材料化學綜合實驗教學改革的探索與實踐

李美靜 沈淑坤 陳建剛 胡道道

摘要：針對材料化學實驗教學中存在的問題，結(jié)合具體教學實驗，探討了材料化學綜合性設(shè)計實驗教學改革的方法。實驗課程教學改革以學生為主體，以解決實際問題為導向，以理論與創(chuàng)新相結(jié)合為原則，有助于大學生將基礎(chǔ)學科無機化學、物理化學等融入材料化學、環(huán)境化學等應(yīng)用學科中，能有效地提高學生對材料化學實驗的學習興趣和實驗教學效果。

關(guān)鍵詞：材料化學綜合實驗;教學改革;實驗教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0127-02

本科實驗教學強調(diào)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新、由理論到應(yīng)用的模塊化、多維度的實驗教學體系，學生可以在實驗中掌握更多的材料化學前沿動態(tài)，使學生對材料化學實驗的學習興趣和自主探索精神得到提高。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性能力，鍛煉學生的動手能力，使實驗教學真正成為培養(yǎng)學生實驗技能及創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)和必要手段，從而達到提高學生綜合素質(zhì)和科研創(chuàng)新能力的目標[1]。

一、對實驗教學內(nèi)容進行改進

1.材料化學實驗教學的多學科交叉要求。傳統(tǒng)的材料化學實驗通常是注重對某一基礎(chǔ)學科的基本實驗進行學習，這樣往往不能培養(yǎng)學生將所學知識進行融會貫通的能力，從而使實驗教學達不到理想的效果。因此，在材料化學綜合實驗中將基礎(chǔ)學科如無機化學、物理化學等融入材料化學、環(huán)境化學等應(yīng)用學科中，能有效地提高學生對材料化學實驗的學習興趣和實驗教學效果。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實驗設(shè)計中，學生通過學習二氧化鈦及硅藻土材料的概念、結(jié)構(gòu)特點及用途，掌握二氧化鈦光催化機理，熟悉溶膠-凝膠反應(yīng)機理、材料負載工作原理及其實驗過程，掌握復(fù)合材料的光催化性能測試，了解新型功能復(fù)合材料在廢水處理、甲醛吸附等環(huán)保領(lǐng)域的重要性。

2.材料化學實驗教學的創(chuàng)新性和實用性要求。傳統(tǒng)材料化學實驗僅對實驗本身進行要求，而忽視了對學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及實驗所呈現(xiàn)的效果對實際生產(chǎn)生活的重要作用。因此，在材料化學實驗中需注重其本身的創(chuàng)新性和實用性。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實驗設(shè)計中，TiO2光催化劑在紫外光激發(fā)下可用來催化分解很多有機物，具有光催化效率高、吸收紫外線的能力強、表面活性大、分散性好等優(yōu)點[2]。目前，二氧化鈦材料（TiO2）被廣泛應(yīng)用于污水治理、室內(nèi)空氣凈化等環(huán)境保護方面。但是，由于粉末TiO2粒徑小，與靶向污染物的接觸概率甚小，因此，需要將其固定在一定的載體上。而硅藻土具有獨特的硅藻殼體，且表面為多孔結(jié)構(gòu)，具有較低的密度、較強的吸附能力、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用硅藻土作為固定粉末TiO2的載體。將TiO2-硅藻土結(jié)合起來制備的復(fù)合光催化材料既能通過TiO2在硅藻土內(nèi)部及表面附著以解決TiO2使用后難以回收的難題，又可以利用基質(zhì)硅藻土吸附能力強的特點將污染物吸附至其表面，增加其與催化劑的接觸面積，進而有利于提高降解速率。材料化學綜合實驗的創(chuàng)新性和實用性要求有助于學生發(fā)散思維，將具有優(yōu)勢的各種材料進行恰當?shù)膹?fù)合，從而得到一種效果更為理想的復(fù)合材料。

3.材料化學實驗教學的全面性要求。傳統(tǒng)材料化學實驗僅僅能讓學生學習幾種基本的表征手段，因此，在綜合實驗改革中應(yīng)讓學生學會使用多種有效的表征分析手段。例如，為了研究樣品的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等需對材料表面進行掃描電鏡（SEM）分析;能量色散X射線光譜儀附件，即EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy），借助于EDX能譜分析進行簡單的定性分析;紫外分光光度計的使用，等等。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實驗設(shè)計中，采用紫外分光光度計測試TiO2-硅藻土復(fù)合材料光催化分解有機染料的效率，利用紫外分光光度計測量甲基橙的吸光度的變化，據(jù)此判斷制備的TiO2-硅藻土復(fù)合材料是否具有光催化。這有利于學生自主使用不同的用于表征的大型儀器，從而使學生在掌握實驗操作的基礎(chǔ)上對大型儀器的使用也有了一定認識。

4.材料化學實驗教學培養(yǎng)學生觀察分析能力的要求。傳統(tǒng)的材料化學實驗學生只是進行簡單的模擬，對實驗現(xiàn)象相對應(yīng)的實驗原理、實驗規(guī)律的總結(jié)能力欠佳，因此，實驗教學改革需強調(diào)培養(yǎng)學生對實驗現(xiàn)象相對應(yīng)的實驗原理進行解釋說明、總結(jié)實驗規(guī)律的能力。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實驗設(shè)計中，由學生小組內(nèi)進行實驗并對得到的實驗結(jié)果進行合理分析：經(jīng)紫外光輻照后，TiO2-硅藻土復(fù)合材料開始催化降解甲基橙染料，由圖1可以看出，制備的TiO2-硅藻土復(fù)合催化劑能達到提高降解污染物速率的目的，且隨光照時間的增加，降解率進一步提高，紫外光輻照40min后，甲基橙染料完全褪色。通過對復(fù)合材料的光降解模擬污染物的測試及現(xiàn)場觀察甲基橙顏色蛻變，增加了學生對材料應(yīng)用價值的認知，提高了學生對材料化學的科研興趣。

二、對實驗教學方法進行改進

對實驗教學方式的改進尤為重要，在對本科生的實驗教學中，采取學生在課前以小組為單位查閱大量文獻資料，尋找最佳實驗方法，小組內(nèi)進行討論，并與教師進行溝通，從而確定實驗方法，進行實驗。具體可以按如下方法進行：將學生分為六人一組進行搜集資料，討論，歸納整理得到實驗方案。接下來，首先集中討論各個實驗方案的優(yōu)缺點，并指出本綜合實驗的實施方案，向?qū)W生強調(diào)實驗中需要注意的安全事項。然后各組學生組內(nèi)合作進行復(fù)合材料制備實驗。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實驗設(shè)計中，學生通過查閱資料可知，目前，國內(nèi)材料化學綜合實驗教材中，關(guān)于制備TiO2光催化材料相關(guān)實驗方法的教學內(nèi)容主要有：溶膠-凝膠法[3]、水解法、機械力活化法、水解沉淀法等。通過對比分析得知氣相溶膠-凝膠法為在硅藻土基質(zhì)上固載二氧化鈦的簡易制備方法，該方法可操作性強，簡便環(huán)保，并且易于得到所需的復(fù)合材料。小組合作的教學方式有利于每個學生充分參與到實驗活動當中，并在這個過程充當一定的角色，有助于發(fā)揮學生的主觀能動性。材料化學綜合實驗設(shè)計基本環(huán)節(jié)及學生與教師的主要任務(wù)如圖2所示。

三、結(jié)束語

材料化學前沿的本科綜合性實驗旨在考查學生的創(chuàng)新思維和動手能力，實驗有關(guān)過程包含復(fù)合材料的設(shè)計、合成與表征。在實驗操作與樣品表征過程中，有利于學生自主使用不同的用于表征的大型儀器，從而使學生在掌握實驗操作的基礎(chǔ)上對大型儀器的使用也有了一定認識。通過對制備的復(fù)合材料利用不同表征方法得到的結(jié)果進行系統(tǒng)分析，使學生充分理解材料設(shè)計的原理，鞏固了材料化學中相關(guān)材料制備與表征的內(nèi)容。

參考文獻：

[1]常金榮，鄺棗園，譚宇蕙，等.生物技術(shù)專業(yè)開放與自主實驗教學模式初探[J].教育教學論壇，2018，（13）：155-156.

[2]陳萬平.材料化學實驗[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017：84-85.

[3]云南大學材料學科實驗教學教研室.材料物理與化學制備實驗教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015：17-22.