“一流課程”建設(shè)背景下材料化學(xué)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探究

佘小紅，杜 娟，朱雯莉，劉乃強(qiáng)，林修洲

(四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

2019年10月，教育部頒布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中提出“強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新的問題，杜絕信息技術(shù)應(yīng)用的簡單化、形式化”[1]。在這樣的大環(huán)境下，開展材料化學(xué)專業(yè)“一流課程”建設(shè)對材料化學(xué)專業(yè)教育具有深遠(yuǎn)的意義。

材料化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握材料化學(xué)的基本理論與技術(shù)，熟悉與材料化學(xué)相關(guān)的基本知識和技能，培養(yǎng)能在材料化學(xué)及與其相關(guān)領(lǐng)域從事研究、教學(xué)、科技開發(fā)及相關(guān)管理工作的人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有不可替代的作用[2]。因此，材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)體系的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。除了加強(qiáng)專業(yè)知識學(xué)習(xí)外，還要強(qiáng)化專業(yè)實(shí)踐技能的培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]。本文將以四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主要研究對象，通過理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)、分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論與討論等步驟，全面優(yōu)化和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建新的教學(xué)方案，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)成績評價方式，搭建開放式的實(shí)驗(yàn)平臺，對我院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與探討。

1 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系環(huán)節(jié)的缺失

四川輕化工大學(xué)的材料化學(xué)是工科專業(yè)，具有以實(shí)驗(yàn)為主且與實(shí)踐緊密相關(guān)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往與理論教學(xué)相穿插。我們的學(xué)生雖然具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，但是他們?nèi)狈邮帜芰徒鉀Q問題的能力。然而，目前的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系不能有效鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，在材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)以學(xué)生為主體，使學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)過程中鍛煉其分析問題和解決問題的能力。

1.1 教學(xué)方法相對簡單

目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用實(shí)驗(yàn)教師在課程的前幾分鐘介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后教師演示，學(xué)生觀察，再由學(xué)生根據(jù)教材內(nèi)容自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。但是教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由“教師講，學(xué)生聽、做”的“灌輸式”教學(xué)方式非常單一和被動，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，無法有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分

大多數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理還停留在誤差較大、費(fèi)時較多的手動處理階段，使用專門的科研軟件來處理專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還能縮短時間。例如，在進(jìn)行在做“材料的拉伸”實(shí)驗(yàn)時，需要用Origin軟件來繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中晶體分析需要Jade軟件，這些科研軟件對于材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說都是必不可少的。但是在授課過程中發(fā)現(xiàn)，能夠熟練使用這些軟件的學(xué)生很少，有部分學(xué)生甚至不知道有這些軟件。

1.3 結(jié)論與討論部分

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是讓在復(fù)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)理論知識的不足之處，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析和處理現(xiàn)實(shí)生活中的問題的能力。完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程由理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論這幾部分組成。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生只完成了實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)，缺乏對結(jié)果的討論與分析。結(jié)果討論與分析部分是非常重要的。經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析過程，可以使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己實(shí)驗(yàn)操作過程中存在的問題，探索實(shí)際應(yīng)用過程與實(shí)驗(yàn)過程的差異，提高他們的創(chuàng)新思維。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾點(diǎn)建議

2.1 改變教學(xué)模式

將“教師講，學(xué)生聽、做”的“灌輸式”教學(xué)方式變成“教師主導(dǎo)和學(xué)生主體”的雙作用方式，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生真正成為教學(xué)過程中的主體。材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方案上要求學(xué)生具有獨(dú)立解決科學(xué)問題和獨(dú)立解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要盡可能的引導(dǎo)學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)問題結(jié)合的思考，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。要求學(xué)生獨(dú)立設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案和步驟，獨(dú)立調(diào)試儀器設(shè)備，對實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題提出相應(yīng)的解決方案。首先，起碼要提前一星期詳細(xì)的告知學(xué)生本次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件(如原材料，藥品，儀器設(shè)備等)，要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)題目內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，方案包括原材料的處理、材料制備、性能測試以及實(shí)驗(yàn)具體流程等內(nèi)容；然后實(shí)驗(yàn)教師對學(xué)生設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評審與修改，并確定實(shí)驗(yàn)方案；最后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報告。每次課后，教師須有目的地安排2～4名學(xué)生分別對本次實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行小結(jié)，隨后教師做點(diǎn)評。這樣可以鍛煉學(xué)生對材料開發(fā)與研究中存在的問題進(jìn)行預(yù)測、總結(jié)和分析，提出可行的研究方案的能力。

2.2 改進(jìn)考核方式

適當(dāng)?shù)目己朔绞侥軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的積極性。目前實(shí)驗(yàn)課考核主大多以實(shí)驗(yàn)報告為主據(jù)，形式單一，大部分學(xué)生通過抄實(shí)驗(yàn)講義敷衍了事，沒有主動思考，無法鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索精神。因此，可以嘗試多元化的考核方式。不僅要重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還要注重對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椋瑥?qiáng)調(diào)對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所獲得的知識、技能和能力的評價。課后，不再僅針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或者講義本身設(shè)置問題，而是脫離實(shí)驗(yàn)教材所涵蓋的部分，使學(xué)生無法照搬教材或講義來完成。這些問題既可以是涉及到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的原理知識，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計[4]。與此同時，還可以開展研究性教學(xué)，設(shè)置一些目的明確的高級問題，督促學(xué)生就題目進(jìn)行思考，有目的地利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)檢索等查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，最后結(jié)合自己的想法給出具有個人特色的答案。不建議為此類問題設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案，目的不是結(jié)果，而是學(xué)生在回答問題過程中的思考和檢索、閱讀過程。

2.3 增加實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺

材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時無法滿足需求，開放實(shí)驗(yàn)室是必要的，但僅靠實(shí)驗(yàn)教師的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。實(shí)驗(yàn)之初，使每個學(xué)生接受行安全教育和常規(guī)儀器使用進(jìn)行培訓(xùn)。在實(shí)驗(yàn)室里，將學(xué)生分成若干小組，各小組對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，同組同學(xué)自我監(jiān)督，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)程，確保實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生的安全。需要使用大型儀器時，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行集中測試。這樣上課時間短、實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏依據(jù)學(xué)生動手機(jī)會少的問題都得到了解決。開放實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生有足夠的時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保專業(yè)實(shí)驗(yàn)的完成。

同時，為了滿足材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的需求，有必要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)科研軟件。以“互聯(lián)網(wǎng)+”，省級、校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目等為契機(jī)，搭建開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成基金項(xiàng)目的撰寫，熟悉科研的流程。通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)、開展實(shí)驗(yàn)、表征性能、處理數(shù)據(jù)、撰寫小論文、項(xiàng)目結(jié)題等一系列過程，激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新精神。在學(xué)生獨(dú)立完成研究課題的過程中，引導(dǎo)學(xué)生使用科研軟件。以這種方式，材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的很多學(xué)生都能夠熟練掌握Excel、Origin、Jade及ChemDraw等軟件。專業(yè)科研軟件的學(xué)習(xí)可使學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加得心應(yīng)手，為學(xué)生的畢業(yè)論文和今后科研工作提前打下良好的基礎(chǔ)。通過開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的搭建，使學(xué)生的創(chuàng)新意識得到激勵，使實(shí)驗(yàn)室成為培養(yǎng)學(xué)生的主要陣地。

2.4 引導(dǎo)學(xué)生撰寫科技論文

實(shí)驗(yàn)中，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行材料制備、性能測試、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果討論的全部程序時，利用課余時間進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和深究，撰寫科技論文。這種方式既能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，使他們認(rèn)真對待實(shí)驗(yàn)課程，還能使他們的數(shù)據(jù)整理能力、歸納能力和論文寫作能力得到鍛煉，為畢業(yè)論文的撰寫奠定了基礎(chǔ)[5]。近年來，在四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，一些本科生將自己在實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)整理成后撰寫論文發(fā)表。論文的撰寫與發(fā)表能讓學(xué)生提前體驗(yàn)完整的科研過程，直觀地看到自己的實(shí)驗(yàn)成果，更有效的激發(fā)他們學(xué)習(xí)主動性。

2.5 材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革改進(jìn)實(shí)例

在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)過程中，我們最初的教學(xué)模式是上課前讓學(xué)生先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，寫出預(yù)習(xí)報告。上課時專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師對整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的講解，介紹溶膠-凝膠法的原理，通過溶膠-凝膠法的原理引出本次實(shí)驗(yàn)制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)步驟，并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的一些事項(xiàng)，最后將學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生們按照老師的講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生完成試驗(yàn)后將把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果整理好交由教師檢查并簽字，學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績則是根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報告兩部分來評定。

改革后，提前一星期先告知學(xué)生溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和目的，實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件為：電子天平、調(diào)溫磁力攪拌機(jī)、電熱真空干燥箱、箱式氣氛爐、燒杯要求學(xué)生查閱溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，具體方案包括制備SiO2凝膠所需藥品正硅酸四乙酯和無水乙醇的具體比例以及要加入去離子水和氨水的量，藥品加入的先后順序，實(shí)驗(yàn)所需要的溫度、攪拌時間等具體要求，每個人根據(jù)自己查閱文獻(xiàn)的情況寫一份完整的實(shí)驗(yàn)計劃書；然后實(shí)驗(yàn)教師對學(xué)生設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評審與修改，指出實(shí)驗(yàn)方案中存在的問題，與學(xué)生們一起探討并進(jìn)行修改，確定學(xué)生要開展本次實(shí)驗(yàn)的最終實(shí)驗(yàn)方案，每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案都要存在一定的差異性，防止同學(xué)們照搬照抄的現(xiàn)象出現(xiàn)；最后，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)。在溶膠-凝膠法制備SiO2凝膠的實(shí)驗(yàn)過程中，催化劑、水、溶劑及反應(yīng)溫度等均會對膠凝時間、凝膠的粘度、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生一定的影響，而有些同學(xué)未能選用合適的配比以滿足實(shí)驗(yàn)的要求，因此最終無法成膠或者凝膠的粘度太低導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。我們可以讓實(shí)驗(yàn)失敗的學(xué)生認(rèn)真反思，找出自己實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因，在學(xué)生課余時間再次重復(fù)本次實(shí)驗(yàn)。等所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)教師將把所有學(xué)生的樣品集中在一起并指導(dǎo)學(xué)生用熱分析儀對先體溶膠進(jìn)行DTA，DGA分析并給出理想的熱處理溫度，再用激光散射儀測定二氧化硅溶膠的粒度分布情況，學(xué)生根據(jù)測試結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)的處理方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后形成一份正式的實(shí)驗(yàn)報告交給實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)操作過程以及實(shí)驗(yàn)報告綜合評定學(xué)生的本次實(shí)驗(yàn)成績。通過改革，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)驗(yàn)興趣得到進(jìn)一步的提高，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ驳玫搅撕芎玫腻憻挕?/p>

3 結(jié) 語

材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是材料化學(xué)專業(yè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，在“一流課程”建設(shè)背景下的材料化學(xué)專業(yè)教育中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索，將對提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力起到積極作用。因此，在教學(xué)實(shí)踐中，我們一定要重視當(dāng)前存在的問題，不斷修訂教材和講義，豐富教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，創(chuàng)建多元化的評價體系，開展研究型教學(xué)和開放式實(shí)驗(yàn)。通過上述措施，充分調(diào)動起學(xué)生的主觀能動性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中培養(yǎng)他們的思維能力和創(chuàng)新意識，使其成為具有較高專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的合格人才。