環境功能材料綜合實驗的教學改革探索

＊張弛 蘇紫穎

（1.河海大學力學與材料學院 江蘇 211100 2.上海市水利工程集團有限公司 上海 201600）

環境功能材料主要是指具有獨特的物理、化學、生物性能，并具有一定環境凈化效果的新型材料[1]，在當今環境矛盾日益突出的社會發展背景下備受關注。伴隨著材料學科的不斷發展，社會對材料專業學生的理論知識和實踐能力有了更高的要求，專業化的實驗課程進而成為必不可少的重要基礎課程[2-4]。為了提高專業實驗課程的教學質量、社會適用性以及與時俱進性，實驗課程的改革探索日益得到重視，越來越多的教學工作者提出了新的改革研究及相應的優化[5-7]。然而，目前針對環境功能材料綜合實驗的教學改革仍較為稀缺，對該課程的教學改革探索尚待完善。

隨著我國科技和經濟的不斷進步，各個基礎學科也被同步推動發展。值得注意的是，交叉科學集分化與綜合于一體，實現了學科的交互性和整體性的統一[8-10]。同時學科交叉隸屬于新的科學前沿，通過不同學科的研究人員打破單一學術領域的界限，能夠對瓶頸性問題進行綜合性研究，極有可能帶來新的重大突破，進而促使科學發生革命性變化，具有巨大的社會價值。在新的時代發展階段里，我國仍需強化科學和技術的快速發展，故需進一步提倡學科交叉并注重交叉科學的發展。

材料科學和環境科學在我國經濟發展和社會發展中占據著重要地位，故而國家新時代發展也推動了材料科學和環境科學的不斷進步。其中，材料學科的形成是科學技術發展的結果，并且材料學科也是當代科學技術的發展基礎[11]。而環境學科的形成是人類社會發展的結果，為環境污染的嚴重現實和社會的迫切需要所驅動，研究人類生存的環境質量及其保護與改善的科學[12]。一方面，不恰當地開發和使用材料導致了眾多環境污染與能源浪費的現象，另一方面，材料又是解決許多環境及能源問題的關鍵技術。兩種學科之間有著密切的關聯，其交叉教學可以促進人才緊跟科學化建設的發展，同時也可以促進學生科學概念的不斷完善。為了實現人才培養的與時俱進，材料學科和環境學科的交叉教學被提上日程。

材料學科的綜合實驗課程主要圍繞著材料設計、制造、工藝優化及合理使用，而環境學科主要圍繞著人類生存的環境質量及其保護與改善。隨著人口的增長和工業的發展，各類環境問題不斷爆發，人們逐漸認識到環境保護的重要性以及污染治理的迫切性[13-15]。材料學科的綜合實驗可研發并改進一系列新型環境功能材料，從而為各類環境的治理應用提供技術支持。其中，環境功能材料的提出進一步證實了二者之間的交互關系，即指對環境無害的并可應用于實際環境保護的功能材料[16-17]。因此，基于材料和環境之間的交互性密切關系，環境功能材料綜合實驗的教學改革對環境問題的解決也具有重大意義。

1.環境功能材料綜合實驗的教學現狀

國內部分高校的材料科學與工程專業的實驗課程包含了環境功能材料綜合實驗，綜合實驗課程所用講義多數為自編的實驗指導書，實驗學時一般可設置為30學時，實驗內容可以具體分為6個實驗（即每個實驗占5個學時），涉及環境功能材料的熱燒結制備實驗、環境功能材料的化學組成分析實驗、環境功能材料的力學性能測定實驗、環境功能材料（建筑材料類）的抗壓強度測定實驗、環境功能材料的電化學性能測定實驗、環境功能材料的穩定性評估實驗等內容。該課程作為一個基礎實驗課程，可使學生對所學的專業知識有一個整體了解和直接感知。通過該課程的學習，學生可從環境功能材料的設計、環境功能材料的制備和成型以及性能的檢測全過程得到訓練，提升綜合運用專業知識的能力。然而，目前的環境功能材料綜合實驗仍存在著以下突出性的問題：

（1）綜合實驗教學的課程已經不能滿足現在的專業培養目標要求。現有的環境功能材料綜合實驗課程缺乏跟隨時代前沿性變化的動態調整機制。隨著時代的發展，更多種類的環境功能材料逐漸出現，制備技術和環境應用也不斷地發展，而目前的實驗課程僅僅固定在之前的課本知識上，缺乏前沿性實驗及環境功能材料的應用展望，并且現階段的環境功能材料的實驗模式較為固定，導致學生實驗操作技能與現代社會專業要求略有脫節。

（2）綜合實驗教學的設備臺數分布不均。環境功能材料綜合實驗需要依賴于大型實驗儀器實施，而部分大型實驗儀器由于儀器所需資金、儀器管理人力、材料反應時間的限制而出現數量匱乏問題，直接導致部分學生無法直接接觸實驗設備，限制了學生的課堂實踐操作，最終影響了實驗課程的教學效果。

（3）綜合實驗教學的創新性不夠。現有的環境功能材料綜合實驗教學方法主要依賴于基礎的課程內容，通過閱讀環境功能材料綜合實驗指南書，依賴于老師對課程內容的解讀和演示實施，導致學生按部就班、缺乏獨立思考的能力和自由發揮的空間，進而降低了學生們在課堂討論的積極性和參與度。

（4）綜合實驗的教學思路單一。學科交叉不僅能促進現代科學的進步，同時也能為課程教學提供新的方向。人才培養應緊跟科技發展的步伐，專業教育也應當與時俱進。然而現有的環境功能材料綜合實驗教學思路偏重于材料設計、制造、工藝優化的教授，而忽視了材料功能及合理使用的介紹，不能有效地對學生的“可持續發展”思想產生引導作用。

2.環境功能材料綜合實驗的改革措施

通過對實驗課程的教學內容解析，主要提出以下幾個方法來改善上述環境功能材料綜合實驗所面臨的問題：

（1）更新教學內容：通過對教學內容的時代性思考，在課程教學中加入最新的環境功能材料研究進展和方向，例如，結合國家生態文明建設、“雙碳”目標等政策導向和形勢發展，引入“生態環境材料”“低碳環保材料”“新能源材料”的教學內容。此外，材料學科的綜合實驗課程可鼓勵學生研發并改進一系列新型的環境功能材料，包括再生資源回收利用、節能減排、低碳發展、綠色發展、可持續發展等理念，從而為水體、空氣、土壤等環境的治理應用提供技術支持。同時結合課程教學內容進行調整和改善，可以使得學生掌握綜合實驗課程所學知識的具體應用，進而使得專業培養與現代人才培養目標相吻合。

（2）調整實驗時間：在經費、人力等實際客觀條件的限制下，額外采購大型實驗儀器的訴求難以落實，因此，采用錯峰實驗法使得實驗時間的設置趨向自由化成為一種更切合實際且更為便捷的選擇。首先對學生進行統一的基礎培訓，使學生掌握實驗設備的運行原理和使用方法以及實驗結果的分析原則和檢測方法，然后將學生分為數組進行錯峰預約實驗時間和設備，保證每位同學有充足的時間參與至實驗課程學習。

（3）改革教學模式：傳統的教學模式主要是以老師為主體，通過老師對所要探究的實驗內容進行示范和演繹，然后學生模仿實驗過程，即進行機械性重復，缺乏對課程的自主性認識和深度思考。因此，建議首先將學生進行細化分組；然后在實驗開始前通過小組討論的方式初步擬定實驗方案，并要求每位學生參與；最后通過老師講解確定實驗方案的可行性并自主開始試驗。

（4）強化交叉教學：環境材料學是一門涉及環境、材料、自然、社會、技術、管理等諸多領域的交叉學科，主要內容可概括為兩個方面[18-19]：一是探討在材料的制備加工和使用過程中減少對人類生存環境的影響。二是探究如何通過材料的合成和應用以改善人類生存環境。建議將可持續發展和資源保護意識引入材料綜合實驗專業課程，幫助學生在今后的學習成長過程中樹立可持續發展意識，利用自己所學到的材料知識以解決社會面臨的環境問題，并積極鼓勵學生開發利用環境友好性功能材料以實現環境污染的綠色修復；同時幫助學生拓寬學習思路，使學習專業培養方向與未來應用發展趨勢相吻合。

環境功能材料綜合實驗課程實現了材料學科與環境學科的緊密結合，二者相輔相成，協同促進材料和環境的學科發展。科技的發展是一把雙刃劍，正像材料的研發與環境的保護之間的關系。通過新材料的研發可實現快速高效的環境污染治理及修復，但新材料的研發和使用過程也可能會產生環境風險。現如今，部分高校已開設了環境材料學、環境功能材料、環境功能材料相關實驗等課程[20-24]，將交叉教學應用于實際教學工作中（表1）。

表1 國內知名高校開設的環境材料學、環境功能材料、環境功能材料相關實驗課程情況表

環境材料學的教學內容偏重于環境材料的基本概念及定義、影響因素、評價方法、意識形態等，即重視學生對環境材料的理論知識學習；環境功能材料的教學內容則偏重于環境材料的功能性、結構設計、技術應用等，即重視學生對環境材料的實際應用；而環境功能材料綜合實驗的教學內容側重于環境材料的制備技術、組分分析、性能測定及評估等，即依托于環境材料學和環境功能材料的理論基礎和應用展望，重視學生對環境材料的外在實踐與內在思辨。無論是環境材料學、環境功能材料，還是環境功能材料綜合實驗，在提高學生對材料和環境的結合意識方面均做出了有益的嘗試。

環境功能材料綜合實驗的交叉教學有助于材料學科和環境學科交互性知識在課程學習、實際生活應用、未來工作相結合，使學生在完成自身專業基礎課程的基礎上進一步了解目前所學專業領域的研究前沿和未來的發展趨勢，有助于拓展學生專業思維，增強學生專業素質，從而為學生在將來的學習深造和工作發展奠定扎實基礎和提供強有力支撐。

3.總結與展望

本文系統地分析了材料類專業關于開設環境功能材料綜合實驗教學方面所存在的問題，從實驗的教學內容、教學設備、教學模式、教學交叉四個方面進行探究，并提出了相應的實驗課程教學改革措施。通過教學改革措施的提出，促進學生積極地參與至實驗課程，準確地掌握實驗技巧和專業內容，最終激發學生的自主學習意識、積極創新能力以及環境可持續發展觀念，進而提升實驗課程教學的綜合質量。以上問題和措施可能存在著一定的局限性，因此在后續的實施中仍需不斷探索并實時改進。