綜合性實驗教學改革探索與實踐

耿紅霞， 蔣小林

(清華大學 航天航空學院，北京 100084)

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綜合性實驗教學改革探索與實踐

耿紅霞， 蔣小林

(清華大學 航天航空學院，北京 100084)

以鋰電池為主線，設計了綜合性、創新性實驗教學項目，讓學生掌握各個實驗之間的系統性和關聯性，不僅可以激發學生的創新積極性，還可以應用所學的知識分析問題和解決問題，培養和增強了學生的綜合實踐能力和創新能力，從而有利于新世紀高素質創新人才的培養。

綜合性實驗教學； 鋰電池； 創新能力

0 引 言

綜合性實驗教學是高校教學的重要組成部分，是實施高等教育的一種有效方式，是培養學生的創新思維和創新能力的重要教學環節。不僅使學生深入系統的掌握理論知識，帶著好奇的眼光初步了解探索科學研究領域，培養動手能力，還可通過專業綜合創新實驗的訓練增加學生對科研領域中先進課題實驗技能、原理、研究現狀及發展前景的認知，系統掌握科學前沿問題所涉及的實驗知識體系，培養學生的科研素養和能力，增強學生的科學探索與創新精神，提高綜合實踐能力，應用所學的理論知識指導實驗，使理論與實踐有機結合，培養學生獨立分析和解決科學問題的能力，夯實學生邁向科研學術或者新科技領域的堅實道路，為高科技領域人才的培養提供重要的支撐，對于培養的高層次、高素質、多樣化、創新人才具有重要的意義。

按照高質量人才創新培養模式的要求，設立專門的創新實驗教學體系，使學生在掌握基礎實驗的同時，通過創新探究性實驗的增設，充分調動學生的積極性和自主性，提高學生的觀察判斷、思維分析和理論實踐的綜合能力[1-3]。

1 綜合性實驗教學的改革創新思路和方法

1.1 實驗教學的創新思路

為了積極響應和執行《中共中央國務院關于深化改革全面推進素質教育的決定》中提出的“抓緊建立更新教學內容的機制，加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗課教學，培養學生的實際操作能力”的重要精神，面向新世紀創新人才培養的核心需求，設計創新性的實驗教學課程，實現傳統實驗課程由“驗證型”、“參與型”向“開放型”、“開發型”轉變,搭建具備基礎實驗和自我創新型實驗條件的具有綜合性、系統性、創新設計型的實驗平臺，促進學生知識、思維、能力和素質的全面協調發展[4]。

1.2 綜合性實驗教學的改革方法

依據實驗教學的培養計劃和目標，為了給學生創造自由創新的空間，培養學生獨立綜合實踐能力，發揮學生的自主能動性，培養學生的科學思維、創新思維，掌握解決實際工程問題的科學方法，有必要建立一個區別于基礎實驗的綜合性、系統性實驗，既可以滿足實驗教學的不同層次目的，還可以使實驗教學和理論教學緊密結合，促使學生帶著實際科學問題做實驗，用理論指導實驗，用實驗驗證理論，使兩者成為一個有機的整體，在實踐中讓學生深刻體會這一點。我們以鋰電池為主線，設計了綜合性實驗教學項目、教學方法、教學內容及流程。比如，先向學生展示各種商品化的鋰電池，再讓學生觀察拆卸我們實驗室自己制作的鋰電池，了解其結構和原理，待學生有了興趣和研究的動力后，通過提出一系列的問題如“你所知道的鋰電池都用在什么領域場合？為什么鋰電池的續航能力隨著技術的進步越來越好？”隨著提問問題的深入和學生的認真思考，讓學生認識到為什么要做這一系列的實驗項目，了解所涉及的實驗內容，從而讓學生充分了解整個教學實驗的各實驗的系統性、關聯性、必然性及重要性，激發學生進行綜合創新的興趣和積極主動性，積累知識的同時，應用所學的知識進行實踐創新，提高學生的綜合設計能力和測試分析各種性能的實踐能力，從而達到高素質創新性人才的培養目標。

2 綜合性實驗教學的內容

2.1 綜合性實驗教學的設計原則

綜合性、創新性實驗教學不同于傳統的實驗教學模式，傳統的教學實驗大多數是驗證性的簡單實驗，內容單一死板，各個實驗之間的聯系較少，缺乏系統性和綜合性。而綜合性實驗教學所涉及的實驗目標是最大程度的發揮學生的潛在能力，培養學生獨立動腦能力和動手能力，提高學生的創新思維和創新能力的綜合素質，設計的教學實驗具有創新和發展性，注重各個實驗之間的聯系，切實注意實驗知識點的連貫性、系統性、整體性和綜合性，使得學生在現有的實驗知識層面上，可以通過查閱有關的文獻資料或者和老師的溝通交流等途徑獲得新的實驗知識和實驗技能，在進行實驗的同時學習新的實驗知識和實驗技能，從而達到學生綜合素質和實驗技能的整體提升[5-8]。

2.2 綜合性實驗教學內容

先向學生展示各種商品化的鋰電池，再讓學生觀察拆卸我們實驗室自己制作的鋰電池，了解其結構和原理，用萬用表測量鋰電池的電壓，并讓有電的電池帶動二極管工作，學生會興趣盎然的動手操作，然后我們提出問題“你所以知道的鋰電池都用在什么領域場合？為什么鋰電池的續航能力隨著技術的進步越來越好？”讓學生帶著這些問題思考究竟是什么因素決定了鋰電池的性能，鋰電池的構成部分主要是什么？在現有的知識體系里，學生會回答鋰電池的組成部分是正極、負極和電解質材料等。那么指導老師抓住一個組成部分，比如電解質材料，緊接著向學生提問電解質材料有哪些類型？其中無機固體電解質的優勢是什么？以及怎么制造無機固體電解質？又有哪些測試表征手段？通過這一系列的提問，讓學生認識到為什么要做這一系列的實驗項目，了解所涉及的實驗內容，從而讓學生充分了解整個教學實驗的各實驗的系統性、關聯性、必然性及重要性，可以使學生系統的掌握鋰電池基礎理論知識、鋰電池制造的實驗技術和性能測試技能，以及組成鋰電池材料(電極和電解質等)的制備和性能表征，充分調動學生進行創新性實驗的積極性。

根據上面提出的問題和實驗室現有條件，綜合型實驗教學項目共包括5個實驗課題，即鋰電池材料的觀察和拆卸；電解質材料的制備；XRD實驗；SEM實驗；電性能測試實驗。然后指導老師先介紹鋰電池的基礎知識，包括鋰電池領域研究現狀及發展前景、先進課題實驗技能和原理，讓學生系統了解鋰電池科學前沿問題所涉及的實驗知識體系。例如，通過豐富的資料讓學生了解多姿多彩的鋰電池世界，引導學生從材料科學的角度解釋鋰離子電池的續航能力為什么越來越強大？同時讓學生對一塊鋰電池的“誕生”過程有個深入的了解，進一步引導學生對鋰電池材料的微觀世界進行探究和思考。然后說明本實驗教學項目的研究意義、目的及整個實驗內容安排和教學時間流程，以及實驗過程中注意事項和安全問題，指導學生查閱相關的文獻資料，了解掌握鋰電池材料的相關知識、制備技術和表征方法等。通過介紹讓學生對該實驗教學課題的研究內容、研究方法和相關實驗技術以及現代表征分析設備有個初步的了解和認識。在老師的指導下，學生充分發揮自主能動性，從查閱參考文獻、設計實驗方案，獨立操作儀器設備、解決實驗過程中所遇到的問題和失敗、實驗數據整理和討論、以及實驗報告的撰寫都是讓他們獨立進行，在實際訓練中培養學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力，綜合應用能力和創新能力[9-13]。

3 綜合實驗的教學效果

綜合性實驗教學項目的設立從科學問題的提出引出實驗的目的、內容以及整個實驗流程，使學生產生思考和探索的濃厚興趣，有目的的查閱文獻資料，獨立操作現代儀器設備完成實驗，并獨立整理和分析實驗結果，總結實驗規律，不僅學習掌握了豐富的理論和實驗知識，還掌握了現代分析測試技術，培養了工程意識和獨立解決問題的能力。可以使學生很容易的理解所學的知識的系統化，關聯化，真正了解科學實驗的全過程以及知識的系統性、連貫性和綜合性，將所學知識系統有機的結合起來，綜合運用理論和實驗知識獨立自主的解決實際科學問題和工程問題，有效地培養了學生的綜合創新思維和能力，同時對學生主動探索科學世界的鉆研精神有很大的鍛煉和提升，得以訓練的科研精神和創造能力無論在以后的工作中還是學術研究中都非常有益。

綜合性實驗教學改革是以整體優化為目標的，根據高校人才培養目標要求，按學科專業對實驗教學內容和課程體系進行優化整合，做到實驗教學和理論教學的相互協調促進，完善了實驗教學的知識結構，豐富了實驗內容，使綜合實驗教學更科學，更系統[14-16]。

4 結 語

綜合性實驗教學的改革和創新，不僅增加豐富了實驗教學內容和項目，在符合高等教育培養高科技人才的要求下，使學生充分地更大限度地利用實驗室的設備儀器進行實驗研究，增加了實驗教學的內容和方法，極大的調動了學生進行實踐創新的積極性，激發主動實驗研究的鉆研精神和實際能力，提高了學生對專業課程學習的興趣，全面鞏固和掌握了所學的實驗和理論知識。實踐證明，綜合性實驗教學的創新性改革取得了良好的教學效果，綜合性實驗教學改革是進行高水平創新型人才培養的好方法。

[1] 張 婕.綜合型實驗教學改革的實踐與探討[J].實驗室研究與探索, 2007, 26(2):103-105.

[2] 汪大海.材料物理與化學專業綜合性實驗教學改革初探[J].實驗室研究與探索,2011, 30(1):103-105.

[3] 王偉祖. 建立綜合設計實驗平臺 培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索,2004, 23(8):74-75.

[4] 陳麗華.通過實驗教學，提高學生的綜合素質[J].實驗室研究與探索,2003,22(3):12-13.

[5] 張曉蓉.綜合型實驗教學的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2004,23(8):72-73.

[6] 辛 穎.材料科學與工程專業綜合實驗的教學與改革[J].實驗室科學, 2009(1):38-42.

[7] 楊燈文.課堂教學中培養學生創造性思維方法初探[J]. 化學教育,2003(3):35-36.

[8] 楊正銀, 王春明, 唐 寧,等. 面向新世紀的綜合化學實驗改革思路與實踐[J].高等理科教育,2005,64(6):22-23.

[9] 扈 旻，鄧北星，馬曉紅,等.科研成果轉化為實驗教學內容的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012,29(10)：21-23.

[10] 胡 總, 徐建東, 李希合. 自由型開放實驗室教學管理平臺的設計與實現[J].實驗技術與管理, 2008, 25(6):36-38.

[11] 朱玉華, 楊振宏. 建設精品實驗項目,促進創新能力培養[J].實驗室研究與探索, 2008,27(1):7-9.

[12] 徐 寧,牟建明,王 玫,等.化學專業精品實驗項目內涵設計的實踐與思考[J].實驗技術管理,2009,26(3):25-26.

[13] 吳一知.改革紡織專業實驗教學, 提高學生綜合能力[J].實驗室研究與探索, 2002, 21(2):22-24.

[14] 王建華.創新產學研合作模式, 提升高校服務能力[J].中國高等教育, 2006(17):48-51.

[15] 曹小華, 徐常龍, 葉 珊,等.思維激活法在有機實驗教學中的應用[J].九江師專學報(自然科學版),2002(5):19-22.

[16] 周 梅,陳永創.加強《微機原理及應用》實驗教學,提高學生綜合能力[J] .實驗室研究與探索,2002, 21(2):31-32.

Research and Practice of Comprehensive Experimental Teaching

GENGHong-xia,JIANGXiao-lin

(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A comprehensive and creative experimental course was designed in terms of lithium battery. It makes the students understand and master the systematicness and necessity of the entire project. The teaching reform can not only improve the interests of the students’ creativity, but also help them to analyze and resolve the questions encountered during the experiments effectively. It can train and improve the comprehensive practice and innovative abilities of students, so it is very important to cultivate qualified scientific and technical talents in the new century.

comprehensive experimental teaching； lithium battery； creative ability

2014-06-23

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51202122)

耿紅霞(1977-)，女，山東菏澤人，博士，工程師，主要從事材料科學、實驗力學方面的研究與教學工作。

Tel.：13581652190;E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0147-03