演示实验教学在工科通识课程中的应用

陈 煜, 李树奎, 姜春凤

(北京理工大学 材料学院，北京 100081)



演示实验教学在工科通识课程中的应用

陈 煜, 李树奎, 姜春凤

(北京理工大学 材料学院，北京 100081)

演示实验是工科通识课程教学中的一种重要的手段，对于提高教学效果，激发学生学习的积极性，培养学生的创造性思维，增加课程的吸引力具有非常重要的意义。本文结合北京理工大学近年来进行“新材料技术”通识课程体系的建设，总结了演示实验教学手段设计的思路和经验体会，对工科通识课程如何更好地利用演示实验的教学手段有重要的借鉴意义。

新材料； 通识课程； 演示实验； 教学手段

0 引 言

目前，人文社科类通识课程在高校通识教育体系中所占的比例较高，有一个很重要的原因就在于这类课程授课手段丰富，内容吸引学生[1-2]。相对而言，工科专业课程的普遍特点是内容繁杂，术语概念多，文字叙述多，定性描述多，涉及到的事物不直观，较抽象。因此，高校通识教育体系中工科类通识课程所占的比例相对较少[3]。但是，对于以理工科为主的高校而言，在所有学生中开展工科通识教育的普及，有助于开阔学生的视野，培养学生的科学基本素养，激发学生的创造性思维[4-5]。如何结合具体课程提点，将丰富多彩的教学手段融入到科学知识的教学中，是对此类课程体系的建设提出的一个重要要求[6-7]。

“新材料技术”是北京理工大学为全校各专业本科生开设的一门通识教育选修课，该课程开设的目的是培养学生的综合科学素质，促进学生在自己的专业培养或日常生活中学习材料知识，掌握材料知识，运用材料知识。为了提高这门课程的教学效果，使学生能较好地学习和掌握材料学领域重要的基本理论知识，培养学生对材料科学的兴趣，为进一步学习和应用材料知识奠定良好的基础，本文根据笔者多年来为提高教学效果和质量，在课程的教学过程中对课堂演示实验的探索与实践，浅谈自己的一些做法和体会。

1 开展课堂演示实验的基础

要改进教学方法，首先要在明确本课程的性质、目的和要求的基础上，对本课程的教学内容、教学对象等情况有所了解，才能做到心中有数，有的放矢地确定采用何种教学方法[8-9]。笔者在“新材料技术”课程教学过程中，设计和开展的一些课堂演示实验正是出于对本课程的教学内容和授课对象的特点而考虑的。

“新材料技术”课程的教学内容共分为绪论，金属材料，高分子材料，陶瓷材料，复合材料等五部分内容，授课内容丰富，有很多可以理论联系实验的知识点可供教学选择。作为通识课程，讲授对象的知识水平参差不齐，理解接受能力差异很大。因此，在保证教学效果的前提下，注重教学内容的深度和广度，使学生掌握更多新的概念、理论、思想，是本课程教学中的一个难点。鉴于此，我们在课程的教学方法设计中，通常在用精炼而有代表性的讲述介绍完每一种材料的基本性能特点后，用较多的时间介绍这类新材料在重要领域的一些应用实例，以激发学生学习的兴趣。在介绍例子的过程中，实物、图片、视频、演示实验等都是很好的教学手段。其中，在课堂上的演示实验因为具有直观，吸引力强，能够强化学生的认识，能够直接体现材料优异性能的特点，成为教学中非常重要的组成部分。

2 课堂演示实验的设计

课堂演示实验的引入有助于活跃课堂气氛，激发学生学习的兴趣，增加学生对科学知识的理解，培养学生的创新性思维[10-12]。但是，演示实验毕竟只是自然科学知识教学中的辅助性手段，教学的最终目的还是要使学生掌握某一个知识点的思想和理论的精髓[13]。因此，课堂演示实验的设计要与教学的目的和内容紧密衔接，为理论知识的教学做好服务[14-15]。在课堂演示实验的设计中，我们注重以下手段的采用。

2.1 通过演示实验来引出教学的内容

在讲授理论知识之前，通过演示实验来引出教学的内容，可以很好地激发学生对理论知识的求知欲望，活跃课堂气氛。

高吸水性树脂具有能够吸收自身重量上千倍水分的优异性能，是一个能够非常好的体现功能高分子优异性能的例子。因此，我们在课程设计中，通过系列化的演示方案，重点对此类材料的应用性能进行实验演示介绍，以使学生对此类材料的优异性能产生非常深刻的印像，并对学生进行启发教育。授课的第一步先给学生做了一个魔术，将水加入到一个纸杯中(水杯中事先已放入高吸水性树脂)，轻轻晃动纸杯几秒钟后将纸杯倒置，却倒不出水来。魔术的神奇效果极大地引起了学生的好奇。然后让他们知道之所以水倒不出来，是因为纸杯里事先放置了具有快速吸水性能的高分子材料。之后，拿出一个婴儿纸尿裤，将一瓶纯净水倒在纸尿裤上，纸尿裤翻过来后，不会洒出一滴水。进一步地让学生看到纸尿裤中填充了白色的颗粒材料，并指出这种颗粒材料也是具有快速吸水性能的材料。通过以上魔术和演示实验的介绍，已使学生对这种功能性的材料的性能有了极为深刻的认识，也激发了极为强烈的探索欲望。再进一步地，拿出一点高吸水性树脂的样品，在透明的烧杯中加入一些水和少量的高吸水性树脂，搅拌，让学生观察水中的漩涡迅速消失和水凝固的过程，将烧杯倒置后里面的凝胶也不会倒出。这样，就使学生完全明白了前面魔术的原理，也认识了这种材料的突出的性能，从而为进一步揭示这类材料的性能、结构与应用奠定了良好的基础。

又如，在给学生介绍形状记忆合金材料时，首先不介绍生涩的理论知识，而是用一把特殊的勺子来激发学生的好奇心：将勺子放入冰水冷却后，轻松的弯折成一定的形状；之后再用电吹风加热，看到勺子自动恢复到原来的形状。学生对这种神奇的勺子产生了强烈的好奇。接下来我们引入这种勺子的主要组成材料—形状记忆金属材料，并介绍了其性能特点。再顺着学生的好奇心，揭示这种材料为何能够发生形状记忆的机理，并举了一些很好地利用这类材料实现特殊功能的实例。最后又结合学生的专业特点，鼓励他们从自己的角度思考形状记忆合金材料的用途。虽然是一节理论性很强的课程，但由于实验演示，应用实例介绍以及问题思考等环节的引入，使得理论知识的补充成为学生的自然诉求，获得了很好的教学效果。

2.2 通过演示实验来使学生深化对材料性能的认识

在课堂上，常常需要对某一类材料的性能和特点进行介绍。但这部分内容通常是抽象的，难以在学生脑海中形成直观的认识，学习的效果大打折扣。因此，我们在课堂上，注重应用材料的实物，对一些典型的性能特点进行演示，使学生产生极为深刻的印像。

在介绍具有形状记忆功能的高分子材料时，选取了性能独特的防刺轮胎来给学生做演示实验，并带来螺丝刀，钉子等尖锐物品，让学生往防刺轮胎里扎，亲自感受扎进去后轮胎不漏气的奇特效果。进一步地，给学生介绍防刺论坛内胎的形状记忆高分子材料能够防止漏气的原理。通过直观的亲身感受，学生对这种材料的特殊性能有了深刻的认识，课堂教学效果也非常理想。

在介绍新型高分子材料时，介绍到了水立方和鸟巢的膜结构建筑中使用的核心原材料：乙烯-四氟乙烯共聚物(PTFE)，并介绍了其结构特点以及一些优异的性能，如防粘性，易清洗性，耐腐蚀性，以及良好的低温性能。为了让学生进一步深刻体会其优异性能。在课堂上拿出一片PTFE材料样品，并与同学熟悉的有机玻璃材料—聚甲基丙烯酸树脂(PMMA)的样品进行对照。在两个样品上涂上一层涂料后，PTFE样品上的涂料用抹布可以直接擦掉，而PMMA样品上的涂料很难擦掉；将两种材料同时放入醋酸溶液中浸泡一会，明显看到PMMA材料表面产生了一些变化，而PTFE材料却完好无损；将两种材料放入低温容器一会后，PMMA的片材一摔就碎，而PTFE的片材仍具有一定的柔韧性，并且扔到地上也不会发生破碎。以上的演示使学生对此类材料的性能产生了极深刻的印像。

新型金属材料具有非常优异的性能和广泛的应用领域，泡沫金属是新型金属中很重要的一种。为了对此类材料的性能进行介绍，我们将一块普通的铝块和一块泡沫铝材料同时放入水中，普通铝块马上下沉，而泡沫铝则在水面漂浮。金属材料的密度大于水是常识，但是泡沫铝由于多孔结构，密度大大减小，通过演示实验给予了学生很直观的感受。接下来，在进一步对泡沫铝材料的结构和性能进行深入介绍的同时，鼓励学生思考讨论泡沫铝材料的用途，以培养学生的创造性思维能力。

在介绍新型陶瓷时，我们选择了新型航天复合陶瓷作为实验模型，与普通陶瓷作为对照。将普通陶瓷从桌子上扔下，陶瓷落地后破碎；而新型复合陶瓷扔下后没有任何损坏。其后，又拿来锤头使劲敲击新型陶瓷，也无法敲碎。通过上述演示实验，学生感受到了新型陶瓷材料的神奇效果，也对为什么具有如此神奇的效果产生了强烈的好奇。之后，给学生通过图像演示了陶瓷复合材料增强体的结构，让学生认识到复合陶瓷具有如此优异性能的原因，以及陶瓷基复合材料的结构和性能特点。理论结合实际的教学方式使学生很乐于接受。

2.3 通过演示实验来激发学生的创新思维

材料科学是一门基础学科，各个领域都会用到材料。选择通识课程的同学来自不同的专业。因此，我们在课堂的演示实验中也重视发挥不同专业同学的特长，基于材料的基本知识，启发学生的创新性思维。

具有热敏性能的半导体陶瓷材料是一种性能独特的新型陶瓷材料，PTC陶瓷材料的电阻值随温度的升高而增大，在很多家用电器中有非常广泛的应用。在对PTC陶瓷的性能进行介绍时，我们首先给学生展示了一个自制的电烙铁。在对其通电后，观察电烙铁使锡焊条逐渐熔化的过程；同时，在电烙铁上连接一个热电偶温度计，通过连接的控制器显示电烙铁表面的温度，让学生观察温度逐渐上升再趋向于稳定的过程。此时，提出设问，为什么电烙铁的温度不会持续升高？接下来，给学生打开电烙铁，介绍其中的核心元件—PTC陶瓷，并深入介绍了PTC温敏陶瓷材料的性能，以及其之所以产生这一性能的原理。由于很多学习工科的同学都对电器很感兴趣，通过这一演示实验结合理论介绍，使学生明白了PTC陶瓷材料用于电器的控温原理。接下来，给学生布置了思考题，由学生在进一步了解PTC陶瓷材料后，利用PTC陶瓷材料来设计电器线路，并在下一节课上来进行介绍；同时，还鼓励非常感兴趣的同学去利用PTC陶瓷材料来自制电器模型，在课堂上进行演示。通过这样的演示实验，极大地锻炼了学生进行创新性思维的能力，促进了他们对课堂内容的参与，收到了非常好的效果。

2.4 提高学生对学习掌握材料科学知识的兴趣

演示实验只是工科通识课程教学过程中的一种手段，其主要目的是激发学生的学习兴趣，促进学生探索科学世界的主动性。丰富多彩的演示实验极大地激发了学生的学习兴趣，对提高课程的教学效果起到了很好的促进作用。此外，一些很贴近生活的实验演示更加激发了学生掌握材料知识的兴趣。

在介绍新型包装高分子材料时，给学生演示了如何区分食品塑料包装袋和非食品用塑料包装袋，分别通过手搓揉，将塑料袋放入水中看是否漂浮，火烧塑料包装袋看是否能燃烧等方式进行了区分，通过显著的实验现象，让学生既学到了实用的生活知识，又增加了学习的兴趣。给学生演示了一次性发泡餐盒在热油中快速溶化的实验现象，并在原理上进行了讲解，使学生认识到应努力学习材料知识，保持健康的生活方式。

再如，在介绍新型纤维材料时，拿来了用夜光纤维材料制成的面料样品，关掉灯后，面料发出了鲜艳的光泽，神奇的效果吸引了学生的注意，接下来对这种材料结构及特性的介绍使学生对这种面料能够发光的原理有所理解，实验与理论知识结合的教学方法收到了很好的效果。

3 “新材料技术”课程演示实验设计的一些体会

3.1 合理安排演示实验的时机

“新材料技术”课程具有非常宽泛的授课内容，可选择的演示实验的面很广，内容丰富。但是，如果在课堂上选择的演示实验的内容过多、过长，必然造成喧宾夺主，影响科学知识和基础理论的教学时间。因此，只有在有限的课堂时间内安排合理的时机进行演示实验，才能达到最好的教学效果。在一次较长时间的授课过程中，学生难免有兴奋点和疲劳期，通过演示实验激发学生的兴奋点，帮助学生度过疲劳期，才能达到最佳的寓教于乐，活跃气氛，激发思维的效果。在课程刚开始时进行演示实验，可以很生动地引入授课的主题，也有助于课堂气氛的调节和提高学生学习的兴奋程度。在课程的后期，当学生出现疲劳的时候使用验证性质的演示实验，或通过演示实验给学生提出思考性问题，有助于重新激发学生学习的兴奋度，提高后期内容的学习效果。此外，每次课程中要严格控制演示实验的数量，既保证演示实验的良好效果，又防止演示实验过多，既让学生时刻都能体会到实验教学的乐趣，但也防止造成审美疲劳。

3.2 设计合理的演示实验内容

对于演示实验内容的安排也很重要。我们安排演示实验的原则是现象明显，过程安全简单，容易激发学生兴趣和思维。确保每一次实验都能在保证实验安全的前提下，使学生快速看到显著而引人关注的实验现象，使学生产生深刻的映像；避免选择一些实验时间较长，现象不太明显的实验。此外，尽量选择一些贴近学生生活，能激发学生兴趣，引导学生创新性思维的演示实验，如我们在课堂上设计的鸟巢水立方膜结构材料性能的演示，纸尿裤材料性能的演示，控制电器温度的PTC陶瓷材料性能的演示，新型夜光纤维性能演示，食品用和非食品用包装袋鉴别方法等实验内容，与学习、生活联系紧密，既激发了学生的兴趣，又使学生通过演示实验学到了更多的科学知识，充分体会到学习材料知识的课程的乐趣。

3.3 促进学生参与到演示实验中

在演示实验中调动学生的主观能动性，使学生参与到实验中，既保证了实验结果的客观性，又能够让他们更直观地感受到科学实验的魅力。对于难度不高的演示实验，我们尽量请学生作为主体来进行实验，如验证泡沫铝材料的密度比水轻，验证陶瓷基复合材料的高强度，验证防刺轮胎的优异性能等的过程中，我们都让学生亲自参与其中。而对于较复杂的演示实验，我们则请学生来作为实验的助手，既保证了演示实验的顺利开展，又激发了学生的兴趣。此外，对于材料丰富的演示实验，我们还给每个学生都发了一些样品，让他们回去给周围的同学表演其神奇的性能，既使学生对学习我们的课程很自豪，又让更多的同学了解了材料的优异性能。

3.4 激发学生的思维

为了进一步培养学生的创性能力，我们还设计了一些实验思考题，让学生在课后深入地学习材料的知识，结合自身的专业知识进行实验设计和验证。如对高吸水性树脂的教学内容，在进行了高吸水性树脂性能的演示，并介绍了一些高吸水性树脂应用实例的介绍后，鼓励同学们在课后利用高吸水性树脂特殊的膨胀性，设计有趣的实验装置，并请学生在课堂上演示，极大激发了学生的创造热情。再如，我们在对PTC陶瓷材料的优异性能进行演示后，专门布置思考题，让感兴趣的同学设计使用PTC的模型电器装置，极大地锻炼了学生的思维能力，也促进了学生将通识课程学到的知识在自己的专业学习和生活中的活学活用。

4 结 语

在素质教育和创新理念的指引下，我们在典型的工科类课程“新材料技术”的课程教学中，对课堂演示实验教学手段的设计和应用进行了长期的思考和实践。通过教学，收获了很好的教学效果，得到了参与课程的同学的肯定，在生动、鲜明、奇妙的视觉冲击下学生内心产生了浓厚的求知欲和兴趣，在轻松愉悦的氛围中保证了良好的教学效果的获得。同时，通过我们的探索，也为开展工科类通识教育课程的教学工作探寻了有益的途径。

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Application and Consideration of the Experimental Demonstration Teaching in the Engineering General Course System

CHENYu,LIShu-kui,JIANGChun-feng

(School of Materials Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Experimental demonstration is one of the important means in teaching of the engineering general courses, it has very important significance for enhancing the teaching effect, stimulating the study enthusiasm of students, cultivating the students' creative thinking and increasing the appeal of courses. In the current paper, the thinking and experience about designing the teaching method of the experimental demonstration teaching means in the engineering general courses were put forward, by combining with the design ideas and experience for the experimental demonstration teaching means of the Novel Materials Technology general course system of Beijing Institute of Technology. The results have an important reference significance to make better use of the experimental demonstration teaching means in the engineering general course.

novel material; general course; experimental demonstration; teaching method

2015-01-05

教育部人文社会科学研究专项任务重点项目(13JDGC024)

陈 煜(1979-)，男，甘肃天水人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：功能材料，课程创新教学方法。

Tel.：13683183781；E-mail：cylsy@163.com

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1006-7167(2015)12-0160-04