材料測(cè)試類課程綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)探索

王衛(wèi)偉 李蛟 張華 孫武珠 叢日敏

摘要：結(jié)合前期課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，探討了如何建設(shè)滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要的材料測(cè)試類課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生課程實(shí)踐能力、提高課程教學(xué)質(zhì)量提供了一些新的思路。

關(guān)鍵詞：材料測(cè)試類課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）30-0271-02

材料測(cè)試類課程以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)測(cè)試儀器的實(shí)際操作能力和測(cè)試數(shù)據(jù)的分析能力為目標(biāo)，具有理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在培養(yǎng)創(chuàng)新型材料工程人才中有著不可替代的作用。為提高教學(xué)效果，我們?cè)诓牧蠝y(cè)試類課程的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了多種教學(xué)方式改革，如混合式教學(xué)、考核方式改革、翻轉(zhuǎn)課堂等，通過(guò)改革教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性，取得了顯著的效果。但是目前針對(duì)材料測(cè)試類課程的教學(xué)改革主要集中在課堂教學(xué)過(guò)程中[1，2]，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的改革和研究較少。如何在注重理論教學(xué)的同時(shí)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)出既具有扎實(shí)的理論知識(shí)，又具有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力的高素質(zhì)人才，是目前材料測(cè)試類課程實(shí)踐教育中亟待解決的問(wèn)題。本文以一種測(cè)試方法（紫外-可見(jiàn)吸收光譜法）為例，建設(shè)“紫外-可見(jiàn)吸收光譜法在新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化中的應(yīng)用”的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，探索材料測(cè)試類課程綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)方法。以下分別從建設(shè)背景、建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)條件三方面進(jìn)行探討。

一、建設(shè)背景介紹

在紫外-可見(jiàn)吸收光譜法綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，我們首先應(yīng)明確該方法的應(yīng)用背景。由于化石能源儲(chǔ)量有限及其使用中帶來(lái)的環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)新型可再生的清潔能源成為關(guān)系人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重大課題。山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程也對(duì)新能源、新材料、新生產(chǎn)模式等發(fā)展提出了新的要求[3，4]。光催化劑可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能或碳?xì)淙剂?，提供新的清潔能源，還可以吸收太陽(yáng)光，催化降解環(huán)境污染物。任何一種新型光催化劑的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)均離不開(kāi)必要的材料測(cè)試分析與表征。紫外-可見(jiàn)吸收光譜法是表征材料禁帶寬度的一種簡(jiǎn)單常用的方法，而禁帶寬度是光催化劑對(duì)太陽(yáng)光的利用能力和光催化降解污染物能力的關(guān)鍵因素。同時(shí)紫外-可見(jiàn)分光光度法是檢測(cè)溶液中各類污染物濃度的一種簡(jiǎn)單方法，其檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好、精度高、使用成本低?？梢哉f(shuō)，紫外-可見(jiàn)吸收光譜是光催化劑設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家及省各級(jí)有關(guān)部門(mén)提出的新能源、新材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)目標(biāo)的重要輔助手段。

紫外-可見(jiàn)分光光度法是材料專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)專業(yè)技能。如何表征材料的禁帶寬度和如何精確檢測(cè)溶液中污染物濃度是新能源開(kāi)發(fā)、環(huán)境凈化和污染物去除的首要問(wèn)題。目前已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)于分散，只是集中在分光光度計(jì)的使用上，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)如何利用該測(cè)試方法設(shè)計(jì)光催化材料和分析污染物濃度。前期教學(xué)過(guò)程中對(duì)多屆學(xué)生線上和線下問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生希望在學(xué)習(xí)某種測(cè)試方法時(shí)，首先能夠明確該測(cè)試方法在實(shí)際科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用，即要求老師在教學(xué)過(guò)程中能夠結(jié)合實(shí)際問(wèn)題，帶著問(wèn)題講解；同時(shí)希望實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程中能夠引入與實(shí)際科研生產(chǎn)密切相關(guān)的實(shí)例。通過(guò)設(shè)計(jì)“紫外-可見(jiàn)吸收光譜法在新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化中的應(yīng)用”綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以使學(xué)生了解新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境污染物處理的最新進(jìn)展，系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何操作分光光度計(jì)、精確選擇和控制測(cè)量條件、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并形成書(shū)面報(bào)告，在今后的科研和工作中，熟練利用分光光度計(jì)表征光催化劑的禁帶寬度和檢測(cè)各類污染物濃度，設(shè)計(jì)新型光催化劑。

二、建設(shè)內(nèi)容總結(jié)

1.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。系統(tǒng)梳理紫外-可見(jiàn)吸收光譜法需要掌握的課程知識(shí)體系，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，以基礎(chǔ)性與前沿性相結(jié)合為指導(dǎo)思想，為了使學(xué)生有一個(gè)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，建立“四步法”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，過(guò)程如下：（1）引入問(wèn)題：引入實(shí)際科研生產(chǎn)的問(wèn)題，明確紫外-可見(jiàn)吸收光譜法的用途，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，使其帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程：結(jié)合基本原理，思考為何紫外-可見(jiàn)吸收光譜法能夠解決該問(wèn)題，使學(xué)生明確如何利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程。（3）操作儀器：熟悉儀器各部分和儀器操作流程，能夠熟練操作儀器，明確儀器操作的注意事項(xiàng)。（4）分析譜圖：實(shí)驗(yàn)的最終目的是從譜圖分析中，利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法解決實(shí)際問(wèn)題。對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和譜圖進(jìn)行分析，同時(shí)思考能否解決最初的問(wèn)題，還有哪些地方需要改進(jìn)。

2.編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。明確學(xué)生要掌握的知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容，根據(jù)“四步法”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的要求，將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)分為：預(yù)習(xí)部分（包括引入的問(wèn)題）、實(shí)驗(yàn)部分（包括儀器操作流程、實(shí)際例子的實(shí)驗(yàn)流程）、譜圖分析部分、練習(xí)案例部分。編寫(xiě)各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，明確知識(shí)的類別和認(rèn)知過(guò)程要求，同時(shí)明確每一部分的使用方法。

3.修改實(shí)驗(yàn)考核方法。為了激勵(lì)學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，需要強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的過(guò)程性考核，重點(diǎn)考查實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)情況、實(shí)驗(yàn)操作情況、譜圖分析情況和練習(xí)思考情況，分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的考核方法和分?jǐn)?shù)，并鼓勵(lì)學(xué)生參與到考核過(guò)程中。

4.收集分析用案例?！白贤?可見(jiàn)吸收光譜法在新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化中的應(yīng)用”綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括以下環(huán)節(jié)，即問(wèn)題提出—基本原理復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)—儀器操作過(guò)程和影響因素—譜圖分析—如何解決實(shí)際問(wèn)題—案例分析練習(xí)。整個(gè)流程中，紫外-可見(jiàn)吸收光譜譜圖分析用案例起到關(guān)鍵性的作用。通過(guò)引入實(shí)際問(wèn)題讓學(xué)生明確該方法的用途，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；復(fù)習(xí)紫外-可見(jiàn)吸收光譜法檢測(cè)基本原理，使學(xué)生明確如何利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，掌握如何選擇合適的測(cè)試條件進(jìn)行表征，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)譜圖進(jìn)行正確和全面的分析，從而解決科學(xué)研究或生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問(wèn)題。

三、建設(shè)條件分析

1.實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的基本設(shè)備。“紫外-可見(jiàn)吸收光譜法在新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化中的應(yīng)用”綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展需要的儀器設(shè)備主要有紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，是材料實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的測(cè)試類儀器。

2.實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的教師條件。指導(dǎo)教師應(yīng)從事或者熟悉新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化方面的研究工作，熟練操作紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，了解相關(guān)方面的最新科研進(jìn)展，能夠收集和整理相關(guān)的譜圖等案例。教師需要不斷跟蹤該方面最新應(yīng)用和研究進(jìn)展，有利于將最新的研究進(jìn)展引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容緊跟發(fā)展前沿；指導(dǎo)教師需轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不再是簡(jiǎn)單的重復(fù)、演示，而是要把握知識(shí)體系的主干，為學(xué)生提供資料和討論問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程。

3.實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的學(xué)生條件。需要學(xué)生轉(zhuǎn)變思想，接受和適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)生的潛力和活力發(fā)揮出來(lái)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)方式需要做出相應(yīng)的改變：（1）過(guò)程化學(xué)習(xí)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程不再是簡(jiǎn)單的走走過(guò)場(chǎng)，照著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行的重復(fù)性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，而是參與到實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)中，認(rèn)真思考紫外-可見(jiàn)吸收光譜法在實(shí)際科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用。（2）問(wèn)題化學(xué)習(xí)：學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)思考，提出問(wèn)題，既有利于自己的深入思考，也能促進(jìn)其他同學(xué)的學(xué)習(xí)。（3）個(gè)性化學(xué)習(xí)：不同學(xué)生會(huì)對(duì)知識(shí)點(diǎn)形成了自己的框架，引入問(wèn)題后，學(xué)生可以根據(jù)自己的思考情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生有更多自由發(fā)揮的余地，體現(xiàn)個(gè)性。

總之，結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)、生產(chǎn)和科研實(shí)際，建設(shè)材料測(cè)試類綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)有利于提高課程教學(xué)質(zhì)量和鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力。引導(dǎo)學(xué)生充分利用綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣的學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生具有極強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)分析能力，同時(shí)也是對(duì)科研思維的一種訓(xùn)練和引導(dǎo)，有利于學(xué)生今后獨(dú)立開(kāi)展工作。

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