材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與探索

任智卉　劉斌

摘 要：分析總結(jié)西北大學(xué)材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索教學(xué)方法以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)識(shí)與理解，旨在提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；材料化學(xué)；綜合能力

中圖分類(lèi)號(hào)： G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）25-174-2

0 引言

材料化學(xué)與材料物理、材料工程一起構(gòu)成材料科學(xué)的三塊基石[1]。材料化學(xué)作為一門(mén)將材料科學(xué)與化學(xué)相結(jié)合的新興學(xué)科，主要研究材料的制備、加工和性能等方面的化學(xué)問(wèn)題。相較于化學(xué)的其他學(xué)科分支，材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)具有更明確的應(yīng)用性質(zhì)，是20世紀(jì)80年代新興的本科專(zhuān)業(yè)[2]，內(nèi)容包含金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高聚物材料等。化學(xué)是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程，同樣材料化學(xué)課程的建設(shè)也離不開(kāi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的支撐。近年來(lái)，西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心通過(guò)對(duì)大四本科生開(kāi)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料化學(xué)學(xué)科發(fā)展前沿的認(rèn)識(shí)與了解，開(kāi)闊學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，對(duì)大四材化專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行更深層次的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)與教學(xué)實(shí)踐。

目前其材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室已具備基本的材料合成基礎(chǔ)設(shè)施，配備合成室、準(zhǔn)備室、儀器室、高溫室，占地200多平方米，擁有多型號(hào)馬弗爐、球磨機(jī)、德國(guó)IKA電磁攪拌器、德國(guó)賽多利斯分析天平等用于材料合成的儀器，同時(shí)國(guó)家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心擁有布魯克D8型XRD粉末衍射儀、S3500型激光粒度儀、臺(tái)式掃描電鏡等測(cè)試儀器，為材料化學(xué)創(chuàng)新研究提供實(shí)驗(yàn)良好的實(shí)驗(yàn)合成制備及測(cè)試條件。在開(kāi)課5年多的時(shí)間里，材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不斷地完善與提高，目前已經(jīng)涵蓋染料太陽(yáng)能電池、PTC陶瓷材料、MOF多孔材料、納米材料、高分子材料等的合成制備與性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為培養(yǎng)多方面發(fā)展的學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，本文對(duì)材料化學(xué)創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)過(guò)程與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，并就其實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)踐與探索談一點(diǎn)心得體會(huì)。

1 材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程準(zhǔn)備

1.1 選材新穎，跟隨熱點(diǎn)，不斷發(fā)展，拓展學(xué)生視野

材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課，重點(diǎn)旨在突出創(chuàng)新，所編輯實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，皆為教師的研究課題演變而來(lái)，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)都由一個(gè)研究課題及其結(jié)果進(jìn)行梳理、編寫(xiě)，取材新穎，聯(lián)系實(shí)際與熱點(diǎn)，向?qū)W生充分展示材料化學(xué)的應(yīng)用性與發(fā)展前景。例如，所開(kāi)設(shè)的染料敏化太陽(yáng)電池的制作與轉(zhuǎn)化效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容聯(lián)系現(xiàn)在研究熱點(diǎn)的太陽(yáng)能電池，讓學(xué)生了解光電轉(zhuǎn)化機(jī)理的同時(shí)，學(xué)習(xí)掌握TiO2納晶多孔膜的制備技術(shù)以及其在太陽(yáng)能電池研究上的重要意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)鞏固基礎(chǔ)理論與操作的同時(shí)，也可拓展學(xué)生的知識(shí)面，消除學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的茫然性，為學(xué)生即將進(jìn)入繼續(xù)深造或工作提供新的思路與見(jiàn)解。

與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不同，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課是一門(mén)不斷創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)驗(yàn)課程，作為材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)支撐內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)的編寫(xiě)緊貼其前沿發(fā)展方向，故材化實(shí)驗(yàn)課程是個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)課，它在充實(shí)原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷地更新、發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。自開(kāi)課之初發(fā)展至今，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課已經(jīng)由4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)展、更新至7個(gè)完整實(shí)驗(yàn)，涵蓋無(wú)機(jī)材料、高分子材料與納米材料的合成與性能測(cè)試等內(nèi)容。材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，在夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)性操作的同時(shí)，培訓(xùn)學(xué)生壓片、離心、煅燒等更專(zhuān)業(yè)化的實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的發(fā)展與完善，為學(xué)生提供了解和學(xué)習(xí)材料化學(xué)研究前沿知識(shí)的機(jī)會(huì)，拓展學(xué)生視野，將動(dòng)手與動(dòng)腦有力結(jié)合，提升學(xué)生綜合創(chuàng)新能力。

1.2 提前講解，形成框架，相互結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

化學(xué)專(zhuān)業(yè)的大四學(xué)生，在經(jīng)歷基礎(chǔ)、綜合性的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)基礎(chǔ)上，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有了更高層次的要求與理解，針對(duì)這些特點(diǎn)，在開(kāi)課之初，利用兩個(gè)星期，4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，先將材料化學(xué)前沿、熱點(diǎn)進(jìn)行講解， 材料化學(xué)前沿性與應(yīng)用性相結(jié)合的特點(diǎn)，能夠及時(shí)抓住學(xué)生的注意力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性。

隨后在介紹實(shí)驗(yàn)背景的前提下，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合成內(nèi)容以及所合成材料的測(cè)試進(jìn)行簡(jiǎn)單講解，從而形成一個(gè)整體的實(shí)驗(yàn)框架，著重強(qiáng)調(diào)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的系統(tǒng)性，形成提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的一個(gè)科研探索過(guò)程，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科研工作的基本素養(yǎng)。負(fù)責(zé)該創(chuàng)新課程的教師為教材編輯老師，熟悉實(shí)驗(yàn)來(lái)源且立于教學(xué)與科研工作一線，能夠結(jié)合相關(guān)化學(xué)知識(shí)與前沿研究?jī)?nèi)容進(jìn)行講解，為材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課教學(xué)實(shí)踐提供良好的師資保障。如微波輔助水熱合成微孔配位聚合物MOF-5實(shí)驗(yàn)，在講解時(shí)將配位化學(xué)、晶體化學(xué)、功能材料等內(nèi)容與近年來(lái)研究熱點(diǎn)的微波合成方法相結(jié)合，進(jìn)一步鞏固所學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，為學(xué)生講授新研究成果，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力。

2 材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

2.1 靈活安排，合理分割，掌握節(jié)奏，提高實(shí)驗(yàn)效率

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容衍生自教師的科研課題，具有時(shí)間長(zhǎng)，連續(xù)性高，儀器專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)?？紤]到學(xué)生課程的時(shí)間分散性，在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始之初，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有效的歸類(lèi)與分割，同時(shí)教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制好學(xué)生的操作進(jìn)程，掌握實(shí)驗(yàn)的節(jié)奏，提高實(shí)驗(yàn)效率。具體采用以下方式：

①根據(jù)實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)和每周開(kāi)課時(shí)間將學(xué)生有效分組，每天安排7組實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)行大循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程[3]；

②將兩個(gè)具有相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交叉串聯(lián)，如將BaTiO3納米粉的溶膠-凝膠法制備表征與PTC陶瓷材料的制備與測(cè)試兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相糅合，確保在兩周時(shí)間內(nèi)，同時(shí)完成兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；

③將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作等候時(shí)間充分利用，如干燥配合物MOF-5等待測(cè)試的空隙，可安排進(jìn)行反相乳液聚合法制備聚丙烯酰胺絮凝劑實(shí)驗(yàn)的合成部分；

④對(duì)于需要20多學(xué)時(shí)的創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程合理分割，如染料敏化太陽(yáng)電池制作過(guò)程中，指導(dǎo)、督促學(xué)生抓緊時(shí)間，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)緊湊完成TiO2多孔膜電極的制備后浸泡入染料溶液中，再一次實(shí)驗(yàn)時(shí)制備納米鉑黑對(duì)電極、組裝電池，最后進(jìn)行電池組裝和性能測(cè)試。

相比于內(nèi)容固定、時(shí)間長(zhǎng)短不一的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)這種靈活多變的安排方式，能夠最大限度為學(xué)生提供了解學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，使得整個(gè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容更系統(tǒng)、緊湊，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和時(shí)間緊迫感，為學(xué)生的進(jìn)修奠定基礎(chǔ)。

2.2 小組開(kāi)課，加強(qiáng)互動(dòng)，解析儀器，開(kāi)拓專(zhuān)業(yè)視角

由于儀器偏于專(zhuān)業(yè)化，而且配套數(shù)量有限，為保證教學(xué)質(zhì)量，材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)以2-3人為一個(gè)小組。這樣在每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，保障學(xué)生與老師能進(jìn)行面對(duì)面的探討與交流，這種小班式的開(kāi)課過(guò)程，避免出現(xiàn)不分主次、重復(fù)講解消磨學(xué)生過(guò)多的實(shí)驗(yàn)熱情的情況[4]。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的思辨與綜合能力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師鼓勵(lì)學(xué)生自行思考實(shí)驗(yàn)所出現(xiàn)的現(xiàn)象與問(wèn)題，克服傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的學(xué)生只動(dòng)手不動(dòng)腦、千篇一律、不敢提問(wèn)等弊端。待完成材料的合成，先介紹專(zhuān)業(yè)性?xún)x器的性能與用途，再進(jìn)行合成樣品的解析。如通過(guò)激光粒度儀測(cè)量所合成微米和納米粉體粒徑的分布情況；通過(guò)對(duì)合成材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，核實(shí)材料的成分、材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；通過(guò)掃描電鏡測(cè)量對(duì)所合成材料的形貌-性能相關(guān)性進(jìn)行研究等。通過(guò)專(zhuān)業(yè)儀器測(cè)試，學(xué)生學(xué)習(xí)鑒定、測(cè)試、分析新合成材料的方法。材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)操作，更注重學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)，為學(xué)生開(kāi)拓更高的專(zhuān)業(yè)性視角，以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行功能材料的設(shè)計(jì)、制備性能測(cè)試等方面的創(chuàng)新意識(shí)與能力。

2.3 虛實(shí)結(jié)合，注重啟發(fā)，鼓勵(lì)思考，培養(yǎng)綜合能力

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)課過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)仍存在程度不一、相對(duì)薄弱的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：

①少部分學(xué)生在學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在學(xué)習(xí)目標(biāo)不清、學(xué)習(xí)缺乏自主性[5]；

②大四學(xué)生面臨人生岔口時(shí)，偶爾出現(xiàn)的學(xué)習(xí)浮躁性、盲目性等。

面對(duì)這些現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中嘗試進(jìn)行以下改進(jìn)：

①結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，借助虛擬仿真軟件與設(shè)施，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解與模擬預(yù)習(xí)，尤其針對(duì)學(xué)生現(xiàn)下條件無(wú)法完成的虛擬化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹，利用專(zhuān)業(yè)化而且學(xué)生普遍接受的學(xué)習(xí)軟件，達(dá)到隨時(shí)隨地可通過(guò)電腦甚至手機(jī)即可了解和學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)課程的目的，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性；

②注重啟發(fā)學(xué)生，尤其是遇到不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，循序漸進(jìn)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，以尋求解決辦法，活躍課堂氣氛的同時(shí)，給學(xué)生提供更多的自主與發(fā)揮的空間，若學(xué)生提出自己解決問(wèn)題的方法時(shí)，還可安排進(jìn)行分組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生分析、創(chuàng)新的綜合能力；

③設(shè)置多樣化的成績(jī)?cè)u(píng)定方式，不拘泥于單純考勤、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等評(píng)定項(xiàng)目，增加討論對(duì)照實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)等方面的成績(jī)獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行肯定以加強(qiáng)學(xué)生的參與感與責(zé)任心，提高學(xué)生對(duì)于該實(shí)驗(yàn)課的重視程度，提升學(xué)生的綜合能力。

3 材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程成果

3.1 拓展學(xué)生專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)知識(shí)層面，理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)從立題到實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程，將材化課程研究前沿和生活實(shí)踐相緊密結(jié)合，更加強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)課程的專(zhuān)業(yè)性，專(zhuān)業(yè)儀器解析功能與培訓(xùn)，開(kāi)拓學(xué)生專(zhuān)業(yè)性視角，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)材化知識(shí)的運(yùn)用實(shí)踐，使學(xué)生體驗(yàn)學(xué)而致用的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

3.2 啟發(fā)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，提升學(xué)生綜合素質(zhì)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，除基本實(shí)驗(yàn)操作外，增加研究型實(shí)驗(yàn)操作，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性思維，鼓勵(lì)學(xué)生探索、解析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手與動(dòng)腦的真正結(jié)合，鞏固基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)習(xí)運(yùn)用更專(zhuān)業(yè)性實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)驗(yàn)測(cè)試解析手段，提高學(xué)生整體綜合素質(zhì)；

3.3 鞏固相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，拓寬學(xué)生科研思路，提高學(xué)生科研素養(yǎng)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課聯(lián)系功能材料、配位化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等幾門(mén)基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課，鞏固專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，為學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究做鋪墊，包括選題、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、應(yīng)用等過(guò)程，符合高年級(jí)學(xué)生追求獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的需求，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立科研能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生一門(mén)重要的實(shí)驗(yàn)課程，特別對(duì)于材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，這是一門(mén)專(zhuān)業(yè)支撐性的實(shí)驗(yàn)課程。對(duì)這門(mén)新興的實(shí)驗(yàn)課程，由于沒(méi)有更多的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，我們的開(kāi)課過(guò)程也是摸索與完善該實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程。在經(jīng)歷了5年多的學(xué)習(xí)、努力與總結(jié)，該實(shí)驗(yàn)課取得了很好的教學(xué)效果，對(duì)學(xué)生綜合、創(chuàng)造能力的提升有顯著的成效。特別是對(duì)于考研和尋求工作的大四化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程所提供的前沿、熱點(diǎn)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)闊學(xué)生眼界，拓展學(xué)生的知識(shí)層面，向?qū)W生展示材料化學(xué)研究的系統(tǒng)性、應(yīng)用性，對(duì)學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作具有良好啟發(fā)和能力提升作用。以上是筆者在材化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在今后的工作中還需要不斷總結(jié)、探索，才能提升自身專(zhuān)業(yè)與教學(xué)素質(zhì)，輔助教師將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)更好，以全面提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才打造堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊興鈺.材料化學(xué)導(dǎo)論.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

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