改革“功能陶瓷”教学，培养学生的创新能力
王国平 陶玉强 金灵华
摘? ? 要：“功能陶瓷”涉及粉体制备与表征、成型、烧结、后加工、各种功能陶瓷及纳米陶瓷等内容，是一门理论知识与实际应用联系紧密的课程。作者结合教学实际，从教学内容、教学师资、教學方法和考核方式等方面进行了教学改革，通过增加前沿进展、引进企业师资、增加研讨课与翻转课堂、走出课堂、强调实践教学以及改革考核方式等，调动了学生的主观能动性，激发了学生解决实际问题的欲望，唤起了学生的创新冲动，培养了学生的创新思维。
关键词：功能陶瓷;教学改革;创新型人才
中图分类号：G642.0? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? 文章编号：1002-4107（2021）03-0020-03
国家要振兴， 要长久兴旺发达，必须要有一大批能续写辉煌的创新型人才。创新型人才越多，就越能在国际竞争的浪潮中引领潮流。我国的华为公司就是一个典型的例子，其在5G光交换、光芯片等技术领域一日千里，短短的十余年内就从名不见经传的小公司成长到令美国等西方发达国家闻之色变的高科技公司。华为公司之所以能做到如今，是因为其聚集了一批世界级的优秀科学家，招揽了近十万优秀的创新型人才，为其克服了一道道技术难关，在茫茫征途中找到了前行的方向。覆盖全球的“未来种子”项目，也将为华为赢得更加辉煌的未来。创新型人才在公司和国家建设中的作用日益彰显，国家尤为重视创新型人才的培养。
探索创新型人才的培养方法，是时代赋予大学的使命。为培养具有创新能力的无机非金属材料高级工程技术专业人才，我们优化了无机非金属材料工程专业的培养方案和教学大纲[1]，同时鼓励任课教师在各门课程的教学教改中融入创新能力的培养。在课堂教学中注入创新能力已成为世界教育改革的热点，成为我国教育改革的焦点[2]。
“功能陶瓷”涉及粉体制备与表征、成型、烧结、后加工、各种功能陶瓷及纳米陶瓷等内容，是理论知识与实际应用联系紧密的一门课。因此，该课程的讲授不能仅注重理论知识的讲解，学生学习也不能只局限于理论知识的掌握，而应将理论与实践密切联系起来。但现实情况是：课程教师一般缺乏实践经验，无法将两者完美地结合在一起。为此，笔者结合教学实际，从教学内容、教学师资、教学方法和考核方式等方面进行了教学改革探索，意在加强理论与实际的联系，培养学生的创新能力。
一、改革教学内容，增加前沿进展
随着技术的进步和新材料的出现，功能陶瓷的应用不断拓展，新型功能陶瓷得以相继开发，新的制备工艺层出不穷。为与时俱进，我们在“功能陶瓷”的教学过程中，不断添加学科新进展和新成果，比如：“新型功能陶瓷、新型成型与烧结工艺、光电陶瓷、压电陶瓷、纳米陶瓷、纳米薄膜陶瓷、敏感陶瓷、仿生陶瓷和纳米复合陶瓷等”，丰富授课内容，拓宽学术视野，保持学科活力，培养创新思维，力争站在学科前沿的高度上，培养具有国际视野和前沿视角且适应未来科技发展的创新型人才。通过介绍学科前沿进展，指出学科前沿中有待完善之处，以期提高学生探究学习的兴趣和热情，激发学生的创新欲望。
应该指出的是：由于功能陶瓷的前沿领域众多，没有一个教师能对所有的前沿了如指掌，为此特安排多个教师尤其是新引进的博士参与授课。之所以强调安排新引进的博士授课，是因为他们在完成博士毕业论文的过程中，阅读了大量文献，对所研究领域的历史渊源、研究进展和未来的发展方向烂熟于心;对相关领域中存在的问题看得准、看得透;对于问题的解决，他们既能从理论方面进行分析，又能从实践方面提出一套甚至好几套解决方案。这样每堂课学生就好像听一个个精彩绝伦的故事，充满了趣味性和探索性，学生听课热情明显高涨，上课思如潮涌，探究和解决问题的欲望在学生心中萌动，提问的学生明显增多。
例如：在碳纳米管复合陶瓷中，很难实现碳纳米管在复合陶瓷中的均匀分散。这种不均匀分散不利于碳纳米管优异性能的充分发挥，导致复合陶瓷的性能不理想，碳纳米管的利用率也低，碳纳米管的添加量增加，造成碳纳米管不必要的浪费和陶瓷性能的降低，使得碳纳米管与其他碳材料的比较优势得不到体现。因此，我们提出：在制备碳纳米管复合陶瓷时，急需解决碳纳米管的团聚问题。在持续不断的学科前沿讲授过程中，学生的创新意识不知不觉开始萌芽。课后，宋健、彭启荣等同学通过查阅相关文献，了解碳纳米材料的性能及其相关知识，提出了“碳纳米管的分散及其在复合材料中的应用”这一创新创业项目，完成了部分相关的实验研究，在学术创新思维和实践方面得到了一定的训练。
二、引进企业师资
在高校，任课教师常常来自于高校毕业生，其理论知识丰富，但少有工程实践的经历。如果能从企业请来工程经验和设计经验丰富的工程师开设专题讲座、座谈、答疑、研讨和指导专项实训等，打造一支专兼结合、理论与实践结合的专业教学团队，介绍国内外功能陶瓷的生产及其所遇到的实际问题，将生产实践带入课堂，定能活跃课堂气氛，唤醒学生的工程意识，激发学生自发解决实际问题的欲望，唤起学生的创新冲动。在长期的工程和设计实践中，这些工程师积累了大量的实践经验，一些工程案例和设计案例他们早已信手拈来。由于所列举的案例都是自己亲身经历，亲手设计，所以他们把每个案例都讲得栩栩如生，学生也听得津津有味。一堂课转瞬即逝，许多学生常常感觉到意犹未尽，课后里三层外三层，缠着工程师们问问题。特别值得一提的是：在讲解的过程中，工程师们常常会将实际工程操作和设计中所遇到的问题，在课堂上呈现给学生。学生根据理论知识，你一言我一语，提出自己的解决方案，最后工程师们再阐述自己是如何根据理论与实践经验解决一个又一个问题的。通过一个又一个生动活泼的工程案例和设计案例，点化了学生的工程思想，确保了该课程的教学内容血肉丰满、教学过程趣味横生，做到抽象的内容形象化，枯燥的内容生动化。
比如：在工程氮化硅电子陶瓷薄膜的生产中，如果条件控制不当，很容易出现薄膜脆裂现象。问题提出后，很多学生结合所学理论知识，提出了自己的解决方案。之后，工程师又通过介绍陶瓷薄膜的生产工艺（即先将陶瓷原料溶于溶劑配成泥浆，然后将其涂覆干燥制得前驱体薄膜，接着高温烧结得到陶瓷薄膜），引导学生进一步思考，最后发现要解决陶瓷薄膜的脆裂问题，应从原材料的选择、退火温度、气氛的控制和衬底的选择等因素综合考虑。
三、改革教学方式
（一）增加研讨课与翻转课堂
在“功能陶瓷”这门课中，许多新兴领域趣味横生，若将研讨课和翻转课堂等引入课程教学，并通过案例讨论、问题研讨、学生制作PPT及登台讲解、课堂辩论和学术争论等灵活多样的教学方式，让学生在课堂内外都参与到教学过程，以调动学生的自主学习热情，加深学生对相关知识的认识与理解，促进学生对相关知识的主动吸收与消化。
自从3D打印风靡全球以来，各种相关技术如雨后春笋，破土而出。只要一台3D打印机，就可以打印出形形色色的产品。人人都可以做，人人都可以创造，这非常有利于充分展现每个人的创新能力，学生对3D打印也表现了浓厚的兴趣。在讲授成型方法时，我们要求学生就3D打印技术专题查阅文献，制作课件，然后开展翻转课堂和研讨。学生能从3D打印技术的原理、实际操作以及应用和未来等几个方面来介绍，课件图片精美，动画简短生动，引人入胜;部分学生还能就3D打印技术产业化过程中的热点难点问题展开深入讨论。例如：在3D打印生物组织或器官时，不同组织是由特有的细胞组成的，肝脏主要为肝细胞，心脏主要为心肌细胞，皮肤主要为上皮细胞，那么到底选择什么类型的细胞来进行。另外，在经历了3D打印环境之后，如何保证细胞还能够保持自身的生物活性等问题。
针对一些专题，开展研讨课辩论与翻转课堂，“以学生为中心”“以学习成效为导向”，实现教师、学生的双向互动，推进学生自主学习，引导学生思考并参与知识研究，调动学生的主观能动性，实现“研究与自由教学相统一”，培养学生的发散性和创造性思维，提高学生发现、分析和解决问题的能力，提升成就获得感，从而促进教学，提高教学质量。在研讨、辩论和翻转课的引领下，学生积极开展实验研究，踊跃参与创新实践，撰写项目研究报告和创新课题标书。近年来，无机材料专业每年都有学生申请了国家、省大学生创新训练计划项目并得以立项。例如：2017年李奔可等申请的“新型氧化锆陶瓷指纹识别盖板”项目，获地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目立项;2016年，苏建民等申请的“多孔钛阳极氧化制备TiO2纳米管的研究”项目获湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目立项。一些学生还发表了科研论文，如：在《南华大学学报》上，苏建民发表了《多孔钛负载TiO2纳米管复合材料的制备及其光催化性能研究》一文;彭启荣同学等在国际SCI期刊《J.Electrochem. Sci.》上发表了题为《Impr-
oving the Rate Performance of Manganese Dioxide by Doping with Cu2+， Co2+ and Ni2+ ions》一文。
（二）走出课堂
一般地，课堂教学都是在教室里完成。让课堂教学走出课堂，学生感到新鲜，也有些好奇。当然，并不是所有教学内容都适合走出课堂。对于一些抽象、难理解以及实践操作性较强的教学内容，最好能结合实践，走出课堂，开展课堂外教学。特别是有关设备和仪器等内容，未参与科研的学生平时较少涉及;课堂教学中，没有实物，学生缺乏感性认识，理解掌握有一定的难度。即便反复讲解，即便结合动画讲解，也效果甚微。因此，我们改变了教学方式，先在较短的时间内，通过动画等方式，介绍基本原理，然后将学生带出课堂，到企业或设备现场，待见到实物或目睹相关操作过程后，学生便会豁然开朗。
（三）强调实践教学
“实践出真知”“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。理论和创新源于实践，离开了实践，理论和创新就成了无源之水，无本之木。只有加强实践，才能让学生更好地掌握好理论知识，发现问题，找到创新的突破口。通过验证性实验，训练学生的基本动手能力，这是教学过程中必不可少的一个环节。但在验证性实验中，机械性操作多，学生自主思考和探索少，创新能力的培养近乎为零。为此，在“功能陶瓷”这门课中，我们以“问题和产品”为导向，强化设计性和综合型实验，有机融合了功能陶瓷的基础理论、实验设计、实验方法及性能等，加强了各环节的内在联系。
比如，结合教师的研究方向，将“高性能、低能耗的微电机械系统用氧化锆陶瓷制备”等课题作为综合实
验，给出具体目标，并在教师的指导下，学生自己设计材料配方、成型、烧结、组成结构分析以及性能检测等，然后实验制备目标产品。实践表明：学生在独立设计和实验操作中，提高了分析、解决问题的能力和创新能力，实现了理论与实践的结合[3]。即便实验失败，学生也因亲历设计和实验而得到了足够的训练。部分学生还能够通过分析总结，发现问题，重新设计实验方案，找到切实可行的解决办法[4]。
（四）推进项目化教学
在项目中学习，在探索中学习，进程看似漫长，但学生能够从中获得个人感兴趣的知识，对知识所掌握的深度、广度和持久性等，远非传统教学所能比拟。教师引导，学生独立开展项目，将理论与实践结合，通过提出项目、查阅文献、撰写项目计划书、提出解决方案和进行实验验证等，学生既夯实了专业核心知识，也学到了书本外的知识，拓宽了知识面，提高了分析实践能力，增强了创新意识。比如：2019年陈宇龙等同学在申请及实践国家级创新创业项目“负载纳米催化剂多孔
玻璃的制备及其光催化性能的研究”的进程中，既掌握了纳米材料的相关特性，又对材料的孔结构和催化性能有所掌握，还对玻璃的相关知识也有所涉猎，尤为重要的是还能就如何提高光催化性能提出建设性的解决方案;周俊虎等同学在省级“模拟中放废液水合陶瓷固化体的制备与性能研究”项目中各方面能力也得到了一定的锤炼。
四、改革考核方式
（一）严格过程考核
过程考核贯穿于“功能陶瓷”的教学过程始终，加强教学环节的全过程管理，加大过程考核成绩在课程总成绩中的比重，将过程考核与卷面考核的比例定为7：3。通过过程管理，督促学生认真学习，并掌握相关理论知识。对于课堂表现活跃，积极参与提问、研讨课、辩论和翻转课堂的学生，平时成绩应适当给予加分。过程考核既要重视学生的出勤，也要重视学生在课堂内外的表现。比如：提问、回答问题、研讨课表现、翻转课堂效果、课堂笔记及作业等均要在考核之列，并特别注重提问、研讨课、辩论和翻转课堂中的表现。
（二）健全能力与知识考核并重的多元化学业考核评价体系
综合应用笔试、口试以及非标准答案考试等多种考核形式，全面考核学生对知识的掌握和运用。期末考核既可以以某一种方式进行，也可以多种方式相结合。考核方式主要有以下几种。
1.以论文方式进行。给定几个不同的功能陶瓷生产工艺，让学生结合所学知识，分别阐述其优缺点，并就其不足提出相应的解决办法。考核成绩主要根据其分析能力、解决办法的可行性和先进性等来进行评判。
2.给定课题或生产实践问题，让学生提出方案或设
想。给定课题，让学生自己查阅相关文献，综述特定课题的最新进展，提出自己的设想;也可以提出生产实践问题，让学生通过调研，了解相关知识，提出解决方案;还可以提供一些前沿文献，让学生阅读并提出自己的设想，说明其设想的可行性等，考核成绩可根据设想或方案的可行性和先进性来评判。
3.以口试方式进行。学生就某种特定的功能陶瓷，介绍其生产工艺，说明生产过程中与众不同之处及其需要特别注意的地方，阐述生产中还存在的问题及自己的设想等。课程考核在注重过程考核和知识掌握的同时，增加了分析问题与解决问题能力的考核，即知识迁移能力的考核，以强化学生的创新思维。
总之，培养大学生的创新能力，应渗透到每一门课程中，要常抓不懈，要让学生体会到创新思维无处不在，无时不在。具体到“功能陶瓷”这门课，由于课程本身理论和实践联系紧密，因此，教学过程中必须强化实践训练，加强理论和实践两者间的联系。本文以培养无机材料创新型人才为出发点，结合实践和新工科理念，从前沿进展、教学师资、教学方法和考核方式等诸多方面进行了相关改革，以培养学生的自主学习能力。实践表明：文中所述的教学改革在一定程度上调动了学生的主观能动性，激发了学生解决实际问题的欲望，唤起了学生的创新冲动，培养了学生的创新思维，是一套行之有效的方法。
参考文献：
[1]王国平，谢睿，陶玉强，等.優化培养方案和教学大纲培养学生创新能力[J].广州化工，2018（17）.
[2]罗玲，冯发金，孙群群，等.对分课堂：创新时代课堂教学改革的新模式[J].体育科技文献通报，2019（1）.
[3]李玲.在教学中培养创新型人才——关于《功能材料与纳米技术》课程教学的一点思考[J].中山大学学报论丛，2004（3）.
[4]张全争，赵娣芳.《纳米材料学》的教学优化与改革[J].广东化工，2014（24）.
[责任编辑? 包玉红]
收稿日期：2020-06-08
作者简介：王国平（1972—），男，湖南衡阳人，南华大学化学化工学院教授，博士，主要从事能源材料和化工工艺研究。
基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目“工科创新型人才培养模式的探索与实践”（2016SJG02）;湖南省普通高等学校教学改革研究项目“新工科背景下地方高校材料类专业人才培养模式的探索与实践——以无机非金属材料工程专业为例”（192JSJ039）;南华大学校级教学改革项目“软件技术和网络资源在《材料科学基础》课程教学中的应用”（2018XJG-YB71）
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