an important way to cultivate innovative and application-oriented talents. Based on the goal of cultivating students' innovative consciousness and ability to solve practical engineering problems， this paper takes the course of Fundamental Experiment of Inorganic Materials as an example to analyze the necessity of integrating experimental teaching with scientific research innovation and design. This study introduces the experimental teaching cases of integrating teachers' scientific research achievements in Fundamental Experiment of Inorganic Materials， and discusses the important role of online and offline experimental teaching integrating scientific research innovation and design in cultivating innovative applied talents with comprehensive ability.

Keywords： experimental teaching; Fundamental Experiments of Inorganic Materials; scientific research innovation; online and offline blended teaching; scientific research achievements of teachers

党的二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。高等教育作为全面建设社会主义现代化国家的重要战略支撑，培养创新应用型人才，是时代赋予高校的重要使命。同时，经济的快速发展使社会对高校人才质量的要求不断提高。《工程教育专业认证标准》提出：“要具有明确的、符合学校定位和社会经济发展需要的培养目标”，其中特别强调培养学生“解决复杂工程问题的能力”。无机非金属材料工程等材料类专业对实践环节具有更高的要求，材料类专业工程教育专业认证补充标准提出：“专业课实验开出率应达到90%以上，其中综合性、设计性和创新性实验课程占总实验课程比例大于60%”。由此可见，以创新思维与实践能力为培养目标的专业实验教学在材料类专业人才培养中占据重要地位。

一  实验教学融合科研创新与设计的必要性

在传统的实验教学中，教学内容和教学活动容易受到教材的束缚，部分实验教学内容陈旧，与学科发展前沿案例结合较少，实验教学缺乏创新性。对实验教学进行改革研究是提升实验教学水平及教学效果的根本途径。无机材料基础实验是大连工业大学无机非金属材料工程专业的一门重要的专业基础实验课程，在工程教育专业认证背景下，教学团队重新凝练了无机材料基础实验的课程目标，新的课程目标为：①能够对相应材料的制备和性能测试进行简单的实验设计和配比计算；②能够正确采集、整理实验数据，培养对复杂工程问题的综合研究能力；③能够熟练操作仪器设备，熟悉常用分析测试仪器、信息检索工具和模拟软件的使用原理和方法；④培养团队合作意识，以及分析问题和解决实际工程问题的能力。

当前，以学生为本的教学理念，要求既要注重学生对理论知识的理解，更要加强学生动手操作能力、 科学思维和创新能力的培养[1]。随着社会对学生创新意识和工程实践能力要求的不断提高，无机材料基础实验课程涉及到的基础理论知识应更加全面和深入，对同学们通过实验提高其工程实践能力、创新思维等综合能力的要求更高，挑战性也更大；同时，实验内容需紧密结合当前学科和行业发展最新进展，教师需将科研创新设计、工程实践案例，以及课程思政充分融合到实验教学中。此外，有关材料制备特别是玻璃和陶瓷等无机材料制备的实验大多需要高温电炉等才能得以完成，且多数材料制备所需要的时间较长。因此，针对上述问题，为了精准实验和培养具有创新实践能力的高素质人才，无机材料基础实验教学内容中亟待增加“科研创新与设计”元素，教学方法急需采用“线上线下相结合”的教学模式。在以培养创新意识和解决实际工程问题能力为导向的课程目标下，融合“科研创新与设计”的无机材料基础实验线上线下结合式教学研究与实践对于提高专业实验教学质量和培养高质量的人才具有非常重要的现实意义。

二  无机材料基础实验科研创新案例介绍

教学与科研是高校的重要职能，也是教师必须认真履行的重要职责。如何实现教学促进科研，科研反哺教学的良性互动发展，是高校教师需要深入思考的问题。《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提出“推动科研反哺教学”，鼓励高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生的专业学习兴趣。近年来，随着高校对教学与科研工作的重视力度不断加大，教学与科研相互融合受到重视，融合科研成果的研究性综合实验和创新性综合实验教学改革的研究范例已有较多报道[2-6]。将科研成果融入本科生实验教学，既能帮助学生较早地接触科研项目、了解学科前沿发展，也能更好地促进本科生创新能力、实践能力及分析问题、解决问题能力的培养[7]。科研反哺教学，强化科研育人功能，是全面提高人才培养能力与培养质量的重要举措[8]。

在工程教育专业认证和新工科建设背景下，结合当前无机非金属材料发展前沿，课组教师重新构建了无机材料基础实验的教学内容体系，新的实验教学内容充分融合教师的科研成果和学科发展前沿，通过实验教学不但要促进学生对理论知识的理解和提升学生的实验技能、实践动手能力和分析问题、解决问题能力，而且，更要通过实验教学培养学生的创新意识、科研创新设计能力，以及为祖国强盛和新材料发展做出贡献的爱国情怀。

图1列出了当前无机材料基础实验中的几个代表性实验与科研案例的融合情况。以“材料扩散综合性实验”为例，该实验内容为：选用玻璃片试样，通过高温熔盐离子交换实验，分析高温过程玻璃和熔盐中某些离子的扩散现象和特点，观察和测定样品扩散前后的抗折强度等性能，分析影响扩散的因素。为了让学生充分了解和理解离子扩散在手机玻璃制备和研发中的重要作用，教师在无机材料基础实验网络课程中上传了有关“手机玻璃化学钢化处理”的科研案例文献，使学生在线上预习环节能够深刻理解离子扩散在手机盖板玻璃制造过程中的重要应用，从而激发学生热爱科学和从事科学研究的兴趣和动力。

离子扩散和离子交换是玻璃进行化学钢化处理的基本原理，具体过程为：在一定温度条件下，将含有小半径碱金属离子的玻璃沉浸在含有大半径碱金属离子的熔盐中并保温一定时间，在化学位和浓度梯度推动下，玻璃中的小半径碱金属离子将与熔盐中的大半径碱金属离子发生互扩散和交换过程。例如，将玻璃基板放入硝酸钾等熔盐中进行保温，可使玻璃中的锂离子（Li+）或钠离子（Na+）与熔盐中的钾离子（K+）进行交换，由于K+的半径大于Li+和Na+，因此，可以利用Li+、Na+和K+体积上的差异在玻璃表层形成嵌挤压应力，从而使玻璃的强度得以提高。自2007年苹果公司第1代智能手机问世以来，其采用超薄玻璃，用一步离子交换法进行化学增强后作为手机面板或盖板的研究已有较多报道。通过一步离子（扩散）交换法对手机玻璃进行强化处理，已在生产中应用；研究表明，采用两步离子交换法可以优化玻璃表面应力分布，从而能够更有效地提高玻璃的抗冲击强度[9]。

在执行材料扩散实验教学时，实验前，通过网络课程让学生查阅有关离子交换增强手机玻璃盖板和面板的相关文献，使学生充分了解和理解通过离子扩散/离子交换法提高手机玻璃机械强度的理论原理，从而激发学生对材料扩散实验的兴趣，并使其对实验动手操作有一种期待感。线下实验过程中，教师通过介绍相关科研项目“离子扩散增强牙齿修复用二硅酸锂微晶玻璃”的研究成果，促使学生进一步理解离子扩散理论在新材料研究开发中的重要性，即除了K+替换Na+（或Li+）可以使玻璃的强度得以提高外，Rb+（或Cs+）替换玻璃中的K+同样会在较大程度上提高玻璃的抗折强度。图2为通过Rb+和Cs+交换牙齿修复用二硅酸锂微晶玻璃中K+的实验结果[10]，可以看出，当离子交换时间为4 h时，用Rb+/Cs+交换K+可使微晶玻璃的抗折强度达到最大值。

三  以学生为中心的网络实验课程辅助教学

疫情期间，线上线下混合式教学受到教育部和各高校教师的极大重视。以学生为中心的线上线下混合式教学更有利于调动学生的学习积极性和参与度，有助于培养学生的思考能力、总结表达能力和分析问题能力。在目标导向和一流课程建设引领下，教学团队对无机材料基础实验进行了网络课程建设和线上线下混合式实验教学研究，实践表明，采用“线上设计”“线下实训”和“线上总结”相结合的实验教学模式，对于培养创新应用型人才具有重要意义。

以“陶瓷结晶釉成核-晶体长大相变综合性实验”为例，该实验内容要求完成：配料、球磨、成型烧结制备陶瓷坯体；设计选定实验所需釉料配方，进行配制、涂覆、干燥、烧结，观察结晶釉的形貌，结合晶体成核与长大的相变过程，分析结晶釉在烧结过程中所发生的析晶过程及其机理。如图3所示，整个实验分为三大环节：①线上相关文献查阅与实验方案设计；②线下实验操作与完成；③线上实验结果总结与讨论。

实践结果表明，实验前和实验后，充分利用网络课程资源，有助于发挥学生的自主学习能力和培养学生的总结、分析能力。实验前，学生在网络课程中完成分组，每组学生3～4人。第一个环节是实验前的线上预习与实验方案设计环节，课组教师首先在网络课程中发布最新版本的实验讲义和2～3篇相关的科研案例文献，并布置实验方案设计作业。学生在阅读老师发布的科研案例文献基础上，自主查阅最新的与实验相关的科研案例文献，并对实验方案进行设计，以小组为单位撰写实验方案。第二个环节是线下实验实施环节，首先，教师要求每组学生简要汇报本组的实验方案，并与老师探讨，以对实验方案进行微调和修正；实验过程中，教师会随时指导并引导学生注意思考实验的关键步骤和影响因素，引导每组同学各成员协商完成各个实验操作步骤。结果表明，在线上预习与自主设计实验方案的基础上，每位同学都能够积极投入实验，对实验的每个环节和步骤都能认真思考，从而避免了实验的盲目性和因不熟悉实验造成失误的现象发生。第三个环节是实验结束后的线上总结讨论环节，要求每组同学将实验原始记录进行整理，分析探讨影响实验结果的主要因素，并以PPT的形式将实验总结发布到网络课程的分组任务中。