“一流課程”建設(shè)背景下材料化學(xué)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探究

佘小紅，杜 娟，朱雯莉，劉乃強(qiáng)，林修洲

(四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

2019年10月，教育部頒布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中提出“強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新的問(wèn)題，杜絕信息技術(shù)應(yīng)用的簡(jiǎn)單化、形式化”[1]。在這樣的大環(huán)境下，開展材料化學(xué)專業(yè)“一流課程”建設(shè)對(duì)材料化學(xué)專業(yè)教育具有深遠(yuǎn)的意義。

材料化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握材料化學(xué)的基本理論與技術(shù)，熟悉與材料化學(xué)相關(guān)的基本知識(shí)和技能，培養(yǎng)能在材料化學(xué)及與其相關(guān)領(lǐng)域從事研究、教學(xué)、科技開發(fā)及相關(guān)管理工作的人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有不可替代的作用[2]。因此，材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)體系的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。除了加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)外，還要強(qiáng)化專業(yè)實(shí)踐技能的培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。本文將以四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主要研究對(duì)象，通過(guò)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)、分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論與討論等步驟，全面優(yōu)化和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建新的教學(xué)方案，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式，搭建開放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)我院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與探討。

1 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系環(huán)節(jié)的缺失

四川輕化工大學(xué)的材料化學(xué)是工科專業(yè)，具有以實(shí)驗(yàn)為主且與實(shí)踐緊密相關(guān)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往與理論教學(xué)相穿插。我們的學(xué)生雖然具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，但是他們?nèi)狈?dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。然而，目前的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系不能有效鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，在材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)以學(xué)生為主體，使學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鍛煉其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

1.1 教學(xué)方法相對(duì)簡(jiǎn)單

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用實(shí)驗(yàn)教師在課程的前幾分鐘介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后教師演示，學(xué)生觀察，再由學(xué)生根據(jù)教材內(nèi)容自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。但是教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由“教師講，學(xué)生聽、做”的“灌輸式”教學(xué)方式非常單一和被動(dòng)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，無(wú)法有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分

大多數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理還停留在誤差較大、費(fèi)時(shí)較多的手動(dòng)處理階段，使用專門的科研軟件來(lái)處理專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還能縮短時(shí)間。例如，在進(jìn)行在做“材料的拉伸”實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要用Origin軟件來(lái)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中晶體分析需要Jade軟件，這些科研軟件對(duì)于材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)都是必不可少的。但是在授課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，能夠熟練使用這些軟件的學(xué)生很少，有部分學(xué)生甚至不知道有這些軟件。

1.3 結(jié)論與討論部分

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是讓在復(fù)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)的不足之處，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析和處理現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題的能力。完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程由理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論這幾部分組成。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，大多數(shù)學(xué)生只完成了實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)，缺乏對(duì)結(jié)果的討論與分析。結(jié)果討論與分析部分是非常重要的。經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析過(guò)程，可以使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在的問(wèn)題，探索實(shí)際應(yīng)用過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的差異，提高他們的創(chuàng)新思維。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾點(diǎn)建議

2.1 改變教學(xué)模式

將“教師講，學(xué)生聽、做”的“灌輸式”教學(xué)方式變成“教師主導(dǎo)和學(xué)生主體”的雙作用方式，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生真正成為教學(xué)過(guò)程中的主體。材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案上要求學(xué)生具有獨(dú)立解決科學(xué)問(wèn)題和獨(dú)立解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要盡可能的引導(dǎo)學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題結(jié)合的思考，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。要求學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和步驟，獨(dú)立調(diào)試儀器設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方案。首先，起碼要提前一星期詳細(xì)的告知學(xué)生本次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件(如原材料，藥品，儀器設(shè)備等)，要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)題目?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，方案包括原材料的處理、材料制備、性能測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)具體流程等內(nèi)容；然后實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)審與修改，并確定實(shí)驗(yàn)方案；最后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。每次課后，教師須有目的地安排2～4名學(xué)生分別對(duì)本次實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行小結(jié)，隨后教師做點(diǎn)評(píng)。這樣可以鍛煉學(xué)生對(duì)材料開發(fā)與研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)、總結(jié)和分析，提出可行的研究方案的能力。

2.2 改進(jìn)考核方式

適當(dāng)?shù)目己朔绞侥軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的積極性。目前實(shí)驗(yàn)課考核主大多以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主據(jù)，形式單一，大部分學(xué)生通過(guò)抄實(shí)驗(yàn)講義敷衍了事，沒有主動(dòng)思考，無(wú)法鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探索精神。因此，可以嘗試多元化的考核方式。不僅要重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還要注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椋瑥?qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所獲得的知識(shí)、技能和能力的評(píng)價(jià)。課后，不再僅針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或者講義本身設(shè)置問(wèn)題，而是脫離實(shí)驗(yàn)教材所涵蓋的部分，使學(xué)生無(wú)法照搬教材或講義來(lái)完成。這些問(wèn)題既可以是涉及到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的原理知識(shí)，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。與此同時(shí)，還可以開展研究性教學(xué)，設(shè)置一些目的明確的高級(jí)問(wèn)題，督促學(xué)生就題目進(jìn)行思考，有目的地利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)檢索等查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，最后結(jié)合自己的想法給出具有個(gè)人特色的答案。不建議為此類問(wèn)題設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案，目的不是結(jié)果，而是學(xué)生在回答問(wèn)題過(guò)程中的思考和檢索、閱讀過(guò)程。

2.3 增加實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)無(wú)法滿足需求，開放實(shí)驗(yàn)室是必要的，但僅靠實(shí)驗(yàn)教師的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。實(shí)驗(yàn)之初，使每個(gè)學(xué)生接受行安全教育和常規(guī)儀器使用進(jìn)行培訓(xùn)。在實(shí)驗(yàn)室里，將學(xué)生分成若干小組，各小組對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，同組同學(xué)自我監(jiān)督，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)程，確保實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生的安全。需要使用大型儀器時(shí)，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行集中測(cè)試。這樣上課時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏依據(jù)學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少的問(wèn)題都得到了解決。開放實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保專業(yè)實(shí)驗(yàn)的完成。

同時(shí)，為了滿足材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的需求，有必要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)科研軟件。以“互聯(lián)網(wǎng)+”，省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目等為契機(jī)，搭建開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成基金項(xiàng)目的撰寫，熟悉科研的流程。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開展實(shí)驗(yàn)、表征性能、處理數(shù)據(jù)、撰寫小論文、項(xiàng)目結(jié)題等一系列過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新精神。在學(xué)生獨(dú)立完成研究課題的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生使用科研軟件。以這種方式，材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的很多學(xué)生都能夠熟練掌握Excel、Origin、Jade及ChemDraw等軟件。專業(yè)科研軟件的學(xué)習(xí)可使學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加得心應(yīng)手，為學(xué)生的畢業(yè)論文和今后科研工作提前打下良好的基礎(chǔ)。通過(guò)開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建，使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)得到激勵(lì)，使實(shí)驗(yàn)室成為培養(yǎng)學(xué)生的主要陣地。

2.4 引導(dǎo)學(xué)生撰寫科技論文

實(shí)驗(yàn)中，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行材料制備、性能測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果討論的全部程序時(shí)，利用課余時(shí)間進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和深究，撰寫科技論文。這種方式既能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，使他們認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)課程，還能使他們的數(shù)據(jù)整理能力、歸納能力和論文寫作能力得到鍛煉，為畢業(yè)論文的撰寫奠定了基礎(chǔ)[5]。近年來(lái)，在四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，一些本科生將自己在實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)整理成后撰寫論文發(fā)表。論文的撰寫與發(fā)表能讓學(xué)生提前體驗(yàn)完整的科研過(guò)程，直觀地看到自己的實(shí)驗(yàn)成果，更有效的激發(fā)他們學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

2.5 材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革改進(jìn)實(shí)例

在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們最初的教學(xué)模式是上課前讓學(xué)生先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。上課時(shí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的講解，介紹溶膠-凝膠法的原理，通過(guò)溶膠-凝膠法的原理引出本次實(shí)驗(yàn)制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)步驟，并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的一些事項(xiàng)，最后將學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生們按照老師的講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生完成試驗(yàn)后將把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果整理好交由教師檢查并簽字，學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)則是根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分來(lái)評(píng)定。

改革后，提前一星期先告知學(xué)生溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和目的，實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件為：電子天平、調(diào)溫磁力攪拌機(jī)、電熱真空干燥箱、箱式氣氛爐、燒杯要求學(xué)生查閱溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，具體方案包括制備SiO2凝膠所需藥品正硅酸四乙酯和無(wú)水乙醇的具體比例以及要加入去離子水和氨水的量，藥品加入的先后順序，實(shí)驗(yàn)所需要的溫度、攪拌時(shí)間等具體要求，每個(gè)人根據(jù)自己查閱文獻(xiàn)的情況寫一份完整的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書；然后實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)審與修改，指出實(shí)驗(yàn)方案中存在的問(wèn)題，與學(xué)生們一起探討并進(jìn)行修改，確定學(xué)生要開展本次實(shí)驗(yàn)的最終實(shí)驗(yàn)方案，每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案都要存在一定的差異性，防止同學(xué)們照搬照抄的現(xiàn)象出現(xiàn)；最后，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)。在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，催化劑、水、溶劑及反應(yīng)溫度等均會(huì)對(duì)膠凝時(shí)間、凝膠的粘度、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生一定的影響，而有些同學(xué)未能選用合適的配比以滿足實(shí)驗(yàn)的要求，因此最終無(wú)法成膠或者凝膠的粘度太低導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。我們可以讓實(shí)驗(yàn)失敗的學(xué)生認(rèn)真反思，找出自己實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因，在學(xué)生課余時(shí)間再次重復(fù)本次實(shí)驗(yàn)。等所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)教師將把所有學(xué)生的樣品集中在一起并指導(dǎo)學(xué)生用熱分析儀對(duì)先體溶膠進(jìn)行DTA，DGA分析并給出理想的熱處理溫度，再用激光散射儀測(cè)定二氧化硅溶膠的粒度分布情況，學(xué)生根據(jù)測(cè)試結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)的處理方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后形成一份正式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告交給實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合評(píng)定學(xué)生的本次實(shí)驗(yàn)成績(jī)。通過(guò)改革，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)驗(yàn)興趣得到進(jìn)一步的提高，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ驳玫搅撕芎玫腻憻挕?/p>

3 結(jié) 語(yǔ)

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是材料化學(xué)專業(yè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，在“一流課程”建設(shè)背景下的材料化學(xué)專業(yè)教育中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索，將對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力起到積極作用。因此，在教學(xué)實(shí)踐中，我們一定要重視當(dāng)前存在的問(wèn)題，不斷修訂教材和講義，豐富教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，創(chuàng)建多元化的評(píng)價(jià)體系，開展研究型教學(xué)和開放式實(shí)驗(yàn)。通過(guò)上述措施，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)他們的思維能力和創(chuàng)新意識(shí)，使其成為具有較高專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的合格人才。