基于學科融合的開放性實驗設計與實踐

摘 要：實驗教學是高等教育的重要組成部分，是培養學生科學素養的重要途徑。針對當前材料科學與工程學院專業實驗更新速度慢、實驗資源利用率低等問題設計了基于學科融合的開放性實驗項目。該開放實驗以抗菌陶瓷用殺菌劑為研究對象，通過對實驗內容的精心設計，達到培養學生掌握實驗基本操作技能以及分析問題、解決問題的能力。實踐證明，基于學科融合的以抗菌陶瓷為研究對象的開放性實驗項目可將材料類專業與環境專業有機融合，既擴大了參與實驗的學生群體，提高實驗資源的利用率，又能夠調動學生的積極性，對其實踐與創新能力的培養起到良好促進作用。

關鍵詞：學科融合；抗菌陶瓷；開放性實驗；創新能力

科學實驗是認識世界的重要方式之一，是大學人才培養的重要手段，是理論教學的必要補充。相對于理論教學，實驗教學更有助于培養學生的動手能力及創新意識［12］。當前，大部分院校的專業實驗主要針對本專業的學生開設，而且實驗項目多以驗證性為主，綜合設計類實驗項目偏少，學生主動參與實驗的積極性弱，不利于其創新能力的培養［3］。此外，專業實驗的儀器設備相對昂貴，一旦實驗項目確定，儀器設備到位后往往會持續數年，導致實驗內容陳舊。在當前“新工科”建設背景下，需要重新設計以培養應用型人才為目標的實驗教學內容體系［34］。而開放性實驗是一種新型的實驗教學形式［5］，其實驗方案、實驗內容、實驗時間均由學生自己確定，這有助于激發學生的學習興趣，提升其創新意識及創新能力，是常規實驗的有力補充。

本研究針對景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院專業實驗教學現狀，結合該校陶瓷特色，設計基于學科融合的以抗菌陶瓷為研究對象的開放性實驗項目。該實驗將材料類專業與環境專業有機融合，一方面，擴大了實驗的參與對象，提高了實驗資源的利用率；另一方面，將不同的專業知識融合在同一實驗項目中，既可以開闊學生的視野，拓寬其知識面，又能激發學生的學習興趣，培養其創新意識和創新能力［6］。

一、學院專業實驗教學現狀分析

學院實驗類教學大體可分為基礎性實驗和專業類實驗兩大類，基礎性實驗主要是學生在大一、大二學習的一些基礎課程所對應的實驗，如“無機化學實驗”“有機化學實驗”“物理化學實驗”“大學物理實驗”等，專業實驗一般是學生在大三、大四學習專業課程之后開設的實驗課程。與基礎實驗課程相比，專業實驗最大的特點就是專業性，因此，專業實驗一般只針對本專業的學生開設，故這些實驗資源的利用率相對較低。另外，受各種因素的影響，學院每年招生的各專業學生人數差別較大，如近年來較熱門的新能源材料與器件專業，每年招生的學生人數較多，而環境工程、粉體材料科學與工程等專業招生的人數相對較少，導致這些專業的專業實驗資源利用率降低。專業實驗更新速度較慢，相較于基礎實驗，專業實驗的儀器設備相對昂貴，投入較大，一旦實驗項目設立，一般要持續較長時間，使得實驗內容往往缺乏創新性［7］。在教學方法上，專業實驗大多仍沿用基礎實驗的教學方法，忽視了對學生專業能力的培養，學生大多是機械地完成實驗而缺乏獨立的思考和創新的思維，教學效果不夠理想。

二、專業實驗教學改革建議

基于“新工科”建設要求和OBE教育理念，對人才的培養需要根據行業需求，“適銷對路”的應用型人才在就業時才能具備較強競爭力［8］。與其他類型人才培養模式相比較，應用型人才的培養具有以下幾個特點［9］：（1）培養方案按一線生產的實際需求進行制訂。（2）知識體系以一線生產要求為核心目標，突出對專業知識的熟練掌握與靈活應用。（3）培養過程強調與生產實踐相結合。由此可見，實踐性教學環節在應用型人才培養中起著舉足輕重的作用。為了培養出適應社會經濟發展需求的各類人才，必須重視和強化實驗教學的作用，特別是專業實驗教學在人才培養中的作用［10］。

專業實驗教學的改革應根據相關行業的發展，選擇與現代社會經濟發展背景相適應的實驗教學內容，以教材內容為基礎，以培養學生能力為出發點，讓學生意識到自己掌握的專業理論知識和實際生活之間存在著密切的聯系，從而對所學知識產生濃厚的興趣，而持續發展更新的現代化實驗設備和技術也將有助于教師進一步提升實驗教學效率和質量。

三、基于學科融合的開放性實驗設計方案

選擇基于學科融合的以抗菌陶瓷為研究對象設計開放性實驗項目，鑒于“陶瓷工藝學”課程是陶瓷生產基本工藝理論的課程，作為一門核心專業課，景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院所有專業均開設該課程，若能增加相關實踐性的教學內容，將有助于學生更加深刻地理解并掌握理論知識。此外，基于學科融合的以抗菌陶瓷材料為研究對象的開放性實驗可以將材料類專業與環境專業知識融合為一體，不僅能開闊學生的視野、拓展知識面，還有助于其創新意識、創新能力的培養［11］。

（一）實驗開放對象

本開放性實驗項目主要面向該院環境及材料類專業（無機非金屬材料、材料化學、材料物理、新能源材料與器件等）的學生開放。開放后，實驗室接納的學生人數會顯著增加，實驗資源利用率得到提高；另一方面，將不同的專業知識融合在同一個實驗項目中，超越了傳統學科的界限，學生能夠綜合運用各種學科的知識和技能解決實際問題，綜合素養得到提高。

（二）實驗內容設計

陶瓷釉料的配制是該院材料類專業學生必須掌握的實踐技能；而微生物的培養與接種技術是環境工程專業學生必須掌握的基本操作［12］，將這些微生物學實驗的基本操作技能與陶瓷釉料的配制相結合，設計開放性實驗項目，具有較好的新意，能激發學生的學習興趣。具體實驗內容如下。

1.抗菌劑的制備

抗菌劑是一類具有抑制或殺死細菌活性的化學物質，主要用于防止細菌等微生物在物品表面生長和繁殖，廣泛應用于醫療、農業、日用化工等領域［13］。常見的抗菌劑可分為無機抗菌劑和有機抗菌劑兩大類，其中無機抗菌劑根據所摻入的抗菌物質種類的不同，又可分為光催化型抗菌材料（如TiO2、ZnO、ZrO2等）和金屬離子型抗菌材料（如鋅系、銀系、銅系等）［14］。

本開放性實驗設計以鋅系抗菌材料為研究對象（學生也可根據自己的興趣自主選擇其他抗菌劑），在查閱相關資料基礎上采用一定的制備方法（如水熱法、共沉淀法等）合成抗菌納米粉體。

2.抗菌劑抗菌性能的測定

抗菌劑抗菌性能的測定可分為定性抗菌性能測定和定量抗菌性能測定兩種。

定性抗菌性能的測定方法如下。

（1）菌液的制備（即大腸桿菌的培養）：在乳糖蛋白胨液態培養基（配方：蛋白胨10g、牛肉膏3g、乳糖5g、氯化鈉5g、1.6%溴甲酚紫乙醇溶液1mL、蒸餾水1000mL、pH=7.2～7.4）中進行大腸桿菌接種，然后在生化培養箱37℃培養24h，得到所需大腸桿菌菌液。

（2）抗菌片的制備：將合成的抗菌納米粉體（即抗菌劑）研磨后加入適量黏結劑（5% PVA），然后用模具壓制成厚約3mm、直徑約5mm的試片即為抗菌片。

（3）定性抗菌性能的測定：將滅菌后的抗菌片置于培養皿底部，然后倒入30mL稀釋至適當濃度的大腸桿菌菌液，靜置24h后觀察菌液的變化，根據菌液中是否出現殺菌環（如圖1所示）對抗菌劑的抗菌性能做定性判定［15］，從圖1中可以看出，在試樣的周圍出現了明顯的殺菌環，表明所制備抗菌劑具有良好的殺菌性能，實驗效果顯著，能夠促進實驗教學質量提高。

圖1 部分定性抗菌實驗制備試樣數碼照片

定量抗菌性能的測定方法如下。

（1）固態培養基的配制：固態培養基配方為牛肉膏075g、蛋白胨1.5g、氯化鈉0.75g、瓊脂3g、蒸餾水150mL、pH=7.6，按照以上配方配制固態培養基并進行滅菌處理。

（2）微生物的培養：以上述定性抗菌測試后的菌液為培養對象，采用平板涂布操作，具體操作方法見參考文獻［12］。然后與固態培養基中生長的菌落數量進行對比來定量評價抗菌劑的抗菌性能。

3.抗菌陶瓷制備及其抗菌性能

抗菌陶瓷是一類具有抗菌功能的陶瓷制品，它是在陶瓷制品生產過程中加入無機抗菌劑，從而使陶瓷表面具有抑制或殺死細菌的能力［16］。在基礎釉配方中加入一定量抗菌劑經球磨即得到抗菌釉，然后按照一般陶瓷制備工藝進行施釉、干燥、煅燒，最后得到抗菌陶瓷制品。基礎釉參考配方如下。

圖2為抗菌陶瓷抗菌性能測試后的數碼照片，圖2（a）為空白對照組（即沒有經過抗菌陶瓷殺菌），圖2（b）為經過抗菌陶瓷24h殺菌處理，對比圖2（a）和2（b）可以看出，圖2（b）中的菌落數明顯減少，表明抗菌陶瓷具有良好的抗菌性能，實驗現象明顯，達到了將材料和環境專業融為一體的實驗設計預期目標。

（三）開放實驗成效

目前，景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院已經成功開設了“基于學科融合的開放性實驗”項目，得到了學生的積極響應與參與。與傳統課堂實驗相比，在進行該開放性實驗過程中，學生的主觀能動性得到極大體現，無論是抗菌劑的制備、大腸桿菌的培養，還是抗菌陶瓷釉的配制與燒成，都由學生自主設計與操作，實驗過程中出現的各種問題也由學生自主分析并加以解決，學生的綜合能力得到了鍛煉與提升。

結語

針對景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院專業實驗教學現狀，結合該校陶瓷材料特色，設計的基于學科融合的以抗菌陶瓷為研究對象的開放性實驗項目，在激發學生學習興趣的同時，拓寬了學生的視野，啟發了學生的創新思維，培養了學生的創新意識和創新能力，同時又提升了實驗資源的利用率，收到了良好的教學效果。

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基金項目：2022年景德鎮陶瓷大學陶瓷材料工程國家級實驗教學示范中心開放課題“基于抗菌陶瓷材料的環境微生物開放性實驗設計與實踐”（編號：ZXJG202209）

作者簡介：李家科（1973— ），男，安徽淮南人，漢族，博士研究生，教授，研究方向：陶瓷材料。