“材料研究系列實驗”課程教學實踐與創新

摘要“材料研究系列實驗”作為材料科學與工程專業本科生的一門重要的實踐必修課，對培養學生的創新意識、鍛煉學生的動手能力和實踐能力大有裨益。通過幾年來的教學實踐，分別在實驗平臺建設、實驗內容設置、教學方法和管理模式等方面進行了改革和探索，并取得了較好的教學效果。

關鍵詞 材料研究 實驗 教學實踐

中圖分類號：G642文獻標志碼：A

Teaching Reform Practice and Innovation of

\"Series of Experiments on Materials Research\"

WU Xiaowen， DU Gaoxiang， XU Jiangfeng， MEI Lefu

(School of Materials Science and Technology， China University of Geosciences， Beijing 100083)

Abstract\"Series of experiments on materials research\" is an important practice compulsory course to students majoring in materials science and engineering. This course is very helpful to develop their creativity and excecise their practical ability. After the teaching practice for several years， reforms and explorations have been made on many aspects such as experimental platform constructions， content settings， teaching methods and manegement modes. This teaching practice has been gotten a better teaching effect.

Key wordsmaterials research; experiments; teaching practice

0 引言

實驗教學是高等學校教學工作的重要組成部分，是衡量學校教學質量的一個重要因素，更是培養創新型人才不可缺少的重要實踐環節。①材料專業實驗教學應緊密配合材料科學的發展，培養學生的獨立思考和實踐能力。我院從2003級學生的培養計劃開始，實踐教學課程體系主要圍繞“金工實習——認識實習——生產實習——研究實驗——畢業設計”這條主線展開，輔以學生課外科技創新活動，系統培養學生的實踐能力和創新精神。在三年級下學期開設的“材料研究系列實驗”課程，目的是強化之前學過的基礎實驗課的知識和技能，鍛煉學生對這些知識的綜合運用能力，并為進入畢業設計環節打下良好的基礎。這門課程也是對學生從事小型課題實驗研究的一次正規的、全面的訓練，使學生能夠意識到只有將“材料”與“工程”真正結合起來研究才更具有應用價值，②才能真正做到學以致用。通過本課程的教學，使學生掌握原料選擇與加工、材料設計與制備、性能測試與分析的系統方法與技術，提高學生的動手能力、分析和解決問題的能力以及運用所學知識分析材料制備工藝－顯微結構－性能之間內在聯系的綜合研究能力。

1 課程的主要內容、要求和存在的問題

1.1 主要內容和要求

“材料研究系列實驗”課程總學時4周，全部為實踐性教學，指定指導教師，教學以學生實踐為主，教師啟發引導，學生課外自行查閱、分析資料，撰寫實驗研究報告。實驗分為礦物資源及工業固體廢棄物利用、膠凝材料、陶瓷材料、耐火材料、納米材料、無機薄膜材料、新型炭功能材料、新能源材料等方向，每個方向包含若干專題，學生依據興趣和專業要求，選擇實驗研究方向和專題，系統開展從原料選擇與加工、材料設計與制備、性能測試與分析的系列實驗與研究，最終獨立完成實驗研究報告。

1.2 存在的問題

（1）由于學生人數較多，使得“材料研究系列實驗”課程無論在實驗設備還是時間安排上都有一定難度。如果管理不到位，教學效果可能無法保證，這樣就達不到鍛煉學生的動手能力和培養創新性人才的預期目的。如何做到既要兼顧教學質量又要克服學生人數過多的困難，一直是實踐教學需要考慮解決的問題。

（2）“材料研究系列實驗”課程教學對指導教師提出了更高的要求。除了對教師的教學基本要求如及時全面地準備實驗講義、設計實驗課流程之外，還必須考慮到實驗過程中可能出現各種突發意外情況，并能夠及時加以處理和解決。這一方面增加了教師的工作量和負擔，另一方面還對教師的知識面、實際操作技能提出了新的挑戰。當然，最重要的還是要求教師教學經驗豐富以及責任心強。

（3）實驗項目和內容的設置不夠合理，不能與時俱進。針對近些年來對材料專業畢業生寬口徑的培養要求的發展趨勢，以及結合我校材料科學與工程專業的畢業生大部分選擇繼續深造或者去企業從事材料類相關研究和技術工作的現狀。同時為了適應當前國家對新材料、新能源以及對能源、資源、環境等交叉科學領域人才的迫切需求，“材料研究系列實驗”的研究內容和方向有必要進行適當拓寬和相應調整。此外，“材料研究系列實驗”中綜合性、設計性和研究性實驗項目的設置匹配還不夠合理，需要做出調整和改善，以進一步培養學生的創新能力。

（4）考核方式較單一，雖然要求獨立完成實驗研究報告，但是由于分組制的原因同一組內的同學的實驗研究報告抄襲現象比較明顯，從而造成實驗成績評定困難，個體差異不明顯、難以拉開差距等問題。

2 課程教學改革與創新

2.1 加強實驗教學平臺建設

學院在利用211工程建設經費和自籌經費的基礎上，創建了材料專業實驗室，并建設了材料工程、材料物理和材料化學等幾個相關實驗平臺。一方面充實了硅酸鹽陶瓷材料、耐火材料和無機膠凝材料等方向的實驗教學設備，保證了傳統實驗教學的順利開展。同時，修復了幾臺閑置的鍍膜設備，如反應磁控濺射儀、真空蒸發鍍膜機等，為開展半導體薄膜的制備實驗如“透明導電ZnO薄膜及金屬電極的制備”提供了重要支撐。此外，針對近年來開展起來的新型炭功能材料實驗研究，引進了幾臺真空炭化爐等設備。這些實驗設備的引進和修復為“材料研究系列實驗”課程的改革創新提供了保證。

2.2 整合拓展實驗教學內容

“材料研究系列實驗”課程在充分征求材料工程教研室及實驗室相關教師意見的基礎上，對實驗項目和實驗教學內容進行了調整，在保證固體廢棄物利用、陶瓷及耐火材料、粉體制備技術和工業選礦等傳統實驗研究方向的同時，積極拓展了“材料研究系列實驗”的研究方向，分別增設了無機功能薄膜材料、新型炭功能材料等新材料領域內的研究方向。這些實驗能夠開闊同學們的視野，對其將來選擇研究方向起到很好的導向作用。此外，實驗項目和內容都必須符合“三性”即綜合性、設計性和研究性的要求。所選擇的實驗教學項目一定能綜合運用各種實驗技術，包括加工制備技術、結構表征方法和性能檢測技術等。這樣既能鞏固和深化已學過基礎理論知識和實驗技術，又能讓學生學習到實驗設計的思維方法，為他們在實驗中啟發創造性思維留有空間。③同時，也有助于改善實驗教學效果，有利于培養學生的動手能力以及創新精神。

2.3 充分利用現代教學手段

利用現代多媒體教學手段，將用語言難以表述清楚的實驗設備和實驗儀器（如反應磁控濺射儀）的實驗原理和內部結構直觀地展示出來，讓學生對其實驗原理和儀器組成有個非常清晰的認識。除此之外，對于部分實驗設備操作動作以及材料合成制備的過程，采用動畫演示更加形象和生動，這不僅加深了學生對實驗內容的理解，而且提高了學生從事實驗研究的興趣。再者，利用多媒體演示方法可以節約時間，提高教學效率和效果。例如，在半導體薄膜材料制備專題實驗教學過程中，可以在抽真空的時候即真空泵啟動之后到鍍膜之前這個檔口進行動畫演示，這不僅統籌安排好了教學時間，而且使得教學更連貫、銜接更自然。

2.4 實行開放式教學管理

這里所說的開放式管理不僅限于時間上的開放，即學生利用課余時間進行實驗，而且，更重要的在于實驗課題選擇的開放，既包括大一點的實驗項目、研究方向的選擇又包括同一方向下不同小組即小型課題的選擇上都是由學生自己決定。教師可以給出各個研究方向的背景、應用以及研究進展等基本輪廓，再讓學生自己查閱相關文獻進一步調研，然后根據興趣自主選題。“材料研究系列實驗”課程比較適合采取開放式的教學管理模式，因為主體是學生，采取自主選題可充分發揮學生們的主觀能動性，充分調動學生們的積極性。另外一條重要的管理方式就是實行分組制。一個稍大的實驗項目下面一般有20名左右的同學，教師要將這些同學分成若干小組，每組3-5名同學，完成一項小型課題的研究任務，每組推薦1名負責人擔任組長，負責與指導教師的溝通以及實驗工作和實驗進度的協調。當然，組內同學需要再進行分工，每位同學具體負責部分實驗內容，這樣同組學生既有分工又有合作，這有利于培養學生的獨立工作能力和團隊協作精神。教師可以根據實驗過程各階段的特點，該安排集中進行的實驗則集中進行，例如樣品制備以及性能測試等環節必須進入實驗室集中進行；能夠分散進行的環節則分散進行，例如文獻資料的調研、實驗方案的制定、以及最后的實驗數據整理和實驗報告的撰寫等環節。

2.5 改革成績的評定方法

實驗課成績的評定一般以實驗報告為依據，但是由于實驗分組制的原因，同組學生實驗報告存在抄襲和雷同的現象，這樣就很難對學生的實驗成績給予一個客觀、公正的評價。為此，一方面教師應事先準備好一些與實驗內容相關的基礎理論知識和與儀器設備等相關的思考題，在實驗過程進行隨機抽查提問，并記錄學生回答問題的情況。另一方面，實驗過程中教師應注意觀察同學們的表現，尤其是遇到突發問題或一些特別的實驗現象時，例如儀器出現故障了，應該如何去排除和維修等。這個時候往往最能夠考察出學生分析問題和解決問題的能力。教師不應該抱怨儀器故障，而應將其視為天賜良機并充分利用這樣的機會考察學生，以此作為實驗成績評定的參考依據。此外，充分利用實驗分組的優勢，將同一組內學生和不同組的學生分別進行橫向和縱向比較，為實驗成績評定提供依據。教師最后根據平時回答問題表現（理論知識）、解決問題的表現（動手能力）、以及實驗報告情況，各占一定比重綜合給出一個最終的實驗成績。

3 結束語

實踐證明，我院“材料研究系列實驗”課程自2006年開設以來，實驗氣氛非常活躍，教學效果良好，受到老師和學生們的普遍歡迎。針對實驗教學過程中存在的一些突出問題和主要矛盾進行了教學改革和探索，并在實驗室建設、實驗選題、教學方法以及管理和考核方式等方面取得了一些創新性教學成果。“材料研究系列實驗”作為材料科學與工程專業本科生的一門重要的實踐必修課，對培養學生的分析問題、解決問題的能力以及理論聯系實際的能力非常有幫助，對鍛煉學生的動手能力和創新精神起到了非常重要的作用。

注釋

①陳曙光，夏清，葉昌，廖紅衛.《無機材料工學實驗》教學改革的探索[J].中國科教創新導刊，2007.466:18.

②吳任平，于巖，林春鶯，阮玉忠.“無機非金屬材料工程綜合實驗”教學初探[J].實驗室研究與探索，2007.26(12):98-100.

③吳性良，陸靜.綜合化學實驗內容及課程體系的設計[J].實驗技術和管理，2001.18(2):108-110.