基于實踐能力培養的接觸角測量實驗教學模式探索

田玉　朱小龍　張立輝

摘要：物理學專業的培養目標是培養掌握物理學的基本理論與方法，具有良好的數學基礎和實驗技能，能在物理學或相關的學科技術領域中從事科研、教學、技術應用和管理工作的高素質應用型人才。文章以接觸角測量實驗教學為載體，闡述如何通過促進教學模式的轉變，讓學生在掌握基本的物理學知識的基礎上，使動手能力、創新思維能力和團結協作精神得到培養。該作者重點探索了該實驗教學模式，并綜合科學研究對教學內容進行更新，有助于培養學生的實踐能力和創新精神，提升科學素質。

關鍵詞：接觸角測量實驗;實踐能力;教學模式

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0374-02

“近代物理實驗”是為物理類專業高年級學生開設的一門綜合性較強的基礎實驗課程。該課程不僅使學生掌握如何用實驗方法觀察物理現象、研究物理規律，更讓學生了解近現代實驗技術在許多科學研究領域與工程實踐中的廣泛應用;它有助于開闊學生的視野，培養學生理論聯系實際、刻苦好學的鉆研精神。我們在開設近代物理實驗項目時，力爭做到基礎與應用并重，既考慮到現代應用研究的前沿性，又照顧到傳統的訓練題材。因此，在保證基礎物理內容的同時，我們注重加強應用技術特別是光和材料方面的選題，以培養學生應用物理知識、開展創新思維和解決實際問題的能力。接觸角測量實驗就是我們結合學生創新能力的培養而吸收進來的綜合創新實驗范例之一。對于固體來說，當液滴接觸其表面時，液滴會保持它部分的形狀或者在固體表面鋪展開來，從而形成一層薄的液膜。這一性質通常是通過測量接觸角來描述的。當水滴在固體表面上所形成的接觸接近0度時，這樣的固體表面分別被稱為超親水表面;而當水滴在固體表面上所形成的接觸角大于150度時，這樣的固體表面分別被稱為超疏水表面。材料表面的接觸角的測量是衡量材料的潤濕性能的重要方法。對于該實驗的教學，筆者在重點分析傳統實驗教學模式的基礎上，對培養實踐能力的材料實驗教學模式進行了細致的探索，并且取得了良好的教學效果。

一、傳統實驗教學內容的改革

對于傳統的實驗教學，教師一般遵循實驗目的、原理、設備、內容、注意事項幾個方面給學生講解。對于接觸角測量實驗，同樣需要把這些內容講述給學生，然而我們采取的方法則是以專題報告的形式敘述。從接觸角的概念、理論和應用講起，在講解過程中，穿插設備的介紹、使用和注意事項，同時在教學中融入與之相關的最新科學成果，緊跟現代科技和交叉學科的發展。在這種教學情況模式下，實驗目的和原理學生則根據報告自己體會，不受固定的某一句話的局限，讓學生自己開動腦筋去思考。

二、實驗內容的多樣性

對于接觸角測量實驗內容，我們安排的液體除了傳統的水滴，還有乙醇、異丙醇和正丁醇等醇類同系物在滌綸片、金屬片、聚乙烯薄片和玻璃片上的接觸角的測定，同時還有不同濃度表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉溶液在固體表面的接觸角的測定。實驗內容相對較多，可選余地較大。在實驗內容的安排上，針對水滴我們還安排了一些有趣的實驗：測量植物葉片的接觸角。在自然界中由于荷葉表面上覆蓋的白色蠟狀物質，使得荷葉上面的水珠在其上滾動，并最終留在荷葉的中部。用掃描電子顯微鏡觀察，能看到荷葉的表面具有很多微小的凸起結構，其尺寸大概在微米級（10微米）左右，在凸起結構上面，又覆蓋了不少納米尺寸（200納米）的凸起結構。這種粗糙結構的存在導致我們用手觸摸荷葉時有凹凸不平的感覺。荷葉上表面特殊的微納米微觀結構致使氣膜產生并存在于固體和液體的界面處，從而導致水滴不能浸潤而達到超疏水效果。水滴在這樣的表面很容易滾落，這種特殊的潤濕現象被稱為“荷葉效應”。依據這個現象，告訴學生可以采集一些植物的葉片，進行接觸角測量實驗，學生對該部分內容學習積極性極高。

三、注重學生協同、動手能力的培養

對于接觸角測量實驗，由于設備相對比較昂貴，往往安排兩個學生一組進行實驗。在開始做實驗之前，學生依據實驗內容，自己選取不同的液體和固體，進行液體在固體表面上所形成的靜態接觸角測量。在實驗過程中，兩個人要分工合作，一個同學準備液體，另一個同學準備固體，同時要處理固體表面，使其干凈。由于實驗室只準備了原材料，做實驗的部分需要學生繼續加工，比如溶液濃度的配置、所選固體界面的清洗、植物葉片的采摘等。這些實驗的準備過程，大大提高了學生的動手能力和協調能力，對學生未來的繼續深造和就業提供了扎實的實踐基礎。

四、注重學生科學素質的培養

科學素質是指能使人具有強烈的科學意識，能對科學產生強烈的熱情，以致使他的思維方式和行為決策都能達到習慣性地沿著科學道路前進的品質，使他的生存和活動與時代的發展和科學的進步取得和諧一致。科學素質的內涵是科學知識、科學思想、科學方法、科學精神和科學態度等方面的綜合反映。科學素質可以借助普通教育來培養，尤其是包括物理實驗教學在內的理科教學。科學素質是一種非智力因素，其要素主要包括對科學研究的興趣、情感、意志、作風等。通過接觸角測量實驗的開設，再結合學生的開放性實驗項目和創新科研項目，學生表現出敢于不斷探求真理的意識和堅持科學思想的勇氣。因此，通過該實驗的訓練，目前學生已經能夠自主地提出科學問題，創新思維明顯提高。

五、引入科研，服務教學，提升學生

通過多年的教學經驗與科研實踐，筆者發現教學與科研相輔相成，在教學中滲透科學思維方法、科學品德與精神的教育，一方面豐富了教學內容，體現了教學精髓;另一方面提高了學生的科學素質及進行科學研究的能力。如果教師將自己的研究內容適時適當地與課堂教學內容相融合，一方面將會使學生的專業知識面得到拓寬，教學質量也得以提高;另一方面也更新了教學內容，充分體現教與學相互促進的作用。作為一名高校教師，始終牢記：不但要傳授給學生理論知識，更要培養學生解決實際問題的能力。教師應積極引導學生關注科學前沿。對于工程材料來說，對水或其他的腐蝕性液滴的超疏水行為可以大大加強它們的抗腐蝕能力，延長其使用壽命。尤其對于海洋船舶工業來說，制備出具有超疏水能力的抗腐蝕能力的工程合金材料將會產生非常重要和深遠的意義。因此，對于該實驗的后期工作，可結合具體的設計實驗方案，分析測定方法并進行實驗，從而培養學生解決實際問題的能力。

總之，接觸角測量實驗教學的開展，除了讓學生了解潤濕性能的應用極為廣泛之外，通過教學實踐內容的改革，更是培養了學生的團隊協作、動手能力、創新思維和科學素質。我們結合具體教學內容，對教學方法和手段進行改革，既使學生掌握其基本理論，又通過融入科學知識培養了學生的科學素質。當然，對于學生科學素質的培養，并不僅僅局限于物理學學科，其他各個學科領域有著更為豐富的內涵和作用，對于本文所涉及的方法和途徑也起到借鑒作用。

參考文獻：

[1]張立輝.近代物理實驗[M].北京：科學出版社，2017.

[2]馬心英.大學生科學素質培養初探[J].菏澤學院學報，2016，38（01）：130-133.

Research on the Experimental Teaching Mode of Contact Angle Measurement Based on Practical Ability Cultivation

TIAN Yu，ZHU Xiao-long，ZHANG Li-hui

（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan，Hubei? 430056， China）

Abstract：For the physics major，its training objective is to cultivate high-quality applied talents with good mathematical foundation and experimental skills，who can engage in scientific research，teaching，technical application and management in physics or related technical fields.This paper takes the experimental teaching of contact Angle measurement as the carrier，and through promoting the transformation of teaching mode，it enables students to cultivate practical ability，innovative thinking，solidarity and cooperation and other learning habits on the basis of mastering the basic knowledge of physics.The author focuses on the exploration of the experimental teaching mode，and updates the teaching content with comprehensive scientific research，so as to further cultivate students' practical ability and innovative spirit and improve their scientific quality.

Key words：contact angle measurement experiment;practical ability;teaching mode

收稿日期：2019-06-18

基金項目：武漢市教育局教學研究項目“計算物理教學改革與實踐”，項目編號：2015060

作者簡介：田玉（1979-），女，副教授，博士，研究方向：半導體材料與器件。