材料科學(xué)與工程專業(yè)課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)探索

摘要：針對傳統(tǒng)材料科學(xué)與工程專業(yè)綜合實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，提出課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)改革. 課題結(jié)合式的綜合實驗使學(xué)生由被動轉(zhuǎn)為主體，自主進(jìn)行實驗方案設(shè)計、樣品制備、材料表征及性能分析，結(jié)果 分析與討論，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐、提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力和 專業(yè)交流能力，為學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程；課題結(jié)合式；綜合實驗

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Exploration on Research-Integrative Comprehensive

Experimental Teaching of Materials Science and Engineering Majors

CHEN Qi-di1， CHEN Qing-qing2， CAI Dao-ping2

（1. College of Materials Science and Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350116， China;

2. The Fourth Affiliated Primary School of Fuzhou Institute of Education， Fuzhou 350008， China）

Abstract：Aiming at the present situation and problems existing in the traditional comprehensive experimental teaching of traditional materials science and engineering majors， a researchintegrative comprehensive experimental teaching reform is proposed. The research-integrative comprehensive experimental teaching allows students to shift from passive to active， independently carry out experimental scheme design， sample preparation， material characterization and performance analysis， result analysis and discussion， thereby cultivating students' ability to integrate theory with practice， propose， analyze and solve problems， cultivate students' teamwork and professional communication abilities， and lay a good foundation for students to take up work positions after graduation.

Key words：materials science and engineering; research-integrative; comprehensive experimental

0 引言

材料科學(xué)與工程專業(yè)是一門側(cè)重實踐性的學(xué)科專業(yè)． 實驗教學(xué)在整個人才培養(yǎng)、 實踐教學(xué)中占據(jù)至關(guān)重要的作用． 特別在工程教育專業(yè)認(rèn)證大背景下， 隨著社會和科技的日益發(fā)展， 材料領(lǐng)域的專業(yè)人才需求更趨向于實踐型、 創(chuàng)新型、 復(fù)合型．材料綜合實驗， 通常是學(xué)生先修材料科學(xué)、 材料工程、 材料分析方法、 材料性能與應(yīng)用等基礎(chǔ)專業(yè)課程后， 在大三階段開設(shè)的一門綜合性的實驗實踐課程， 可以讓學(xué)生充分了解和掌握與材料科學(xué)與工程專業(yè)的相關(guān)基本知識與基本技能， 了解和掌握先進(jìn)材料的制備方法， 鞏固和強化所學(xué)理論知識并接觸材料學(xué)領(lǐng)域前沿的科學(xué)與技術(shù)， 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐、 觀察問題、 分析問題和解決問題的能力， 能夠?qū)⒒A(chǔ)學(xué)科的知識融會貫通， 應(yīng)用到實踐生產(chǎn)領(lǐng)域， 練就學(xué)生過硬的專業(yè)技能與知識，為學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)[ １ - ２]．打破傳統(tǒng)綜合實驗以驗證性實驗為主， 缺乏創(chuàng)新性的局限， 采取課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)[ ３ - ４]，契合老師的科研課題， 把該領(lǐng)域的前沿研究、 新進(jìn)展、 新發(fā)現(xiàn)等及時融入到綜合實驗教學(xué)中， 讓實驗更與時俱進(jìn)， 更具有前沿性， 更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情， 更好地開展綜合實驗教學(xué)， 更有利于材料專業(yè)實踐型、 創(chuàng)新型、 復(fù)合型人才的培養(yǎng)．

1 傳統(tǒng)材料綜合實驗教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 實驗項目陳舊， 且存在部分重復(fù)材料科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)置的實驗課程較多，存在部分實驗課程項目重復(fù)開設(shè)的現(xiàn)象[ ５]． 特別是綜合實驗多以合成制備及分析表征為主， 缺少器件組裝制備等工程類實驗項目， 部分綜合實驗項目陳舊， 其配套的實驗儀器和裝置落后， 與日益發(fā)展的專業(yè)技術(shù)、 實際生產(chǎn)工藝脫節(jié)太多[ ６]， 不能把握材料專業(yè)發(fā)展前沿、 熱點和當(dāng)今工業(yè)發(fā)展水平， 容易讓學(xué)生感覺到學(xué)習(xí)的知識都是落后的、 沒有用處的．

1.2 學(xué)生被動學(xué)習(xí)， 缺乏主動思考

傳統(tǒng)的材料專業(yè)綜合實驗的實驗方案都是由教師統(tǒng)一擬定好， 更注重理論的基本驗證， 學(xué)生只要按照實驗指導(dǎo)書和教師的要求進(jìn)行“ 依葫蘆畫瓢” ， 實驗技能操作僅僅停留在“ 做” 和“ 學(xué)” 的層次上， 往往忽視了最重要的“ 思” [ ７]． 在全過程中教師占據(jù)主體， 學(xué)生多數(shù)為機械式、 被動“ 填鴨式” 的接受[ ８]， 在實驗過程中缺乏發(fā)現(xiàn)和思考． 學(xué)生沒有充分領(lǐng)會到實踐的真正意義和精髓， 最終導(dǎo)致教學(xué)效果得不到保證．

1.3 創(chuàng)新性不夠， 實驗結(jié)果固定單一

傳統(tǒng)的綜合實驗多數(shù)以驗證性實驗為主， 很難在教學(xué)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新性和設(shè)計性， 無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維， 更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)． 同時， 實驗方案為教師統(tǒng)一擬定， 各組結(jié)果都基本可知可預(yù)測， 組與組之間可能會互相抄襲實驗結(jié)果，學(xué)生做實驗的熱情和好奇心都欠佳．

2 課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)設(shè)計

材料綜合實驗是在學(xué)生充分了解和掌握了材料專業(yè)相關(guān)基本知識與基本技能的基礎(chǔ)上而開設(shè)的綜合設(shè)計性實驗課程． 教師的科研成果一般具有前瞻性和先進(jìn)性， 材料綜合實驗的設(shè)計要契合教師最新的科研方向和學(xué)術(shù)成果， 將科研中最前沿的成果和理論、 與生產(chǎn)相接近的工程案例等應(yīng)用到綜合實驗教學(xué)中， 以更好地激發(fā)學(xué)生的實驗興趣， 樹立學(xué)生的科研意識， 培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力．

充分進(jìn)行科學(xué)調(diào)研， 有計劃、 有步驟地進(jìn)行材料綜合實驗教學(xué)體系、 內(nèi)容和手段等方面的改革．考慮到實驗項目的綜合性， 實驗項目的制定必須含有樣品的制備、 表征以及數(shù)據(jù)處理分析等多個材料實驗環(huán)節(jié)． 瞄準(zhǔn)科研熱點和教師的科研成果，結(jié)合本科生課程情況和接收能力， 設(shè)計符合實際的綜合實驗項目． 改變以往填鴨式的教學(xué)模式， 指導(dǎo)教師僅對綜合實驗項目內(nèi)容提總體要求， 指導(dǎo)學(xué)生前期進(jìn)行文獻(xiàn)檢索和查閱、 制定材料制備方案、 樣品表征、 數(shù)據(jù)處理和分析， 提升學(xué)生在綜合實驗過程中的主導(dǎo)作用．

3 課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)實施

采取學(xué)生分組的形式開展整個綜合實驗過程． 明確每個小組的分工任務(wù)， 要求全體學(xué)生切實參與到實驗中來， 最后每人需要提交小課題總結(jié)報告． 課題結(jié)合式的綜合實驗的流程如圖１所示． 學(xué)生根據(jù)課題實際情況， 以組為單位， ３～５人自行成組， 在專業(yè)教師的指導(dǎo)下獨立完成課題文獻(xiàn)檢索、 實驗方案選定， 自行完成樣品的制備、表征及性能測試， 并對樣品和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論， 最終形成總結(jié)報告． 通過以上過程， 實現(xiàn)以學(xué)生為主導(dǎo)， 學(xué)生能主動面對問題并想辦法解決問題， 提升學(xué)生的動手實踐、 自主學(xué)習(xí)、 發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力， 培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維．

4 課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)實例

鋰離子電池具有高功率密度、 循環(huán)壽命長、 優(yōu)異的倍率性能以及環(huán)境友好等優(yōu)點， 一直受到工業(yè)領(lǐng)域和科研領(lǐng)域的青睞， 成為科研領(lǐng)域的前沿?zé)狳c． 電極材料是鋰離子電池性能好壞的重要因素， 因此研發(fā)高能量密度、 長循環(huán)使用壽命、 低成本的新型高效電極材料是鋰離子電池在能量儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵所在．

因為研究的鋰離子電池為前沿?zé)狳c， 且貼近生活日常， 學(xué)生開展實驗的熱情就高漲． 實驗采取小組負(fù)責(zé)制， 每組３～５人， 每個組員應(yīng)集思廣益，協(xié)同合作． 在專業(yè)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下， 組員們利用圖書館做好前期文獻(xiàn)調(diào)研， 利用實驗室現(xiàn)有的條件， 設(shè)計材料的制備方案和表征測試方法．

過渡金屬硫化物由于具有優(yōu)異的鋰電性能被廣泛運用于鋰離子電池領(lǐng)域， 然而它們的電導(dǎo)率低、 機械穩(wěn)定性差， 導(dǎo)致其鋰電性能不能很好地滿足人們的需求， 特別是循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能[ ９]．組員們通過查閱文獻(xiàn)得知， 設(shè)計不同組分的雙金屬硫化物有益于提升硫化物的鋰電性能． 采取簡易的水熱合成法， 通過調(diào)整金屬離子種類、 化學(xué)計量 比 合 成 了 Z n C o ２O４、Mn C o ２O４、 C oMn ２O４、N i C o ２O４ 等鋰離子電池負(fù)極材料， 同時在保持C o、 Mn化學(xué)計量比不變的情況下， 通過控制添加的 NH４HCO３ 沉 淀 劑 的 量，即 可 調(diào) 整 合 成 的C oMn ２O４ 形貌（ 球狀或方塊狀） ． 然后通過 XRD和S EM 等對制備的樣品進(jìn)行物相和微觀形貌的表征分 析，并將 制備的 樣品 調(diào)漿涂 覆組 裝成C R ２ ０ ３ ２紐扣電池， 利用電化學(xué)工作站等進(jìn)行鋰電電化學(xué)性能的測試， 并進(jìn)行儲鋰機理的研究． 僅改變沉淀劑的種類， 不改變其他實驗條件下制備的N i C o ２O４ 負(fù)極材料的形貌如圖２所示， 一個長成橢圓形并有非常多的小顆粒團簇， 另一個卻長成圓形． 學(xué)生需要去分析材料生長的機理以及影響生長的條件等．

學(xué)生需要通過j a d e軟件， 利用J C P D S數(shù)據(jù)庫， 分析制備樣品由哪些物相構(gòu)成， 利用課本學(xué)習(xí)的公式去獲取樣品的晶面間距等微觀數(shù)據(jù)． 圖４為學(xué)生利用手套箱將制備的電極材料組裝成C R ２ ０ ３ ２紐扣電池， 并利用藍(lán)電電池測試系統(tǒng)進(jìn)行電池性能的相關(guān)測試． 該部分的電池組裝測試都是目前主流電池制造商所用的封裝工具、 電池性能測試系統(tǒng)， 緊跟日益發(fā)展的生產(chǎn)、 制備、 測試工藝及裝備．

5 課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)效果

5.1 激發(fā)了學(xué)生的科研興趣和主動學(xué)習(xí)的熱情

有別于以往按部就班的實驗指導(dǎo)書式的材料綜合實驗， 課題結(jié)合式的綜合實驗契合最新的科研熱點， 實驗項目是學(xué)生在專業(yè)教師指導(dǎo)下自行設(shè)計的， 實驗的結(jié)果充滿未知性和不確定性， 這樣就大大激發(fā)了學(xué)生的科研探索求知欲和好奇心，使得學(xué)生能積極主動地面對問題， 并尋求解決問題的辦法， 從而提升學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的主動性， 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作能力．

5.2 提升了學(xué)生善于思考、 鉆研的科學(xué)研究能力

課題結(jié)合式的綜合實驗項目的設(shè)計通常包含“ 材料制備—表征—應(yīng)用” ３個階段． 需要在實驗教學(xué)中以“ 立題—調(diào)研—設(shè)計—實驗—結(jié)果分析與討論—撰寫總結(jié)報告—答辯匯報” 為主線進(jìn)行[ ７]． 該過程中學(xué)生是主體， 在各個環(huán)節(jié)中教師僅適時地對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)， 引導(dǎo)他們觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題， 啟發(fā)他們解決實驗中遇到的各種問題，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力， 更好地提升學(xué)生的科研能力．

6 教學(xué)結(jié)果反饋

6.1 工程認(rèn)證達(dá)成度評價和學(xué)生評教

學(xué)院“ 材料科學(xué)與工程” 專業(yè)通過教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證， 對全體學(xué)生的材料綜合實驗項目成績達(dá)成度進(jìn)行合理性評價， 符合課程的教學(xué)目標(biāo)． 在學(xué)生評教環(huán)節(jié)， 接受調(diào)查的學(xué)生表達(dá)了對課題結(jié)合式綜合實驗改革的喜歡和收獲， 學(xué)生反饋“ 經(jīng)歷了一段理論聯(lián)系實際， 認(rèn)認(rèn)真真自己摸索、自己實踐、 自己解決問題的過程.......” 、 “ 享受實驗課程學(xué)習(xí)探索的快樂” ， 表達(dá)了對綜合實驗教學(xué)改革的充分肯定．

6.2 各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽和考取研究生

通過課題結(jié)合式的綜合實驗項目的全流程模擬科研訓(xùn)練， 同學(xué)們在較大程度上對科研產(chǎn)生了興趣， 并對材料專業(yè)知識有了深入的了解和體會．在學(xué)院的積極引導(dǎo)和鼓勵下， 學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、 “ 互聯(lián)網(wǎng)＋” 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、 福建省大學(xué)生材料綜合競賽、 大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、 “ 挑戰(zhàn)杯” 大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等項目的參與率顯著增長． 近４年，學(xué)院本科生共計獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目１ ３項， 福建省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目１ ７項， 校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（ S RT P） １ ０ ０項， 參與率高達(dá)８ ３． ３ ９％（ 位居全校第一） ．表１為學(xué)院本科生２ ０ ２ ２—２ ０ ２ ３年福建省大學(xué)生材料綜合競賽、 福建省 “ 互聯(lián)網(wǎng)＋” 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的獲獎情況．

表１從側(cè)面反映出學(xué)生經(jīng)過課題結(jié)合式的“ 科研項目” 訓(xùn)練， 具有較強的項目競爭力， 同時實現(xiàn)了在福建省“ 互聯(lián)網(wǎng)＋” 賽事零的突破， 表明學(xué)生的各項綜合能力有所提升， 真正達(dá)到了“ 以賽促教、 以賽促學(xué)、 以賽促改、 以賽促建” 的目的． 課題結(jié)合的綜合實驗給學(xué)生帶來了沉浸式的“ 科研項目” 訓(xùn)練， 讓學(xué)生對專業(yè)有了更深入的了解， 進(jìn)而產(chǎn)生更濃厚的科研興趣． 學(xué)生愿意在本專業(yè)繼續(xù)深造， 多名學(xué)生被推薦到９ ８ ５高校攻讀研究生， 學(xué)院考取材料專業(yè)類的研究生人數(shù)及通過率也明顯大幅度提 升，近 ３ 年本 科生 考研上 線率 超過５ ０％， ９ ８ ５院校錄取率近６ ０％．

7 結(jié)語

擺脫傳統(tǒng)材料科學(xué)與工程專業(yè)綜合實驗教學(xué)中的陳舊與落后， 學(xué)生被動學(xué)習(xí)， 實驗結(jié)果單一等問題， 課題結(jié)合式的綜合實驗教學(xué)改革， 契合教師的科研課題， 把材料領(lǐng)域的前沿研究、 新進(jìn)展、 新發(fā)現(xiàn)等及時融入到綜合實驗教學(xué)中， 讓實驗與時俱進(jìn)， 更具有前沿性， 更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情．同時又因?qū)嶒灲Y(jié)果無法預(yù)期， 更能激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索欲． 整個過程學(xué)生由被動轉(zhuǎn)為主動， 能更好地培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐、 提出問題、 分析問題和解決問題的能力， 培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力和專業(yè)交流能力， 為學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)．

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[責(zé)任編輯：紀(jì)彩虹]