“無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)探討

朱玲玲, 周 穎, 毋雪梅, 辛榮生, 孫春暉, 葉國田

(鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

“無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)探討

朱玲玲, 周 穎, 毋雪梅, 辛榮生, 孫春暉, 葉國田

(鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

以“水泥漿體水化過程中pH值的測(cè)定”“水泥漿體水化過程中黏度的測(cè)定”和“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例,對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)“無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀及問題進(jìn)行了分析與探討。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、構(gòu)建高效“教”與“學(xué)”機(jī)制、改革考核方式、強(qiáng)調(diào)科研習(xí)慣養(yǎng)成等改革措施,將“教”與“學(xué)”互動(dòng)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué),充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與課程實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。

無機(jī)非金屬材料； 課程實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)改革

“無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”是無機(jī)非金屬材料專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課,旨在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)基本技能的訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,使學(xué)生掌握無機(jī)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域所涉及的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)試技術(shù),培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力以及工程設(shè)計(jì)的能力,以適應(yīng)現(xiàn)代材料工程對(duì)工程技術(shù)人員知識(shí)、能力與素質(zhì)的全面要求。以新開設(shè)的“水泥漿體水化過程中pH的測(cè)定”“水泥漿體水化過程中黏度的測(cè)定”和“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定” 實(shí)驗(yàn)為途徑,以我校材料科學(xué)與工程學(xué)院無機(jī)非金屬專業(yè)的30名大三學(xué)生為教學(xué)對(duì)象,通過多項(xiàng)改革措施充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的積極性和主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

1 “無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”教學(xué)現(xiàn)狀

近年來,隨著教學(xué)改革的不斷深入,為了更好地提高大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作能力,培養(yǎng)全面發(fā)展、各方面更具競(jìng)爭力的創(chuàng)新型人才,各高校紛紛綜合國家、省市、學(xué)校和院系各方面的力量,充分研討現(xiàn)有課程實(shí)驗(yàn)體系,積極進(jìn)行大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[1-5]。教學(xué)內(nèi)容在不斷革新結(jié)構(gòu)、充實(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上日趨完善,教學(xué)手段在多媒體信息技術(shù)的帶動(dòng)下逐漸呈現(xiàn)多樣化、豐富化等特點(diǎn)。課程實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展和完善可以更好地滿足學(xué)生的真實(shí)需求,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力提高學(xué)生的綜合素質(zhì)具有很大的積極作用,但是在具體實(shí)施過程中仍然存在很多問題。

首先,有些任課教師需提高實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合素質(zhì)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,教師應(yīng)時(shí)刻以學(xué)生為完成實(shí)驗(yàn)的主體,更好地發(fā)揮教師作為引導(dǎo)者而非灌輸者的作用。在很多本科高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于教師擔(dān)心學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握并不是十分透徹,為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行,所以每次做實(shí)驗(yàn)時(shí)都進(jìn)行大量細(xì)致而煩瑣的講解,導(dǎo)致大量時(shí)間的浪費(fèi)[1]；另外,當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題時(shí),為了不影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度,個(gè)別教師傾向于直接告訴學(xué)生解決方案,而不是去引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生自行解決,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)原理理解不深刻、不透徹。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的異常情況缺乏行之有效的處理手段,不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。

其次,部分大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和實(shí)踐動(dòng)手能力有待提升。除了高校教師需要注意掌控整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度,作為教學(xué)主體的大學(xué)生更是需要端正實(shí)驗(yàn)態(tài)度及注意提高自己的動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)過程中,教師給學(xué)生講解正確規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作是培養(yǎng)大學(xué)生良好科研習(xí)慣的第一步,也是使學(xué)生終生受益的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[5],然而相當(dāng)一部分學(xué)生不以為然,不能理解教師的良苦用心；另外,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量有限,很多情況下實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是分組進(jìn)行,容易導(dǎo)致部分學(xué)生混在實(shí)驗(yàn)小組中充當(dāng)“南郭先生”,實(shí)驗(yàn)前不愿預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)中不愿動(dòng)手,實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是應(yīng)付了事。

此外,實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置需要進(jìn)一步優(yōu)化。合理的課程設(shè)置是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要問題。在校學(xué)生反映實(shí)驗(yàn)任務(wù)繁重,幾乎每門專業(yè)課都有課程實(shí)驗(yàn),而且部分實(shí)驗(yàn)存在操作重復(fù)現(xiàn)象,有些實(shí)驗(yàn)的思路設(shè)計(jì)落后實(shí)際工業(yè)發(fā)展水平,存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊等問題。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)意義不大,在學(xué)生課業(yè)繁忙的情況下還容易導(dǎo)致學(xué)生的逆反心理。合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是保證課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的關(guān)鍵,也是有效培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的關(guān)鍵。

2 構(gòu)建高校“教”與“學(xué)”機(jī)制

建立并遵循高?！敖獭迸c“學(xué)”機(jī)制是保證課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的關(guān)鍵[6-8]。美國著名學(xué)者布魯巴克曾提出:“最精湛的教學(xué)藝術(shù), 遵循的最高標(biāo)準(zhǔn)就是讓學(xué)生自己提問題。”[9]在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,任課教師應(yīng)徹底摒棄實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以傳授和驗(yàn)證知識(shí)為目標(biāo)的舊觀念,增加實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性,增強(qiáng)學(xué)生在課程實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中的參與度,充分發(fā)揮“教”與“學(xué)”的互動(dòng),從而激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。

為了提高“無機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)質(zhì)量,我們根據(jù)無機(jī)非金屬材料行業(yè)目前的發(fā)展?fàn)顩r,新開設(shè)了“水泥漿體水化過程中pH的測(cè)定”“水泥漿體水化過程中黏度的測(cè)定”和“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”3個(gè)課程實(shí)驗(yàn),并致力于在其實(shí)施過程中構(gòu)建并遵循高效“教”與“學(xué)”機(jī)制。

首先,保證每個(gè)學(xué)生都參與“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系-探討可能出現(xiàn)的問題-提出應(yīng)對(duì)方案-擬定實(shí)驗(yàn)步驟-分工協(xié)作-分析總結(jié)”這一完整的研究過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量確定合理的分組數(shù)目,并把分組的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生；然后引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、結(jié)合實(shí)驗(yàn)講義、查閱相關(guān)資料，提出具體設(shè)計(jì)思路和擬定實(shí)驗(yàn)方案。克服了學(xué)生可能只是觀測(cè)實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的老問題,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

其次,在“無機(jī)材料科學(xué)與性能”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中增加“課前提問”和“實(shí)驗(yàn)操作考核”環(huán)節(jié)。在開始講課前隨機(jī)選取每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的部分學(xué)生進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)的基本思路、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作原理及注意事項(xiàng)等課前提問,通過學(xué)生的回答掌握其對(duì)理論部分的整體理解程度,將個(gè)別課前預(yù)習(xí)效果太差的學(xué)生安排到下一輪的實(shí)驗(yàn)分組,從而在督促學(xué)生保證實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的基礎(chǔ)上合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

由于“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)正好需要運(yùn)用在“水泥水化過程中pH值的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中掌握的實(shí)驗(yàn)方法和技能,我們選擇將“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中高嶺土—水的pH值測(cè)定作為實(shí)驗(yàn)考試,學(xué)生需獨(dú)立進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)教師進(jìn)行巡視,觀察學(xué)生的操作水平,并對(duì)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分。這不僅有利于加強(qiáng)學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的意識(shí),也可以促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中互相監(jiān)督,充分調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與性。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,特別注意培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力:

(1) 在“水泥水化過程中pH值的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中,有學(xué)生提出,每隔固定時(shí)間測(cè)試水泥漿體的pH值時(shí),是否停止磁力攪拌會(huì)影響測(cè)試數(shù)值的疑問,據(jù)此順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)組織做分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

(2) 在“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生在向注入水或待測(cè)樣品的比色皿中插入十字標(biāo)或電極時(shí)常常出現(xiàn)氣泡,影響ζ-電位測(cè)試的準(zhǔn)確性,而工程師建議的輕彈趕氣泡方法并不理想且耗時(shí)很長,對(duì)此問題，有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整比色皿中溶液的加入量可有效避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(3) “水泥漿體水化過程中黏度的測(cè)定”是3個(gè)實(shí)驗(yàn)中最富挑戰(zhàn)性、也是最有利于學(xué)生開拓思路的實(shí)驗(yàn),學(xué)生可根據(jù)自己的興趣點(diǎn),通過改變轉(zhuǎn)子類型、轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速及漿體水灰比等一系列實(shí)驗(yàn)參數(shù),設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)體系下水泥水化過程中黏度變化規(guī)律的測(cè)試,從而充分理解轉(zhuǎn)子類型/型號(hào)/轉(zhuǎn)速的選取原則,并結(jié)合水泥加入速度等實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，摸索出控制扭矩范圍在60%～70%的最佳參數(shù)組合。這個(gè)過程中每個(gè)學(xué)生的測(cè)試數(shù)值,都有可能影響整體變化規(guī)律的科學(xué)性與準(zhǔn)確性,因此對(duì)于提高學(xué)生的團(tuán)體協(xié)作能力以及充分掌握非牛頓流體的特性，都具有重要意義。

3 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的其他方案

要保證大學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,有效鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì),不僅要遵循高?！敖獭迸c“學(xué)”相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制,還應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面[10-12]:

(1) 材料科學(xué)與工程課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“與時(shí)俱進(jìn)”?！盁o機(jī)材料科學(xué)與性能實(shí)驗(yàn)”作為材料科學(xué)與工程專業(yè)無機(jī)非金屬材料方向的重要實(shí)驗(yàn)課程,應(yīng)面向工程與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面都要與行業(yè)現(xiàn)有發(fā)展水平密切聯(lián)系。注意實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的維護(hù)和更新,并積極引入新的實(shí)驗(yàn)手段,真正使學(xué)生學(xué)有所用。

(2) 建立全方位多層次的綜合考評(píng)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)教學(xué)之所以常常流于形式,主要由于實(shí)驗(yàn)課程的成績?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較片面,很難反映實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告只能作為學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)成績考核的一個(gè)方面,學(xué)生在具體實(shí)驗(yàn)過程中的參與程度及其在實(shí)驗(yàn)小組中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作表現(xiàn)都應(yīng)納入考評(píng)。比如,實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性等方面應(yīng)該和實(shí)驗(yàn)報(bào)告一起列入綜合評(píng)定基礎(chǔ)成績的衡量范圍,與此同時(shí),也應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)操作的抽考,對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中能否發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題,實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析中是否有自己的獨(dú)立思考與見解等方面來評(píng)定成績。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)、規(guī)范操作的習(xí)慣。大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是養(yǎng)成學(xué)生良好習(xí)慣的重要平臺(tái),不僅實(shí)驗(yàn)過程中所用主要儀器設(shè)備(梅特勒臺(tái)式PH計(jì)SevenCompact系列S220多參數(shù)測(cè)試儀、博勒飛DV2T型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)、JS94H型微電泳儀)的使用要嚴(yán)格遵循操作規(guī)程并按要求填寫實(shí)驗(yàn)記錄,實(shí)驗(yàn)中用過的藥品也要及時(shí)歸位,燒杯、試管及瑪瑙研缽等使用完畢后也要及時(shí)清洗干凈,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)自覺清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)并打掃實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生。良好的實(shí)驗(yàn)室操作習(xí)慣是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要體現(xiàn),規(guī)范操作習(xí)慣的養(yǎng)成會(huì)使學(xué)生受益終生。

4 結(jié)語

通過“水泥漿體水化過程中pH的測(cè)定”“水泥漿體水化過程中黏度的測(cè)定”和“陶瓷漿體ζ-電位的測(cè)定”3個(gè)課程實(shí)驗(yàn), 將“教”與“學(xué)”作為一對(duì)有機(jī)體貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,充分提高了學(xué)生的積極主動(dòng)性、參與度、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、分析問題和解決問題的能力。在教育改革的大趨勢(shì)下,學(xué)生的動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)能力成為衡量教育質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,我們保持教學(xué)思維的與時(shí)俱進(jìn),不斷更新適合現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展水平的教學(xué)方法,確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中培養(yǎng)扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和良好的科研素質(zhì),才能使其在走向工作崗位后真正成長為材料行業(yè)的中流砥柱。

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Discussion on teaching of Experiments for Inorganic Materials Science and Properties course

Zhu Lingling, Zhou Ying, Wu Xuemei, Xin Rongsheng, Sun Chunhui, Ye Guotian

(School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Taking the “Determination of pH value on cement paste hydration process,” “Determination of the viscosity on cement paste hydration process,” and “Determination of Zeta-potential value of the ceramic slurry” experiments as examples, the current teaching situation and issues of the Experiments for Inorganic Materials Science and Properties are fully analyzed and discussed. The interaction between “teaching” and “l(fā)earning” runs through the whole experiment teaching process, and the quality of experimental teaching is significantly improved by the optimization of designing experimental content, construction of efficient “teaching” and “l(fā)earning” mechanism, reform of evolution mode and emphasis on forming scientific habits, which is not only beneficial to mobilizing the students’ initiative and enthusiasm for scientific research, but also helpful to improve their scientific research quality.

inorganic nonmetallic materials; course experiment; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.047

2016-08-07

2014年度河南省高等教育教學(xué)改革省級(jí)研究項(xiàng)目(2014SJGLX120)；2014年度鄭州大學(xué)優(yōu)秀青年教師發(fā)展基金項(xiàng)目(1421320048)； 2015年度NSFC-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1504526)

朱玲玲(1983—),女,山東淄博,博士,講師,主要研究方向?yàn)闊o機(jī)非金屬材料的制備與應(yīng)用.

E-mail：llzhu@zzu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)2-0183-03