“一流課程”建設背景下材料化學專業課程實驗教學改革與探究

佘小紅，杜 娟，朱雯莉，劉乃強，林修洲

(四川輕化工大學材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

2019年10月，教育部頒布的《關于一流本科課程建設的實施意見》中提出“強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好教與學模式創新的問題，杜絕信息技術應用的簡單化、形式化”[1]。在這樣的大環境下，開展材料化學專業“一流課程”建設對材料化學專業教育具有深遠的意義。

材料化學專業的培養目標是使學生系統地掌握材料化學的基本理論與技術，熟悉與材料化學相關的基本知識和技能，培養能在材料化學及與其相關領域從事研究、教學、科技開發及相關管理工作的人才。實驗教學對提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有不可替代的作用[2]。因此，材料化學專業實驗課程的教學體系的重點在于培養學生創新能力和實踐能力。除了加強專業知識學習外，還要強化專業實踐技能的培養，鍛煉學生的創新能力[3]。本文將以四川輕化工大學材料科學與工程學院材料化學專業實驗教學為主要研究對象，通過理論教學、實驗技能培訓、分析實驗過程和結論與討論等步驟，全面優化和改革實驗教學方法，構建新的教學方案，改革實驗教學方法和實驗課程教學成績評價方式，搭建開放式的實驗平臺，對我院材料化學專業實驗教學進行改革與探討。

1 實驗課程教學體系環節的缺失

四川輕化工大學的材料化學是工科專業，具有以實驗為主且與實踐緊密相關的特點，實驗教學往往與理論教學相穿插。我們的學生雖然具有很強的學習能力，但是他們缺乏動手能力和解決問題的能力。然而，目前的實驗課程教學體系不能有效鍛煉學生的實踐能力。因此，在材料化學實驗教學中，應以學生為主體，使學生充分掌握實驗內容，在實驗過程中鍛煉其分析問題和解決問題的能力。

1.1 教學方法相對簡單

目前，實驗教學主要采用實驗教師在課程的前幾分鐘介紹實驗內容，然后教師演示，學生觀察，再由學生根據教材內容自行進行實驗的教學方法。但是教學中發現，由“教師講，學生聽、做”的“灌輸式”教學方式非常單一和被動，降低了學生的學習主動性，無法有效培養學生的實踐能力。

1.2 實驗數據處理部分

大多數學生實驗數據處理還停留在誤差較大、費時較多的手動處理階段，使用專門的科研軟件來處理專業實驗數據不僅能提高數據的準確性，還能縮短時間。例如，在進行在做“材料的拉伸”實驗時，需要用Origin軟件來繪制應力-應變曲線，材料化學綜合實驗中晶體分析需要Jade軟件，這些科研軟件對于材料化學專業的學生來說都是必不可少的。但是在授課過程中發現，能夠熟練使用這些軟件的學生很少，有部分學生甚至不知道有這些軟件。

1.3 結論與討論部分

實驗教學的主要目的是讓在復習理論知識的基礎上，通過實踐教學發現理論知識的不足之處，通過實驗教學鍛煉學生獨立分析和處理現實生活中的問題的能力。完整實驗教學過程由理論教學、實驗操作、數據處理和結果討論這幾部分組成。然而，在實際教學過程中，大多數學生只完成了實驗操作與數據處理的環節，缺乏對結果的討論與分析。結果討論與分析部分是非常重要的。經歷實驗結果的分析過程，可以使學生發現自己實驗操作過程中存在的問題，探索實際應用過程與實驗過程的差異，提高他們的創新思維。

2 實驗教學改革的幾點建議

2.1 改變教學模式

將“教師講，學生聽、做”的“灌輸式”教學方式變成“教師主導和學生主體”的雙作用方式，從而促進學生學習興趣，使學生真正成為教學過程中的主體。材料化學專業學生的培養方案上要求學生具有獨立解決科學問題和獨立解決實際生產問題的能力。在實驗教學中，要盡可能的引導學生展開實驗與實際生產問題結合的思考，以激發學生的創新思維。要求學生獨立設計實驗方案和步驟，獨立調試儀器設備，對實驗過程中遇到的問題提出相應的解決方案。首先，起碼要提前一星期詳細的告知學生本次的實驗項目和內容、實驗室的現有條件(如原材料，藥品，儀器設備等)，要求學生查閱相關文獻，根據題目內容和實驗室的現有條件設計實驗方案，方案包括原材料的處理、材料制備、性能測試以及實驗具體流程等內容；然后實驗教師對學生設計的實驗方案進行評審與修改，并確定實驗方案；最后，學生進行實驗，記錄實驗現象與數據，撰寫實驗報告。每次課后，教師須有目的地安排2～4名學生分別對本次實驗情況進行小結，隨后教師做點評。這樣可以鍛煉學生對材料開發與研究中存在的問題進行預測、總結和分析，提出可行的研究方案的能力。

2.2 改進考核方式

適當的考核方式能夠激發學生的積極性。目前實驗課考核主大多以實驗報告為主據，形式單一，大部分學生通過抄實驗講義敷衍了事，沒有主動思考，無法鍛煉學生的創新意識和探索精神。因此，可以嘗試多元化的考核方式。不僅要重視學生的實驗結果，還要注重對學生實驗過程和實驗能力的考查，強調對學生在實驗過程中所獲得的知識、技能和能力的評價。課后，不再僅針對實驗內容或者講義本身設置問題，而是脫離實驗教材所涵蓋的部分，使學生無法照搬教材或講義來完成。這些問題既可以是涉及到實驗內容的原理知識，也可以根據實驗儀器的特點進行設計[4]。與此同時，還可以開展研究性教學，設置一些目的明確的高級問題，督促學生就題目進行思考，有目的地利用圖書館、網絡檢索等查閱相關的文獻資料，最后結合自己的想法給出具有個人特色的答案。不建議為此類問題設置標準答案，目的不是結果，而是學生在回答問題過程中的思考和檢索、閱讀過程。

2.3 增加實踐教學，構建開放式教學實驗平臺

材料化學專業實驗的實驗教學學時無法滿足需求，開放實驗室是必要的，但僅靠實驗教師的力量是遠遠不夠的。實驗之初，使每個學生接受行安全教育和常規儀器使用進行培訓。在實驗室里，將學生分成若干小組，各小組對實驗室進行管理，同組同學自我監督，嚴格遵守實驗室規程，確保實驗室和學生的安全。需要使用大型儀器時，由實驗指導教師進行集中測試。這樣上課時間短、實驗設備缺乏依據學生動手機會少的問題都得到了解決。開放實驗室可以讓學生有足夠的時間進行實驗，確保專業實驗的完成。

同時，為了滿足材料化學專業學生的需求，有必要引導學生學習專業科研軟件。以“互聯網+”，省級、校級大學生創新創業訓練計劃項目等為契機，搭建開放式教學實驗平臺，引導學生獨立完成基金項目的撰寫，熟悉科研的流程。通過設計實驗、開展實驗、表征性能、處理數據、撰寫小論文、項目結題等一系列過程，激發學生的科研創新精神。在學生獨立完成研究課題的過程中，引導學生使用科研軟件。以這種方式，材料科學與工程學院材料化學專業的很多學生都能夠熟練掌握Excel、Origin、Jade及ChemDraw等軟件。專業科研軟件的學習可使學生處理實驗數據更加得心應手，為學生的畢業論文和今后科研工作提前打下良好的基礎。通過開放式的實驗教學平臺的搭建，使學生的創新意識得到激勵，使實驗室成為培養學生的主要陣地。

2.4 引導學生撰寫科技論文

實驗中，在指導學生進行材料制備、性能測試、數據分析、結果討論的全部程序時，利用課余時間進一步引導學生對實驗現象與數據進行分析和深究，撰寫科技論文。這種方式既能夠提高學生的實驗技能，使他們認真對待實驗課程，還能使他們的數據整理能力、歸納能力和論文寫作能力得到鍛煉，為畢業論文的撰寫奠定了基礎[5]。近年來，在四川輕化工大學材料科學與工程學院，一些本科生將自己在實驗室獲得的數據整理成后撰寫論文發表。論文的撰寫與發表能讓學生提前體驗完整的科研過程，直觀地看到自己的實驗成果，更有效的激發他們學習主動性。

2.5 材料化學實驗教學改革改進實例

在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實驗過程中，我們最初的教學模式是上課前讓學生先預習實驗指導書，寫出預習報告。上課時專業實驗教師對整個實驗進行詳細的講解，介紹溶膠-凝膠法的原理，通過溶膠-凝膠法的原理引出本次實驗制備SiO2凝膠的實驗步驟，并強調實驗過程中需要注意的一些事項，最后將學生進行分組，讓學生們按照老師的講解進行實驗。學生完成試驗后將把實驗數據和結果整理好交由教師檢查并簽字，學生的最終實驗成績則是根據他們的實驗過程表現和實驗報告兩部分來評定。

改革后，提前一星期先告知學生溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠實驗的具體內容和目的，實驗室的現有條件為：電子天平、調溫磁力攪拌機、電熱真空干燥箱、箱式氣氛爐、燒杯要求學生查閱溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的相關文獻，根據該實驗的內容和實驗室的現有條件設計實驗方案，具體方案包括制備SiO2凝膠所需藥品正硅酸四乙酯和無水乙醇的具體比例以及要加入去離子水和氨水的量，藥品加入的先后順序，實驗所需要的溫度、攪拌時間等具體要求，每個人根據自己查閱文獻的情況寫一份完整的實驗計劃書；然后實驗教師對學生設計的實驗方案進行評審與修改，指出實驗方案中存在的問題，與學生們一起探討并進行修改，確定學生要開展本次實驗的最終實驗方案，每個學生的實驗方案都要存在一定的差異性，防止同學們照搬照抄的現象出現；最后，學生根據自己的實驗方案進行實驗，記錄實驗現象與數據。在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實驗過程中，催化劑、水、溶劑及反應溫度等均會對膠凝時間、凝膠的粘度、結構等產生一定的影響，而有些同學未能選用合適的配比以滿足實驗的要求，因此最終無法成膠或者凝膠的粘度太低導致實驗失敗。我們可以讓實驗失敗的學生認真反思，找出自己實驗失敗的主要原因，在學生課余時間再次重復本次實驗。等所有學生的實驗全部結束后，實驗教師將把所有學生的樣品集中在一起并指導學生用熱分析儀對先體溶膠進行DTA，DGA分析并給出理想的熱處理溫度，再用激光散射儀測定二氧化硅溶膠的粒度分布情況，學生根據測試結果及相關文獻的處理方法分析實驗結果，最后形成一份正式的實驗報告交給實驗教師，實驗教師根據學生的實驗方案，實驗操作過程以及實驗報告綜合評定學生的本次實驗成績。通過改革，學生的實驗積極性和實驗興趣得到進一步的提高，學生的實驗能力也得到了很好的鍛煉。

3 結 語

材料化學實驗課是材料化學專業的一門基礎實驗課，在“一流課程”建設背景下的材料化學專業教育中發揮了關鍵的作用。材料化學專業實驗教學的改革與探索，將對提高學生的專業實驗技能和創新能力起到積極作用。因此，在教學實踐中，我們一定要重視當前存在的問題，不斷修訂教材和講義，豐富教學內容，改革教學方法，創建多元化的評價體系，開展研究型教學和開放式實驗。通過上述措施，充分調動起學生的主觀能動性，在實驗教學過程中培養他們的思維能力和創新意識，使其成為具有較高專業素質和創新能力的合格人才。