材料化學(xué)專業(yè)分層次法開設(shè)實驗研究

引言

國務(wù)院學(xué)位委員會于1998年修訂研究生專業(yè)目錄時，特別設(shè)立了材料物理和化學(xué)專業(yè)。材料物理和材料化學(xué)是材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)由過去的宏觀研究和發(fā)展進入到微觀分析和研究，用電子、原子、分子的尺度來研究改變物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)展新興的材料。特別是當(dāng)今以服務(wù)于高科技，現(xiàn)代工業(yè)和國防為主的現(xiàn)代材料或新材料的需求量越來越大，新材料的研制與開發(fā)速度也越來越快，因而涌現(xiàn)出的新概念、新理論、新技術(shù)、新方法、新工藝、新產(chǎn)品和新問題越來越需要材料學(xué)家和物理學(xué)家等共同努力來歸納、整理、總結(jié)及創(chuàng)新。由此產(chǎn)生的材料化學(xué)新專業(yè)無疑是多學(xué)科知識交叉、滲透的結(jié)果。它給現(xiàn)代材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用以及相關(guān)科學(xué)的發(fā)展帶來了新的空間，為新材料的可持續(xù)發(fā)展提供完善而系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和技術(shù)保障。因為材料化學(xué)專業(yè)是技能性、實踐性極強的學(xué)科領(lǐng)域。如何通過材料化學(xué)各實驗課程的改革，深化學(xué)生對課堂知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式和實踐能力，從而提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力，是我們面臨的一個重要問題。如何通過實驗培養(yǎng)學(xué)生多層次、多方向的掌握材料物理性能與材料的制備、工藝和測試手段的關(guān)系。并且通過獨立操作和控制實驗進程，培養(yǎng)學(xué)生的研究精神和創(chuàng)造能力是我們材料化學(xué)專業(yè)需要迫切解決的問題。我們通過分層次實驗教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

分層次實驗教學(xué)法研究

通過分層次開設(shè)實驗，培養(yǎng)學(xué)生的合理的思維方式和實踐能力，從而提高學(xué)生研究精神和創(chuàng)造性能力。具體過程分為以下三個步驟：

1.加強有關(guān)材料化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)性實驗

在材料化學(xué)專業(yè)本科生具有了初步的化學(xué)和物理實驗?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，首先將材料化學(xué)專業(yè)實驗課程從相關(guān)理論課程剝離，綜合成材料化學(xué)專業(yè)專門的基礎(chǔ)實驗課程，集中訓(xùn)練學(xué)生的材料制備和材料性能檢測技能，并以此為實驗室的開發(fā)重點，使學(xué)生的實驗基本技能得以鞏固和提高。

2.開展綜合性實驗并結(jié)合本專業(yè)開展遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)

在材料化學(xué)專業(yè)本科生已經(jīng)具有初步的材料制備和性能檢測的實驗技能基礎(chǔ)上，第二步開設(shè)綜合性實驗并結(jié)合遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)。綜合性實驗的開設(shè)是為了適應(yīng)社會的發(fā)展和需求，在綜合實驗新體系中，要求開設(shè)的綜合性實驗盡可能反映材料、生命、環(huán)境、信息等學(xué)科的內(nèi)容；了解和學(xué)習(xí)材料化學(xué)研究方法與現(xiàn)代實驗技術(shù)在高新科技學(xué)科中的應(yīng)用成為我們新的建設(shè)目標(biāo)。因此，不僅要打破專業(yè)的界限，還要打破學(xué)科的界限，使綜合性實驗成為跨學(xué)科、多技能的綜合訓(xùn)練。在我們材料化學(xué)專業(yè)開設(shè)的綜合性實驗中，與材料、信息相關(guān)的實驗有新型能源材料的合成，SDC（固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料）的合成和表征，壓電陶瓷的制備和表征等等；與生物相關(guān)的實驗是天然物或中草藥物的提取及指紋圖譜等。這樣可以使學(xué)生掌握無機非金屬材料的制備方法和相關(guān)性能測試方法，掌握天然生成物質(zhì)的提取方法和結(jié)構(gòu)確定的手段，從而有效地提高學(xué)生的專業(yè)知識并擴展了知識面。為今后學(xué)生進行主導(dǎo)型研究性實驗奠定基礎(chǔ)。

目前，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完善，網(wǎng)絡(luò)速度和寬帶不再成為制約網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)的瓶頸。計算機軟、硬件的飛速發(fā)展無疑使得虛擬實驗環(huán)境更加逼真、智能。當(dāng)然，虛擬實驗在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的誤差分析能力等方面還不可能取代傳統(tǒng)的實物實驗教學(xué)方式。但是開設(shè)遠程網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)可以使接受遠程教育的學(xué)生獲得與在校生一樣的從感知到理解的過程。有利于培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的能力，為終身學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。對我們專業(yè)來說，因為是新開的專業(yè)，很多實驗還缺乏必要的實驗器材，很多綜合性實驗課程無法開出。但借助遠程教育平臺，可以與兄弟院校和我校其他院系的實驗教學(xué)資源實現(xiàn)共享，從而使相關(guān)實驗得以進行，實現(xiàn)了學(xué)生對相關(guān)實驗的認知。

3.開展學(xué)生主導(dǎo)型研究性實驗的模式

學(xué)生主導(dǎo)型研究性實驗是在綜合性實驗的基礎(chǔ)上由學(xué)生自己選題、查閱文獻和設(shè)計實驗，在教師指導(dǎo)下完成研究性實驗論文并進行論文答辯。該模式的主要目的是全方位地鍛煉學(xué)生實驗研究的能力，充分調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，激發(fā)他們從事材料科學(xué)研究的興趣和熱情，為其今后的畢業(yè)設(shè)計和將來從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。同時這種新的實驗?zāi)Ｊ揭蔡岣吡藢嶒炇以趯W(xué)生學(xué)習(xí)中所占的地位，建立了進實驗室學(xué)習(xí)的意識。設(shè)計性實驗對開發(fā)學(xué)生智力和創(chuàng)新能力有著重要作用。但在具體實施時，對學(xué)生的培養(yǎng)要有一個由淺入深的過程，我們材料化學(xué)專業(yè)的主導(dǎo)型研究性實驗采取在大學(xué)中后期開設(shè)，在學(xué)生已經(jīng)完成材料化學(xué)基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗的基礎(chǔ)上結(jié)合指導(dǎo)教師的課題或相關(guān)專業(yè)后開設(shè)（可參考材料化學(xué)實驗教程中的設(shè)計性實驗）。具體過程一般為以下幾個步驟：（1）選題； （2）查閱文獻收集資料； （3）研究方案。學(xué)生設(shè)計實驗原理，方法和步驟，擬定實驗所需藥品、儀器，探討實驗時可能產(chǎn)生的現(xiàn)象和容易發(fā)生的失誤以及安全等應(yīng)注意的問題，最后獨立設(shè)計實驗方案。實驗方案包括：實驗題目、儀器、藥品、操作步驟和實驗表征儀器等。然后將審閱實驗設(shè)計方案交給教師，教師在尊重學(xué)生創(chuàng)造精神的原則下選出幾種最佳方法，同時糾正某些實驗方案的錯誤指出某些實驗方案的缺陷，再將設(shè)計方案反饋給學(xué)生，將教師選中的方案交由全班同學(xué)討論、完善。然后采取論文答辯的方式檢驗實驗效果。在整個形式上基本是本科生畢業(yè)設(shè)計的模型，通過這樣的實驗為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計和將來的進一步深造奠定基礎(chǔ)。

最后，在整個分層次法實驗教學(xué)中，我們的實驗室采取的是開放式實驗管理模式，在時間方面，我們安排了中午、晚上和雙休日對學(xué)生開放，讓學(xué)生對實驗結(jié)果進行一些探索，對實驗基本技能進行鞏固和掌握。同時，有2~3周開展專門的實驗時間。在人員配備方面，采用專業(yè)課教師和實驗室教師結(jié)合的方式，使每個實驗都有專業(yè)教師進行指導(dǎo)，以保證實驗的順利進行。

結(jié)語

通過分層次法實驗教學(xué)提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生的動手能力和科研能力，營造了一個以“學(xué)”為主的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生普遍反映在分層次教學(xué)實驗中，通過查資料、設(shè)計實驗方案、親自動手實驗、解決實驗過程中出現(xiàn)的問題等，學(xué)到了真本領(lǐng)，但作為新成立的學(xué)科，實驗受很多條件的制約，目前的這種分層次實驗教學(xué)還有待進一步完善，要在實踐中不斷探索，使之更充分地發(fā)揮作用。