無機(jī)材料制備與合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考

陳寧 劉樹信 何登良 李松

摘 要：介紹了“無機(jī)材料制備與合成實(shí)驗(yàn)” 實(shí)踐教學(xué)的課程設(shè)計(jì)思路、內(nèi)容選擇原則和教學(xué)改革方式，討論了具體教學(xué)過程中的內(nèi)容調(diào)整和教學(xué)方法。在整個(gè)教學(xué)過程中重視學(xué)生思維和科研素質(zhì)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手、分析解決問題以及科學(xué)創(chuàng)新等綜合能力，取得了一定效果。

關(guān)鍵詞：無機(jī)材料；制備與合成；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

無機(jī)材料制備與合成實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)必修的專業(yè)課程。本課程的功能是培養(yǎng)學(xué)生在完成基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本理論和操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高學(xué)生專業(yè)能力和綜合技能。

一、課程性質(zhì)、定位

課程是為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，在學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)、無機(jī)材料制備與合成、現(xiàn)代分析測(cè)試方法等課后，通過無機(jī)材料制備實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解并掌握一般無機(jī)材料合成手段及材料表征、性能檢測(cè)方法，培養(yǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，鞏固和綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)無機(jī)材料制備與合成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方案制定的思路。

二、課程設(shè)計(jì)思路

開設(shè)無機(jī)材料制備與合成實(shí)驗(yàn)的宗旨是使學(xué)生受到材料科學(xué)技術(shù)、精細(xì)化工、工業(yè)分析及檢測(cè)等知識(shí)與技術(shù)特長(zhǎng)的綜合鍛煉[ 1 ]，因此課程綜合無機(jī)材料合成與表征的主要知識(shí)，包括：化學(xué)沉淀法、均相沉淀法、水熱法、溶膠-凝膠法、噴霧干燥法、微乳液法、室溫固相法、高溫固相法等常用的無機(jī)材料制備方法，以及XRD、SEM、IR等表征方法與技術(shù)。其次作為本科教學(xué)，應(yīng)兼顧合成方法與學(xué)科發(fā)展相適應(yīng)，安排實(shí)驗(yàn)時(shí)結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)最新研究成果，選擇具有先進(jìn)性與代表性的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，同時(shí)盡量涵蓋可能的無機(jī)材料領(lǐng)域，從而避免傾向于某類材料而造成學(xué)生厚此薄彼的思想[ 2 ]。另外實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)配套理論課程，采用研究型教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)模式，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)與督促學(xué)生的課后自學(xué)。

三、課程內(nèi)容選擇原則

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，應(yīng)化專業(yè)學(xué)生走上實(shí)際工作崗位，能迅速熟悉、了解所在單位材料制備和加工工藝，并能根據(jù)生產(chǎn)所需，選取恰當(dāng)方法對(duì)材料化學(xué)結(jié)構(gòu)及理化性能進(jìn)行表征測(cè)試，甚至運(yùn)用理論知識(shí)對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，是社會(huì)提出的要求。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)以職業(yè)需要為基，以培養(yǎng)技能為主，采取靈活的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)職業(yè)性、應(yīng)用性、實(shí)踐性。

1）首先對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，無機(jī)材料制備與合成教材種類繁多，但多依據(jù)自己學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件編寫[ 3 ]，不適合本校實(shí)際情況。故結(jié)合本校具體情況，自主編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材。結(jié)合理論課，了解學(xué)生前置課程安排，從中挑選典型的制備方法。并根據(jù)材料科學(xué)基礎(chǔ)、無機(jī)材料制備與合成等理論課程的教學(xué)進(jìn)度，安排實(shí)驗(yàn)順序。

2）在課程內(nèi)容的選擇上，本著實(shí)際工業(yè)、企業(yè)所需，綜合制備實(shí)驗(yàn)與表征實(shí)驗(yàn)。如，在二氧化鈦微晶的低溫制備實(shí)驗(yàn)中，除采用低溫制備法獲得二氧化鈦粉體外，還需對(duì)粉體物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷，是否合成了二氧化鈦粉體？合成的二氧化鈦粉體是何種晶型結(jié)構(gòu)？另外對(duì)粉體進(jìn)行熱處理及相變分析，測(cè)定不同溫度下產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)和形貌特點(diǎn)，最終確定相變溫度點(diǎn)。這樣將幾部分分析數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來，形成了一個(gè)完整的體系。既方便學(xué)生理解記憶，又能鍛煉了學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思維。

四、教學(xué)方法與手段

（一）充分激發(fā)學(xué)生興趣、調(diào)動(dòng)思考的主動(dòng)性

采用以結(jié)果、現(xiàn)象來反推引導(dǎo)的方式：例如，硬脂酸改性碳酸鈣實(shí)驗(yàn)，為說明改性目的和作用，將未改性的碳酸鈣和已改性的碳酸鈣粉體分別倒入水中，讓學(xué)生觀察改性前后的差異，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)未經(jīng)改性的碳酸鈣迅速沉入水底，而改性碳酸鈣則浮于水面，即使攪動(dòng)也難將其沉淀。這一現(xiàn)象立即調(diào)動(dòng)了學(xué)生的好奇心，開始主動(dòng)思考產(chǎn)生此現(xiàn)象的原理和改性技術(shù)。

又如片狀氧化鋁的制備，部分學(xué)生不能理解片狀結(jié)構(gòu)的性能和優(yōu)點(diǎn)，故將自制粉體在實(shí)驗(yàn)課上直觀展示。學(xué)生將少許粉體在手指間揉捏，迅速發(fā)現(xiàn)原本白色的粉體在指尖形成鱗片狀光澤的反光層，普通氧化鋁粉體則無此現(xiàn)象。這種以結(jié)果引導(dǎo)的方式再次將學(xué)生興趣調(diào)動(dòng)起來，紛紛表示要實(shí)驗(yàn)出反光性更強(qiáng)的片狀氧化鋁。

（二）提供實(shí)驗(yàn)條件的選擇性，允許嘗試性失敗

1）實(shí)驗(yàn)前只講授基本原理、關(guān)鍵的反應(yīng)方程式、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。前置理論課已涉及的知識(shí)，將變?yōu)檎T導(dǎo)性的提問和補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)具體用量、工藝順序等則由學(xué)生根據(jù)原理自主選擇。如直接沉淀法制備碳酸鈣，部分同學(xué)選擇沉淀劑與被沉淀物不同的加入順序探討，另外一部分則選擇不同的反應(yīng)溫度、滴加速度、時(shí)間進(jìn)行探討。

2）在同一實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生根據(jù)不同條件進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。如多孔陶瓷制備實(shí)驗(yàn)，原理性講述造孔劑后，學(xué)生發(fā)散性使用不同的造孔劑，在具體的實(shí)驗(yàn)中提供發(fā)泡劑、泡沫顆粒、碳粉供大家選擇，部分同學(xué)選擇發(fā)泡劑、而另一部分同學(xué)選擇泡沫顆粒、碳粉。又如晶體形貌控制實(shí)驗(yàn)，不同控制劑用量對(duì)形貌產(chǎn)生顯著影響，按照不同的控制劑用量分組實(shí)驗(yàn)，便于最后的分析比較，控制劑對(duì)形貌的作用將更直觀、明了。由于制備合成實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在學(xué)生準(zhǔn)備完成后，將等待合成結(jié)果的過程利用起來，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析研究，為調(diào)動(dòng)積極性，組織同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和猜測(cè)，加入理論分析過程，引導(dǎo)學(xué)生自主思考。

3）對(duì)表征結(jié)果進(jìn)行歸納，根據(jù)分組進(jìn)行討論，分析影響效果。對(duì)于不合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析其失敗原因，從而鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

總之，以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)整合優(yōu)化為基礎(chǔ)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與手段改革，建立靈活多變的課堂教學(xué)方法，通過結(jié)合企業(yè)需求、教師科研挖掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容，拓展應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，改變教學(xué)方法等途徑，在整個(gè)教學(xué)過程中充分重視學(xué)生思維和科研素質(zhì)的訓(xùn)練，才能培養(yǎng)出具備實(shí)踐動(dòng)手、分析解決問題以及科學(xué)創(chuàng)新等綜合能力的專門人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 奉若濤，宋彩霞.基于綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐的材料化學(xué)本科生應(yīng)用能力培養(yǎng)探索[J].化工高等教育，2016，2.

[2] 楊珊.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考[J].價(jià)值工程，2011.

[3] 周宏.材料制備與合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初步探索[J] 教育教學(xué)論壇，2014，8.

基金項(xiàng)目：

綿陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（MNU-JY1667）

作者簡(jiǎn)介：

陳寧，綿陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院教師。