環(huán)境功能材料綜合實驗的教學(xué)改革探索

＊張弛 蘇紫穎

（1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院 江蘇 211100 2.上海市水利工程集團有限公司 上海 201600）

環(huán)境功能材料主要是指具有獨特的物理、化學(xué)、生物性能，并具有一定環(huán)境凈化效果的新型材料[1]，在當今環(huán)境矛盾日益突出的社會發(fā)展背景下備受關(guān)注。伴隨著材料學(xué)科的不斷發(fā)展，社會對材料專業(yè)學(xué)生的理論知識和實踐能力有了更高的要求，專業(yè)化的實驗課程進而成為必不可少的重要基礎(chǔ)課程[2-4]。為了提高專業(yè)實驗課程的教學(xué)質(zhì)量、社會適用性以及與時俱進性，實驗課程的改革探索日益得到重視，越來越多的教學(xué)工作者提出了新的改革研究及相應(yīng)的優(yōu)化[5-7]。然而，目前針對環(huán)境功能材料綜合實驗的教學(xué)改革仍較為稀缺，對該課程的教學(xué)改革探索尚待完善。

隨著我國科技和經(jīng)濟的不斷進步，各個基礎(chǔ)學(xué)科也被同步推動發(fā)展。值得注意的是，交叉科學(xué)集分化與綜合于一體，實現(xiàn)了學(xué)科的交互性和整體性的統(tǒng)一[8-10]。同時學(xué)科交叉隸屬于新的科學(xué)前沿，通過不同學(xué)科的研究人員打破單一學(xué)術(shù)領(lǐng)域的界限，能夠?qū)ζ款i性問題進行綜合性研究，極有可能帶來新的重大突破，進而促使科學(xué)發(fā)生革命性變化，具有巨大的社會價值。在新的時代發(fā)展階段里，我國仍需強化科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，故需進一步提倡學(xué)科交叉并注重交叉科學(xué)的發(fā)展。

材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)在我國經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展中占據(jù)著重要地位，故而國家新時代發(fā)展也推動了材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的不斷進步。其中，材料學(xué)科的形成是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，并且材料學(xué)科也是當代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)[11]。而環(huán)境學(xué)科的形成是人類社會發(fā)展的結(jié)果，為環(huán)境污染的嚴重現(xiàn)實和社會的迫切需要所驅(qū)動，研究人類生存的環(huán)境質(zhì)量及其保護與改善的科學(xué)[12]。一方面，不恰當?shù)亻_發(fā)和使用材料導(dǎo)致了眾多環(huán)境污染與能源浪費的現(xiàn)象，另一方面，材料又是解決許多環(huán)境及能源問題的關(guān)鍵技術(shù)。兩種學(xué)科之間有著密切的關(guān)聯(lián)，其交叉教學(xué)可以促進人才緊跟科學(xué)化建設(shè)的發(fā)展，同時也可以促進學(xué)生科學(xué)概念的不斷完善。為了實現(xiàn)人才培養(yǎng)的與時俱進，材料學(xué)科和環(huán)境學(xué)科的交叉教學(xué)被提上日程。

材料學(xué)科的綜合實驗課程主要圍繞著材料設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化及合理使用，而環(huán)境學(xué)科主要圍繞著人類生存的環(huán)境質(zhì)量及其保護與改善。隨著人口的增長和工業(yè)的發(fā)展，各類環(huán)境問題不斷爆發(fā)，人們逐漸認識到環(huán)境保護的重要性以及污染治理的迫切性[13-15]。材料學(xué)科的綜合實驗可研發(fā)并改進一系列新型環(huán)境功能材料，從而為各類環(huán)境的治理應(yīng)用提供技術(shù)支持。其中，環(huán)境功能材料的提出進一步證實了二者之間的交互關(guān)系，即指對環(huán)境無害的并可應(yīng)用于實際環(huán)境保護的功能材料[16-17]。因此，基于材料和環(huán)境之間的交互性密切關(guān)系，環(huán)境功能材料綜合實驗的教學(xué)改革對環(huán)境問題的解決也具有重大意義。

1.環(huán)境功能材料綜合實驗的教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)部分高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)的實驗課程包含了環(huán)境功能材料綜合實驗，綜合實驗課程所用講義多數(shù)為自編的實驗指導(dǎo)書，實驗學(xué)時一般可設(shè)置為30學(xué)時，實驗內(nèi)容可以具體分為6個實驗（即每個實驗占5個學(xué)時），涉及環(huán)境功能材料的熱燒結(jié)制備實驗、環(huán)境功能材料的化學(xué)組成分析實驗、環(huán)境功能材料的力學(xué)性能測定實驗、環(huán)境功能材料（建筑材料類）的抗壓強度測定實驗、環(huán)境功能材料的電化學(xué)性能測定實驗、環(huán)境功能材料的穩(wěn)定性評估實驗等內(nèi)容。該課程作為一個基礎(chǔ)實驗課程，可使學(xué)生對所學(xué)的專業(yè)知識有一個整體了解和直接感知。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可從環(huán)境功能材料的設(shè)計、環(huán)境功能材料的制備和成型以及性能的檢測全過程得到訓(xùn)練，提升綜合運用專業(yè)知識的能力。然而，目前的環(huán)境功能材料綜合實驗仍存在著以下突出性的問題：

（1）綜合實驗教學(xué)的課程已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的專業(yè)培養(yǎng)目標要求?，F(xiàn)有的環(huán)境功能材料綜合實驗課程缺乏跟隨時代前沿性變化的動態(tài)調(diào)整機制。隨著時代的發(fā)展，更多種類的環(huán)境功能材料逐漸出現(xiàn)，制備技術(shù)和環(huán)境應(yīng)用也不斷地發(fā)展，而目前的實驗課程僅僅固定在之前的課本知識上，缺乏前沿性實驗及環(huán)境功能材料的應(yīng)用展望，并且現(xiàn)階段的環(huán)境功能材料的實驗?zāi)Ｊ捷^為固定，導(dǎo)致學(xué)生實驗操作技能與現(xiàn)代社會專業(yè)要求略有脫節(jié)。

（2）綜合實驗教學(xué)的設(shè)備臺數(shù)分布不均。環(huán)境功能材料綜合實驗需要依賴于大型實驗儀器實施，而部分大型實驗儀器由于儀器所需資金、儀器管理人力、材料反應(yīng)時間的限制而出現(xiàn)數(shù)量匱乏問題，直接導(dǎo)致部分學(xué)生無法直接接觸實驗設(shè)備，限制了學(xué)生的課堂實踐操作，最終影響了實驗課程的教學(xué)效果。

（3）綜合實驗教學(xué)的創(chuàng)新性不夠?，F(xiàn)有的環(huán)境功能材料綜合實驗教學(xué)方法主要依賴于基礎(chǔ)的課程內(nèi)容，通過閱讀環(huán)境功能材料綜合實驗指南書，依賴于老師對課程內(nèi)容的解讀和演示實施，導(dǎo)致學(xué)生按部就班、缺乏獨立思考的能力和自由發(fā)揮的空間，進而降低了學(xué)生們在課堂討論的積極性和參與度。

（4）綜合實驗的教學(xué)思路單一。學(xué)科交叉不僅能促進現(xiàn)代科學(xué)的進步，同時也能為課程教學(xué)提供新的方向。人才培養(yǎng)應(yīng)緊跟科技發(fā)展的步伐，專業(yè)教育也應(yīng)當與時俱進。然而現(xiàn)有的環(huán)境功能材料綜合實驗教學(xué)思路偏重于材料設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化的教授，而忽視了材料功能及合理使用的介紹，不能有效地對學(xué)生的“可持續(xù)發(fā)展”思想產(chǎn)生引導(dǎo)作用。

2.環(huán)境功能材料綜合實驗的改革措施

通過對實驗課程的教學(xué)內(nèi)容解析，主要提出以下幾個方法來改善上述環(huán)境功能材料綜合實驗所面臨的問題：

（1）更新教學(xué)內(nèi)容：通過對教學(xué)內(nèi)容的時代性思考，在課程教學(xué)中加入最新的環(huán)境功能材料研究進展和方向，例如，結(jié)合國家生態(tài)文明建設(shè)、“雙碳”目標等政策導(dǎo)向和形勢發(fā)展，引入“生態(tài)環(huán)境材料”“低碳環(huán)保材料”“新能源材料”的教學(xué)內(nèi)容。此外，材料學(xué)科的綜合實驗課程可鼓勵學(xué)生研發(fā)并改進一系列新型的環(huán)境功能材料，包括再生資源回收利用、節(jié)能減排、低碳發(fā)展、綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展等理念，從而為水體、空氣、土壤等環(huán)境的治理應(yīng)用提供技術(shù)支持。同時結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整和改善，可以使得學(xué)生掌握綜合實驗課程所學(xué)知識的具體應(yīng)用，進而使得專業(yè)培養(yǎng)與現(xiàn)代人才培養(yǎng)目標相吻合。

（2）調(diào)整實驗時間：在經(jīng)費、人力等實際客觀條件的限制下，額外采購大型實驗儀器的訴求難以落實，因此，采用錯峰實驗法使得實驗時間的設(shè)置趨向自由化成為一種更切合實際且更為便捷的選擇。首先對學(xué)生進行統(tǒng)一的基礎(chǔ)培訓(xùn)，使學(xué)生掌握實驗設(shè)備的運行原理和使用方法以及實驗結(jié)果的分析原則和檢測方法，然后將學(xué)生分為數(shù)組進行錯峰預(yù)約實驗時間和設(shè)備，保證每位同學(xué)有充足的時間參與至實驗課程學(xué)習(xí)。

（3）改革教學(xué)模式：傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以老師為主體，通過老師對所要探究的實驗內(nèi)容進行示范和演繹，然后學(xué)生模仿實驗過程，即進行機械性重復(fù)，缺乏對課程的自主性認識和深度思考。因此，建議首先將學(xué)生進行細化分組；然后在實驗開始前通過小組討論的方式初步擬定實驗方案，并要求每位學(xué)生參與；最后通過老師講解確定實驗方案的可行性并自主開始試驗。

（4）強化交叉教學(xué)：環(huán)境材料學(xué)是一門涉及環(huán)境、材料、自然、社會、技術(shù)、管理等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，主要內(nèi)容可概括為兩個方面[18-19]：一是探討在材料的制備加工和使用過程中減少對人類生存環(huán)境的影響。二是探究如何通過材料的合成和應(yīng)用以改善人類生存環(huán)境。建議將可持續(xù)發(fā)展和資源保護意識引入材料綜合實驗專業(yè)課程，幫助學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)成長過程中樹立可持續(xù)發(fā)展意識，利用自己所學(xué)到的材料知識以解決社會面臨的環(huán)境問題，并積極鼓勵學(xué)生開發(fā)利用環(huán)境友好性功能材料以實現(xiàn)環(huán)境污染的綠色修復(fù)；同時幫助學(xué)生拓寬學(xué)習(xí)思路，使學(xué)習(xí)專業(yè)培養(yǎng)方向與未來應(yīng)用發(fā)展趨勢相吻合。

環(huán)境功能材料綜合實驗課程實現(xiàn)了材料學(xué)科與環(huán)境學(xué)科的緊密結(jié)合，二者相輔相成，協(xié)同促進材料和環(huán)境的學(xué)科發(fā)展?？萍嫉陌l(fā)展是一把雙刃劍，正像材料的研發(fā)與環(huán)境的保護之間的關(guān)系。通過新材料的研發(fā)可實現(xiàn)快速高效的環(huán)境污染治理及修復(fù)，但新材料的研發(fā)和使用過程也可能會產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險?，F(xiàn)如今，部分高校已開設(shè)了環(huán)境材料學(xué)、環(huán)境功能材料、環(huán)境功能材料相關(guān)實驗等課程[20-24]，將交叉教學(xué)應(yīng)用于實際教學(xué)工作中（表1）。

表1 國內(nèi)知名高校開設(shè)的環(huán)境材料學(xué)、環(huán)境功能材料、環(huán)境功能材料相關(guān)實驗課程情況表

環(huán)境材料學(xué)的教學(xué)內(nèi)容偏重于環(huán)境材料的基本概念及定義、影響因素、評價方法、意識形態(tài)等，即重視學(xué)生對環(huán)境材料的理論知識學(xué)習(xí)；環(huán)境功能材料的教學(xué)內(nèi)容則偏重于環(huán)境材料的功能性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)應(yīng)用等，即重視學(xué)生對環(huán)境材料的實際應(yīng)用；而環(huán)境功能材料綜合實驗的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于環(huán)境材料的制備技術(shù)、組分分析、性能測定及評估等，即依托于環(huán)境材料學(xué)和環(huán)境功能材料的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用展望，重視學(xué)生對環(huán)境材料的外在實踐與內(nèi)在思辨。無論是環(huán)境材料學(xué)、環(huán)境功能材料，還是環(huán)境功能材料綜合實驗，在提高學(xué)生對材料和環(huán)境的結(jié)合意識方面均做出了有益的嘗試。

環(huán)境功能材料綜合實驗的交叉教學(xué)有助于材料學(xué)科和環(huán)境學(xué)科交互性知識在課程學(xué)習(xí)、實際生活應(yīng)用、未來工作相結(jié)合，使學(xué)生在完成自身專業(yè)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上進一步了解目前所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的研究前沿和未來的發(fā)展趨勢，有助于拓展學(xué)生專業(yè)思維，增強學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，從而為學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)深造和工作發(fā)展奠定扎實基礎(chǔ)和提供強有力支撐。

3.總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)地分析了材料類專業(yè)關(guān)于開設(shè)環(huán)境功能材料綜合實驗教學(xué)方面所存在的問題，從實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)備、教學(xué)模式、教學(xué)交叉四個方面進行探究，并提出了相應(yīng)的實驗課程教學(xué)改革措施。通過教學(xué)改革措施的提出，促進學(xué)生積極地參與至實驗課程，準確地掌握實驗技巧和專業(yè)內(nèi)容，最終激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識、積極創(chuàng)新能力以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展觀念，進而提升實驗課程教學(xué)的綜合質(zhì)量。以上問題和措施可能存在著一定的局限性，因此在后續(xù)的實施中仍需不斷探索并實時改進。