基于學(xué)科融合的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。針對(duì)當(dāng)前材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)實(shí)驗(yàn)更新速度慢、實(shí)驗(yàn)資源利用率低等問(wèn)題設(shè)計(jì)了基于學(xué)科融合的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該開(kāi)放實(shí)驗(yàn)以抗菌陶瓷用殺菌劑為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基本操作技能以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。實(shí)踐證明，基于學(xué)科融合的以抗菌陶瓷為研究對(duì)象的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可將材料類專業(yè)與環(huán)境專業(yè)有機(jī)融合，既擴(kuò)大了參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生群體，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率，又能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，對(duì)其實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到良好促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：學(xué)科融合；抗菌陶瓷；開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)世界的重要方式之一，是大學(xué)人才培養(yǎng)的重要手段，是理論教學(xué)的必要補(bǔ)充。相對(duì)于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)［12］。當(dāng)前，大部分院校的專業(yè)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)本專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)，而且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多以驗(yàn)證性為主，綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少，學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性弱，不利于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［3］。此外，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備相對(duì)昂貴，一旦實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目確定，儀器設(shè)備到位后往往會(huì)持續(xù)數(shù)年，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。在當(dāng)前“新工科”建設(shè)背景下，需要重新設(shè)計(jì)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系［34］。而開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)是一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式［5］，其實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間均由學(xué)生自己確定，這有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新能力，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。

本研究針對(duì)景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合該校陶瓷特色，設(shè)計(jì)基于學(xué)科融合的以抗菌陶瓷為研究對(duì)象的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)將材料類專業(yè)與環(huán)境專業(yè)有機(jī)融合，一方面，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的參與對(duì)象，提高了實(shí)驗(yàn)資源的利用率；另一方面，將不同的專業(yè)知識(shí)融合在同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，既可以開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓寬其知識(shí)面，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力［6］。

一、學(xué)院專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

學(xué)院實(shí)驗(yàn)類教學(xué)大體可分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)類實(shí)驗(yàn)兩大類，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是學(xué)生在大一、大二學(xué)習(xí)的一些基礎(chǔ)課程所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如“無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”等，專業(yè)實(shí)驗(yàn)一般是學(xué)生在大三、大四學(xué)習(xí)專業(yè)課程之后開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程。與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程相比，專業(yè)實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是專業(yè)性，因此，專業(yè)實(shí)驗(yàn)一般只針對(duì)本專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)，故這些實(shí)驗(yàn)資源的利用率相對(duì)較低。另外，受各種因素的影響，學(xué)院每年招生的各專業(yè)學(xué)生人數(shù)差別較大，如近年來(lái)較熱門的新能源材料與器件專業(yè)，每年招生的學(xué)生人數(shù)較多，而環(huán)境工程、粉體材料科學(xué)與工程等專業(yè)招生的人數(shù)相對(duì)較少，導(dǎo)致這些專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)資源利用率降低。專業(yè)實(shí)驗(yàn)更新速度較慢，相較于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備相對(duì)昂貴，投入較大，一旦實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)立，一般要持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往缺乏創(chuàng)新性［7］。在教學(xué)方法上，專業(yè)實(shí)驗(yàn)大多仍沿用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，忽視了對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，學(xué)生大多是機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)而缺乏獨(dú)立的思考和創(chuàng)新的思維，教學(xué)效果不夠理想。

二、專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建議

基于“新工科”建設(shè)要求和OBE教育理念，對(duì)人才的培養(yǎng)需要根據(jù)行業(yè)需求，“適銷對(duì)路”的應(yīng)用型人才在就業(yè)時(shí)才能具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力［8］。與其他類型人才培養(yǎng)模式相比較，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)［9］：（1）培養(yǎng)方案按一線生產(chǎn)的實(shí)際需求進(jìn)行制訂。（2）知識(shí)體系以一線生產(chǎn)要求為核心目標(biāo)，突出對(duì)專業(yè)知識(shí)的熟練掌握與靈活應(yīng)用。（3）培養(yǎng)過(guò)程強(qiáng)調(diào)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。由此可見(jiàn)，實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用。為了培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的各類人才，必須重視和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，特別是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用［10］。

專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革應(yīng)根據(jù)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，選擇與現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以教材內(nèi)容為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生能力為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生意識(shí)到自己掌握的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)際生活之間存在著密切的聯(lián)系，從而對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生濃厚的興趣，而持續(xù)發(fā)展更新的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)也將有助于教師進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

三、基于學(xué)科融合的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

選擇基于學(xué)科融合的以抗菌陶瓷為研究對(duì)象設(shè)計(jì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鑒于“陶瓷工藝學(xué)”課程是陶瓷生產(chǎn)基本工藝?yán)碚摰恼n程，作為一門核心專業(yè)課，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院所有專業(yè)均開(kāi)設(shè)該課程，若能增加相關(guān)實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容，將有助于學(xué)生更加深刻地理解并掌握理論知識(shí)。此外，基于學(xué)科融合的以抗菌陶瓷材料為研究對(duì)象的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)可以將材料類專業(yè)與環(huán)境專業(yè)知識(shí)融合為一體，不僅能開(kāi)闊學(xué)生的視野、拓展知識(shí)面，還有助于其創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［11］。

（一）實(shí)驗(yàn)開(kāi)放對(duì)象

本開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向該院環(huán)境及材料類專業(yè)（無(wú)機(jī)非金屬材料、材料化學(xué)、材料物理、新能源材料與器件等）的學(xué)生開(kāi)放。開(kāi)放后，實(shí)驗(yàn)室接納的學(xué)生人數(shù)會(huì)顯著增加，實(shí)驗(yàn)資源利用率得到提高；另一方面，將不同的專業(yè)知識(shí)融合在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，超越了傳統(tǒng)學(xué)科的界限，學(xué)生能夠綜合運(yùn)用各種學(xué)科的知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題，綜合素養(yǎng)得到提高。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

陶瓷釉料的配制是該院材料類專業(yè)學(xué)生必須掌握的實(shí)踐技能；而微生物的培養(yǎng)與接種技術(shù)是環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本操作［12］，將這些微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能與陶瓷釉料的配制相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有較好的新意，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

1.抗菌劑的制備

抗菌劑是一類具有抑制或殺死細(xì)菌活性的化學(xué)物質(zhì)，主要用于防止細(xì)菌等微生物在物品表面生長(zhǎng)和繁殖，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、日用化工等領(lǐng)域［13］。常見(jiàn)的抗菌劑可分為無(wú)機(jī)抗菌劑和有機(jī)抗菌劑兩大類，其中無(wú)機(jī)抗菌劑根據(jù)所摻入的抗菌物質(zhì)種類的不同，又可分為光催化型抗菌材料（如TiO2、ZnO、ZrO2等）和金屬離子型抗菌材料（如鋅系、銀系、銅系等）［14］。

本開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以鋅系抗菌材料為研究對(duì)象（學(xué)生也可根據(jù)自己的興趣自主選擇其他抗菌劑），在查閱相關(guān)資料基礎(chǔ)上采用一定的制備方法（如水熱法、共沉淀法等）合成抗菌納米粉體。

2.抗菌劑抗菌性能的測(cè)定

抗菌劑抗菌性能的測(cè)定可分為定性抗菌性能測(cè)定和定量抗菌性能測(cè)定兩種。

定性抗菌性能的測(cè)定方法如下。

（1）菌液的制備（即大腸桿菌的培養(yǎng)）：在乳糖蛋白胨液態(tài)培養(yǎng)基（配方：蛋白胨10g、牛肉膏3g、乳糖5g、氯化鈉5g、1.6%溴甲酚紫乙醇溶液1mL、蒸餾水1000mL、pH=7.2～7.4）中進(jìn)行大腸桿菌接種，然后在生化培養(yǎng)箱37℃培養(yǎng)24h，得到所需大腸桿菌菌液。

（2）抗菌片的制備：將合成的抗菌納米粉體（即抗菌劑）研磨后加入適量黏結(jié)劑（5% PVA），然后用模具壓制成厚約3mm、直徑約5mm的試片即為抗菌片。

（3）定性抗菌性能的測(cè)定：將滅菌后的抗菌片置于培養(yǎng)皿底部，然后倒入30mL稀釋至適當(dāng)濃度的大腸桿菌菌液，靜置24h后觀察菌液的變化，根據(jù)菌液中是否出現(xiàn)殺菌環(huán)（如圖1所示）對(duì)抗菌劑的抗菌性能做定性判定［15］，從圖1中可以看出，在試樣的周圍出現(xiàn)了明顯的殺菌環(huán)，表明所制備抗菌劑具有良好的殺菌性能，實(shí)驗(yàn)效果顯著，能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提高。

圖1 部分定性抗菌實(shí)驗(yàn)制備試樣數(shù)碼照片

定量抗菌性能的測(cè)定方法如下。

（1）固態(tài)培養(yǎng)基的配制：固態(tài)培養(yǎng)基配方為牛肉膏075g、蛋白胨1.5g、氯化鈉0.75g、瓊脂3g、蒸餾水150mL、pH=7.6，按照以上配方配制固態(tài)培養(yǎng)基并進(jìn)行滅菌處理。

（2）微生物的培養(yǎng)：以上述定性抗菌測(cè)試后的菌液為培養(yǎng)對(duì)象，采用平板涂布操作，具體操作方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)［12］。然后與固態(tài)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的菌落數(shù)量進(jìn)行對(duì)比來(lái)定量評(píng)價(jià)抗菌劑的抗菌性能。

3.抗菌陶瓷制備及其抗菌性能

抗菌陶瓷是一類具有抗菌功能的陶瓷制品，它是在陶瓷制品生產(chǎn)過(guò)程中加入無(wú)機(jī)抗菌劑，從而使陶瓷表面具有抑制或殺死細(xì)菌的能力［16］。在基礎(chǔ)釉配方中加入一定量抗菌劑經(jīng)球磨即得到抗菌釉，然后按照一般陶瓷制備工藝進(jìn)行施釉、干燥、煅燒，最后得到抗菌陶瓷制品。基礎(chǔ)釉參考配方如下。

圖2為抗菌陶瓷抗菌性能測(cè)試后的數(shù)碼照片，圖2（a）為空白對(duì)照組（即沒(méi)有經(jīng)過(guò)抗菌陶瓷殺菌），圖2（b）為經(jīng)過(guò)抗菌陶瓷24h殺菌處理，對(duì)比圖2（a）和2（b）可以看出，圖2（b）中的菌落數(shù)明顯減少，表明抗菌陶瓷具有良好的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，達(dá)到了將材料和環(huán)境專業(yè)融為一體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

（三）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)成效

目前，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已經(jīng)成功開(kāi)設(shè)了“基于學(xué)科融合的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，得到了學(xué)生的積極響應(yīng)與參與。與傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)相比，在進(jìn)行該開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到極大體現(xiàn)，無(wú)論是抗菌劑的制備、大腸桿菌的培養(yǎng)，還是抗菌陶瓷釉的配制與燒成，都由學(xué)生自主設(shè)計(jì)與操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題也由學(xué)生自主分析并加以解決，學(xué)生的綜合能力得到了鍛煉與提升。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合該校陶瓷材料特色，設(shè)計(jì)的基于學(xué)科融合的以抗菌陶瓷為研究對(duì)象的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，拓寬了學(xué)生的視野，啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，同時(shí)又提升了實(shí)驗(yàn)資源的利用率，收到了良好的教學(xué)效果。

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作者簡(jiǎn)介：李家科（1973— ），男，安徽淮南人，漢族，博士研究生，教授，研究方向：陶瓷材料。