材料化學創新實驗教學實踐與探索

任智卉　劉斌

摘 要：分析總結西北大學材料化學創新實驗課的教學實踐經驗，探索教學方法以加強學生對該創新實驗課程的認識與理解，旨在提升學生的學習積極性、創新意識和綜合能力。

關鍵詞：創新實驗；材料化學；綜合能力

中圖分類號： G642.423 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-174-2

0 引言

材料化學與材料物理、材料工程一起構成材料科學的三塊基石[1]。材料化學作為一門將材料科學與化學相結合的新興學科，主要研究材料的制備、加工和性能等方面的化學問題。相較于化學的其他學科分支，材料化學專業具有更明確的應用性質，是20世紀80年代新興的本科專業[2]，內容包含金屬材料、無機非金屬材料、高聚物材料等。化學是一門理論與實驗相結合的課程，同樣材料化學課程的建設也離不開相關實驗的支撐。近年來，西北大學化學與材料科學學院實驗教學示范中心通過對大四本科生開設創新實驗課，培養學生對材料化學學科發展前沿的認識與了解，開闊學生的視野，增強學生的實驗創新能力，對大四材化專業學生進行更深層次的專業實驗培養與教學實踐。

目前其材料化學創新實驗室已具備基本的材料合成基礎設施，配備合成室、準備室、儀器室、高溫室，占地200多平方米，擁有多型號馬弗爐、球磨機、德國IKA電磁攪拌器、德國賽多利斯分析天平等用于材料合成的儀器，同時國家級化學實驗教學示范中心擁有布魯克D8型XRD粉末衍射儀、S3500型激光粒度儀、臺式掃描電鏡等測試儀器，為材料化學創新研究提供實驗良好的實驗合成制備及測試條件。在開課5年多的時間里，材料化學實驗課程不斷地完善與提高，目前已經涵蓋染料太陽能電池、PTC陶瓷材料、MOF多孔材料、納米材料、高分子材料等的合成制備與性能測試實驗，為培養多方面發展的學生提供了良好的實驗教學條件，本文對材料化學創新研究實驗的開設過程與經驗進行簡單總結，并就其實驗課程教學實踐與探索談一點心得體會。

1 材化創新實驗課程準備

1.1 選材新穎，跟隨熱點，不斷發展，拓展學生視野

材料化學創新實驗課，重點旨在突出創新，所編輯實驗內容，皆為教師的研究課題演變而來，即每個實驗都由一個研究課題及其結果進行梳理、編寫，取材新穎，聯系實際與熱點，向學生充分展示材料化學的應用性與發展前景。例如，所開設的染料敏化太陽電池的制作與轉化效率測試實驗，其內容聯系現在研究熱點的太陽能電池，讓學生了解光電轉化機理的同時，學習掌握TiO2納晶多孔膜的制備技術以及其在太陽能電池研究上的重要意義。通過實驗鞏固基礎理論與操作的同時，也可拓展學生的知識面，消除學生對本專業學習的茫然性，為學生即將進入繼續深造或工作提供新的思路與見解。

與傳統的基礎實驗不同，創新實驗課是一門不斷創新發展的實驗課程，作為材料化學專業的實驗支撐內容，實驗的編寫緊貼其前沿發展方向，故材化實驗課程是個動態的實驗課，它在充實原有實驗的基礎上，不斷地更新、發展新的實驗內容。自開課之初發展至今，創新實驗課已經由4個實驗內容發展、更新至7個完整實驗，涵蓋無機材料、高分子材料與納米材料的合成與性能測試等內容。材化創新實驗的開設，在夯實學生的基礎性操作的同時，培訓學生壓片、離心、煅燒等更專業化的實驗操作，實驗內容的發展與完善，為學生提供了解和學習材料化學研究前沿知識的機會，拓展學生視野，將動手與動腦有力結合，提升學生綜合創新能力。

1.2 提前講解，形成框架，相互結合，調動學習積極性

化學專業的大四學生，在經歷基礎、綜合性的實驗培訓基礎上，對化學實驗的學習有了更高層次的要求與理解，針對這些特點，在開課之初，利用兩個星期，4個學時的時間，先將材料化學前沿、熱點進行講解， 材料化學前沿性與應用性相結合的特點，能夠及時抓住學生的注意力，充分調動學生學習該課程的積極性。

隨后在介紹實驗背景的前提下，將實驗設計理念、實驗設計的合成內容以及所合成材料的測試進行簡單講解，從而形成一個整體的實驗框架，著重強調整個實驗過程的系統性，形成提出問題、分析問題、解決問題的一個科研探索過程，來培養學生進行科研工作的基本素養。負責該創新課程的教師為教材編輯老師，熟悉實驗來源且立于教學與科研工作一線，能夠結合相關化學知識與前沿研究內容進行講解，為材料化學創新實驗課教學實踐提供良好的師資保障。如微波輔助水熱合成微孔配位聚合物MOF-5實驗，在講解時將配位化學、晶體化學、功能材料等內容與近年來研究熱點的微波合成方法相結合，進一步鞏固所學理論知識的基礎上，為學生講授新研究成果，大大提高學生的學習興趣，提高學生綜合學習能力。

2 材化創新實驗課程實踐

2.1 靈活安排，合理分割，掌握節奏，提高實驗效率

實驗內容衍生自教師的科研課題，具有時間長，連續性高，儀器專業性強等特點。考慮到學生課程的時間分散性，在實驗課開始之初，針對實驗內容進行有效的歸類與分割，同時教師在實驗過程中控制好學生的操作進程，掌握實驗的節奏，提高實驗效率。具體采用以下方式：

①根據實驗個數和每周開課時間將學生有效分組，每天安排7組實驗操作，進行大循環實驗過程[3]；

②將兩個具有相關性的實驗進行交叉串聯，如將BaTiO3納米粉的溶膠-凝膠法制備表征與PTC陶瓷材料的制備與測試兩項實驗相糅合，確保在兩周時間內，同時完成兩項實驗內容；

③將實驗過程中的操作等候時間充分利用，如干燥配合物MOF-5等待測試的空隙，可安排進行反相乳液聚合法制備聚丙烯酰胺絮凝劑實驗的合成部分；

④對于需要20多學時的創新研究型實驗，將實驗過程合理分割，如染料敏化太陽電池制作過程中，指導、督促學生抓緊時間，第一次實驗時緊湊完成TiO2多孔膜電極的制備后浸泡入染料溶液中，再一次實驗時制備納米鉑黑對電極、組裝電池，最后進行電池組裝和性能測試。

相比于內容固定、時間長短不一的基礎實驗課程，創新實驗這種靈活多變的安排方式，能夠最大限度為學生提供了解學習實驗的機會，使得整個創新型實驗課程內容更系統、緊湊，提高學生學習效率和時間緊迫感，為學生的進修奠定基礎。

2.2 小組開課，加強互動，解析儀器，開拓專業視角

由于儀器偏于專業化，而且配套數量有限，為保證教學質量，材化創新實驗開設時，每個實驗以2-3人為一個小組。這樣在每個實驗進行時，保障學生與老師能進行面對面的探討與交流，這種小班式的開課過程，避免出現不分主次、重復講解消磨學生過多的實驗熱情的情況[4]。

創新實驗注重培養學生的思辨與綜合能力，實驗過程中教師鼓勵學生自行思考實驗所出現的現象與問題，克服傳統的實驗教學過程中存在的學生只動手不動腦、千篇一律、不敢提問等弊端。待完成材料的合成，先介紹專業性儀器的性能與用途，再進行合成樣品的解析。如通過激光粒度儀測量所合成微米和納米粉體粒徑的分布情況；通過對合成材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，核實材料的成分、材料內部的結構；通過掃描電鏡測量對所合成材料的形貌-性能相關性進行研究等。通過專業儀器測試，學生學習鑒定、測試、分析新合成材料的方法。材化創新實驗教學不僅僅局限于實驗操作，更注重學生科研素質的培養，為學生開拓更高的專業性視角，以培養學生進行功能材料的設計、制備性能測試等方面的創新意識與能力。

2.3 虛實結合，注重啟發，鼓勵思考，培養綜合能力

在實驗開課過程中，我們發現仍存在程度不一、相對薄弱的現實問題：

①少部分學生在學習、動手實驗過程中存在學習目標不清、學習缺乏自主性[5]；

②大四學生面臨人生岔口時，偶爾出現的學習浮躁性、盲目性等。

面對這些現實性問題，我們在教學過程中嘗試進行以下改進：

①結合虛擬仿真實驗的建設，借助虛擬仿真軟件與設施，進行實驗講解與模擬預習，尤其針對學生現下條件無法完成的虛擬化實驗進行介紹，利用專業化而且學生普遍接受的學習軟件，達到隨時隨地可通過電腦甚至手機即可了解和學習該實驗課程的目的，以增強學生學習積極性；

②注重啟發學生，尤其是遇到不同的實驗現象時，循序漸進地對學生進行引導，以尋求解決辦法，活躍課堂氣氛的同時，給學生提供更多的自主與發揮的空間，若學生提出自己解決問題的方法時，還可安排進行分組對照實驗，以提高學生分析、創新的綜合能力；

③設置多樣化的成績評定方式，不拘泥于單純考勤、實驗操作、實驗報告等評定項目，增加討論對照實驗、實驗改進等方面的成績獎勵，對學生能力進行肯定以加強學生的參與感與責任心，提高學生對于該實驗課的重視程度，提升學生的綜合能力。

3 材化創新實驗課程成果

3.1 拓展學生專業實驗知識層面，理論聯系實際，激發學生學習的興趣

本創新實驗從立題到實驗整個過程，將材化課程研究前沿和生活實踐相緊密結合，更加強化實驗課程的專業性，專業儀器解析功能與培訓，開拓學生專業性視角，增強學生對材化知識的運用實踐，使學生體驗學而致用的實驗過程，從而大大激發學生的學習興趣；

3.2 啟發實驗創新思維，強化學生實驗操作技能，提升學生綜合素質

本創新實驗課程，除基本實驗操作外，增加研究型實驗操作，啟發學生進行創新性思維，鼓勵學生探索、解析實驗現象，強調動手與動腦的真正結合，鞏固基礎實驗技能，學習運用更專業性實驗操作技能和實驗測試解析手段，提高學生整體綜合素質；

3.3 鞏固相關專業知識，拓寬學生科研思路，提高學生科研素養

本創新實驗課聯系功能材料、配位化學、結構化學等幾門基礎專業課，鞏固專業知識的同時，為學生進行科學研究做鋪墊，包括選題、實驗、測試、應用等過程，符合高年級學生追求獨立實驗的需求，培養學生獨立科研能力。

4 結束語

材料化學創新實驗是化學專業學生一門重要的實驗課程，特別對于材料化學專業的學生而言，這是一門專業支撐性的實驗課程。對這門新興的實驗課程，由于沒有更多的經驗可以借鑒，我們的開課過程也是摸索與完善該實驗課的過程。在經歷了5年多的學習、努力與總結，該實驗課取得了很好的教學效果，對學生綜合、創造能力的提升有顯著的成效。特別是對于考研和尋求工作的大四化學專業的學生，材化創新實驗課程所提供的前沿、熱點性實驗內容，開闊學生眼界，拓展學生的知識層面，向學生展示材料化學研究的系統性、應用性，對學生今后的學習和工作具有良好啟發和能力提升作用。以上是筆者在材化創新實驗課程教學中的一些教學經驗總結，在今后的工作中還需要不斷總結、探索，才能提升自身專業與教學素質，輔助教師將創新實驗課程建設更好，以全面提升學生的綜合學習能力和專業素養，為培養高素質的創新型人才打造堅實的基礎。

參 考 文 獻

[1] 楊興鈺.材料化學導論.武漢：湖北科學技術出版社，2003.

[2] 曾人杰.大學化學，1998，13（4）：1-5.

[3] 劉斌，楊建輝.大學化學，2015，30（3）：51-55.

[4] 張榮蘭，楊維興，王驪麗，等.大學化學，2016，31（3）：23-27.

[5] 司開林.教育探索，2013，12：16-18.