材料物理實驗教學中的創新模式探索

江娟 張蕾 鄭克玉 曹萬強

摘要：文章探討了在材料物理實驗教學中探索的四種新模式，即引入翻轉課堂、將科研平臺引入實驗教學、將畢業論文與實驗教學結合起來和采用開放式教學管理模式。針對特定實驗項目選擇合適的教學模式能有效提高教學效果。

關鍵詞：翻轉課堂；科研平臺；開放式教學管理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0277-02

一、引言

實驗教學是各高校教學的一個重要組成部分，是培養學生實踐能力、創造能力的主要手段之一[1]。目前，各高校的實驗教學大部分采用傳統教學模式，即對每個實驗項目學生必須在特定時空完成實驗內容[2]。這種教學模式逐漸暴露出一些問題，一方面大部分學生參與積極性不高；另一方面，學有余力的同學希望通過實驗課程作為橋梁來了解和參與教師的科研活動也大大受到限制。因此，實驗教學改革的目的就是在有限學時內提高教學效果，使學生的能力得到培養和提高。為了實現該目的，探索異于傳統教學模式的新模式是一條必經之路。

本論文以材料物理專業實驗教學為例，探討了幾種新教學模式。

二、實驗教學中創新模式探索

1.利用翻轉課堂模式。翻轉課堂的教學模式大致分為三個階段，即課前自學——課中內化——課后升華。翻轉課堂的課前自學階段，學生利用多媒體終端自學與新知識點相關的微視頻并完成相應作業；課中內化階段，師生間充分互動、討論，老師給予學生針對性輔導；課后升華階段，學生鞏固加深對知識的理解記憶[3]。針對我校材料物理專業實驗，甄選出適合的實驗項目，錄制知識點小視頻，要求在實驗課前學生必須學習并完成相關練習。例如，在《陶瓷材料制備實驗》項目中，我們以制備一種微波介質陶瓷材料為例，將對陶瓷材料制備工藝流程錄制成視頻，對實驗的每個步驟的原理加以介紹，對需要注意的問題加以提示，演示各步操作結果，最后設置幾個相關問題。學生在實驗課前通過學習視頻對陶瓷制備工藝流程有一個初步了解。在實驗過程中學生直接操作獲得結果，當結果跟預期不一致時可以與老師及同學充分討論，弄清其中原因。比如，有同學按照實驗步驟操作，但是最后制備的微波介質陶瓷Q*f相比預期結果差別太大，經與老師討論發現影響微波介質陶瓷Q*f的因素有本征因素和非本征因素。本征因素主要包括材料體系，非本征因素包括密度、氣孔、雜質、缺陷等，且每一種因素對陶瓷Q*f的影響程度也不相同。通過這樣深入討論的方式，學生感覺收獲很多，因此對該實驗課的興趣倍增。

2.將科研平臺引入實驗教學。眾所周知，大部分高校擁有大量先進的科研綜合實驗平臺，如何利用這些科研平臺在本科實驗教學中提高學生動手實踐能力，受到了眾多高校的關注。本科實驗課程大多只有單一的課程實驗，大多數學生僅能掌握單一的實驗基本技能，缺少綜合類實驗訓練，對一些先進的大型實驗儀器很少有機會接觸或使用。如何通過實驗項目設計，使本科階段的學生把這些重要課程所學的基礎知識串聯起來，并明白所學專業基礎知識的重要性及在實際中的應用過程，是項目設計的最終目的。另外，直接讓本科生通過實驗項目接觸最前沿的科研領域能顯著增加他們對于專業學習的興趣[4-6]。

在材料物理專業實驗中，我們引入了學院科研平臺的材料制備設備，如磁控濺射儀、脈沖激光沉積設備（PLD）和化學氣相沉積設備（CVD）等，材料結構表征設備，如X射線衍射儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、投射電子顯微鏡、綜合熱分析和X射線光電子能譜（XPS）等以及光學和電磁學性能表征設備。例如，在《材料制備實驗》中，有學生在實驗老師指導下利用PLD制備了一種多鐵材料薄膜，利用X射線衍射儀確定該薄膜的晶相結構（如晶系、晶胞參數），利用掃描電子顯微鏡觀察薄膜的微觀結構，利用XPS確定該薄膜中某種元素的價態情況，最后使用電磁學測試平臺研究其磁電耦合效應。在這個過程中，很多環節需要學生進行資料查詢，在老師的幫助下進行實驗操作及數據采集、處理和分析，最終獲得可靠的實驗結果。這樣一來，學生有機會接觸到高端的大型設備，大大開闊了學生的視野；同時體會到理論與科研實際的緊密結合，體會到科研的綜合性和嚴謹性。

3.將畢業論文與實驗教學結合起來。目前，大部分高校將畢業論文時間安排在第7—8學期，但是第7學期正值考研關鍵時期同時也是求職高峰期，大多數學生無心于畢業論文。而到第8學期，考研初試通過國家線的同學忙著準備復試，而在第7學期求職未如愿的同學更在這一學期全力以赴奔波于各大招聘會現場。因此，從一定程度上來說，學生并沒有將精力完全放在畢業設計上[7]。文獻調研、撰寫文獻綜述以及開題報告，這些工作時間比較靈活，學生可以根據自己實際情況靈活安排，但是實驗工作只能安排在答辯之前相對集中的1—2周時間內，在老師的指導下匆忙完成，這樣的畢業論文效果一般不理想。針對畢業論文時間緊張的問題，我們專業嘗試將部分學生的畢業論文提前一學期至第6學期與一門專業實驗課程相結合。本科畢業論文包括調研文獻、提出實驗方案、實驗操作、獲得實驗數據、總結實驗結果和撰寫畢業論文幾個階段。將學生的畢業論文與實驗教學結合起來，老師要提前和學生溝通好，使學生明白每個看似獨立的實驗項目和最后畢業論文之間是部分與整體的關系。這樣一來將畢業論文每個步驟分解到每個具體實驗項目中去，大大減小了第8學期畢業論文的壓力。但是這樣操作就對實驗教學提出更高的要求，傳統的實驗教學是以單個實驗項目進行的，現在將其與畢業論文結合起來之后，針對每個項目不僅單獨考慮其實驗目的、實驗原理、實驗操作和實驗結果等問題，還要將其作為畢業論文的一次小實驗來考慮，因此實驗項目之間的關聯性更要予以重視。

4.采用開放式實驗教學管理模式。傳統的實驗教學往往采取整齊劃一的模式，即參加某一門實驗課程的所有學生在同一時段完成同樣的實驗內容，對每個學生都是同樣的要求和統一的考核標準，大部分學生對實驗課程熱情不高，出現這一狀況的原因是實驗室多數采用的是非開放式管理模式，即學生只能在教學管理部門和實驗室安排好的時段到實驗室完成規定的實驗內容，不能充分發揮學生學習的積極性和主動性。目前，我們材料物理專業實驗是分層次教學的，即將實驗項目劃分為“基礎驗證型、綜合設計型、創新研究型”3個層次，基礎驗證型是通過實驗來驗證一些重要結論；綜合設計型著力于綜合運用所學的知識模塊，培養學生分析問題和解決問題的實踐能力；創新研究型旨在培養學生良好的科研素養。與基礎型驗證性實驗項目相比，綜合設計型和創新研究型實驗的知識含量要大得多，綜合程度要高得多，學生所遇到的困難也要多得多，如果對學生采取開放式教學模式將會大大提升實驗教學效果。實驗室實行開放管理模式以保證學生有靈活的時間來安排自己的實驗內容。對于不同層次的學生可以在同一個時段同一實驗室完成不同的實驗項目。通過幾年的實踐，這種實驗教學管理模式已經取得了良好的效果[8-9]。

三、結語

雖然文中提到四種新的教學模式，但并非完全否認傳統實驗教學模式，因為每一種教學模式均有不同的適合對象，對實驗教學管理的要求也不盡相同，因此在實際操作中不可生搬硬套。對待每一門實驗課程或每一個實驗項目適合哪一種教學模式，實驗教師要做充分的調研選擇，切不可人云亦云。真正做到對待每個實驗項目采用合適的教學模式才能達到激發學生對實驗課的興趣和提升學生創新能力的目的。

參考文獻：

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