设计性综合实验在无机材料专业实验教学中的应用

杜娴　史翔　杜慧玲

【摘 要】实验教学是无机材料专业教学的重要组成部分，设计性综合实验的目的是培养大学生的创新精神和实践能力。本文以电子材料实验课为例讨论设计性实验课的教学内容、方法、操作环节，分析设计性综合实验的存在的问题和解决思路。

【关键词】设计性实验；实验教学；无机材料专业

The Application of Experimental Design in the Experimental Teaching of Inorganic Materials

DU Xian SHI Xiang DU Hui-ling

（School of Material Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian Shaanxi 710054， China）

【Abstract】Experimental teaching is an important part for inorganic materials. The purpose of the design experiment is to cultivate students innovative spirit and the practical ability. In this paper， we take the electronic material experiment course as an example to discuss the contents， methods and operations， analysis of the existing problems and find the solutions for the design experiments.

【Key words】Design experiment； Experimental teaching； Inorganic materials

电子材料的课内实验课以验证性实验为主，综合性实验为辅助。验证性实验是学生对已知结果进行实验验证，主要在于实验过程的演示和实验结果的证明，重点掌握实验操作的过程。验证性实验的这种实验教学模式有利于培养学生基本技能，对于无机专业学生材料方面的基本理论有比较好的效果。综合性实验所需时长较长，通过实验可以让学生掌握一套完善的电子材料的实验工艺以及结果表征。验证性实验要求学生按照实验指导书预习并撰写实验预习报告后再进入实验室开展实验。实验开始前由实验老师先进行理论方面的讲解，具体介绍实验的目的、操作步骤和方法，重点会强调在实验中遇到的问题和解决思路。与综合性实验相比，验证性实验具有固定的实验思路，容易约束学生在实验过程中的想法，同时很容易出现相互借鉴实验结果的情况，很难达到培养学生创新思维的目的。

设计性综合实验作为实验教学一种创新形式，对培养学生的科研意识，提高学生分析问题和解决问题的能力，激发学生创新思维的重要作用已经得到普遍认同[1]。随着自主设计实验教学方法的不断应用，其教学模式主要分为学生围绕老师指定题目进行自主设计[2-3]和学生自主选题、自主设计[4]两种教学模式。在电子材料实验课程中我们主要采用学生自主选题、自主设计的方式进行了实验教学的探索和实践，并对实践过程中出现的问题进行总结和思考。

1 实验教学设计

电子材料的实验课开设在大四第一学期，电子材料实验课所需掌握的基本专业知识已经具备，也具有一定的动手操作能力。因此在设计电子材料综合实验课的时候，可以考虑多发挥学生自己的能力，让学生以研究性实验为主。学生提出实验方案，教师根据情况加以指导，在实验过程中遇到问题后优先让学生自己通过查阅文献资料自己解决，充分发挥学生的主观能动性。学生先提出实验思路、实验方案、具体步骤、所需要用到的设备与药品、实验结果的分析测试表征。老师在学生提出的基础上，根据实验室具体条件再进行调整。电子材料实验课的总课时为26学时，其中验证性的课程实验3次，共10学时，设计性综合实验1次，16学时。设计性综合实验分为资料查询、实验思路的提出、实验方案的设计、实验具体操作流程、实验结果表征与实验结果汇报6个阶段。设计性综合实验以4-5人为一个小组，在理论课学习的基础上，教师给出学生电子材料实验项目相对较新的实验方法和实验思路，让学生通过网络数据库、图书馆等多种渠道查阅近些年的资料和文献获取实验思路。实验方案确定后，学生即以实验小组为单位，各小组将准备的实验方案、具体的实验步骤、所需要用到的设备与药品制成幻灯片，并撰写实验设计报告，由每小组委派一位学生将实验内容在全班内进行交流与答辩，教师结合实验室的条件论证学生实验的可行性后再进行实验。实验完成后撰写实验结果与讨论的报告在全班内进行第二次答辩，汇报实验中遇到的问题和实验结论。

在实验内容选择上，我们以热门的电子材料与元器件为题目，学生可以自主选定课题项目。对于设计性综合实验的考核，以考核实验过程中的综合能力为主，特别鼓励在实验思路与内容方面的创新。在选定的实验课题完成后，需要撰写实验设计报告和实验结果与讨论的两份报告对设计性综合实验进行总结，并进行交流与答辩。教师根据学生所设计课题的创新性、设计思路、设计内容、实验完成情况以及学生的答辩情况进行综合评判，最终确定设计性综合实验课程成绩。

2 设计性综合实验内容

设计性综合实验需要学生有一定的电子陶瓷方面的理论和实验操作基础，因此选择将验证性实验安排在设计性综合实验前。验证性实验由学生个人独立完成，可以培养学生独立完成电子材料实验操作的能力，使每个学生掌握实验室基本仪器设备使用的常识、实验药品的种类与用途、电子材料实验流程，补充学生对理论知识的应用能力，培养学生独立思考和动手的能力。设计性综合实验的需要查阅资料较多、操作繁琐复杂，一般学生难以独立在有限的课时内完成，因此学生以小组为单位，相互协调分工完成。综合性实验内容由老师确定一个范围学生可以在此范围以内选择。如果学生有较好的想法，教师也会鼓励学生自主提出课题。学生组合的原则是自由自愿，经过长期的磨合组员之间相互之间比较了解，有良好的团队意识，这对后设计性综合实验的完成具有决定性的意义。验证性实验的内容和实验步骤都由老师写在实验指导书上，而且实验过程中的注意事项教师都会详细讲述，遇到问题教师也能很快解决。而设计性综合实验整个过程都由学生自己完成，老师只起到指导和引导的作用，实验方案的确定、实验仪器和药品的选择、实验结果的分析讨论都需要每组学生讨论完成。在实验中学生遇到问题时应该引导学生通过查阅资料和文献等寻找解决办法，若遇到较大难度是教师可以协助解决。学生在实验操作过程中熟悉了电子材料制备的基本流程，形成了遇到问题独立思考的习惯，也极大提高了学生的实验操作能力和创新能力。

3 设计性综合实验实施

设计性综合实验的实验器材分为公用和根据各组实际情况分配的试剂药品。其中公用的设备如磁力搅拌器、量筒、烧杯、容量瓶等集中放置在柜子，并规定该集中区域为公用，每次使用完成后必须清洗干净放回远处。分配到每组自己使用的试剂和药品，则要求每组学生将其放置到已经安排好的专门试剂柜，由每组选出一人负责试剂柜钥匙的保管，以免造成器皿样品的丢失和混乱。实验台面也分配每个小组一个，保证每组都有独立的实验空间，避免在实验过程中发生实验冲突。设计性综合实验以小组为单位，每组之间选择的课题具有较大的差异，每组选择的药品也大多不相同。这就增加需要提供药品的种类，药品的使用率也大幅度下降。有些药品只能使用很小的一部分，长时间的放置导致最后药品失效，造成浪费。随着设计性综合实验的自选题目的长期开展，实验工艺种类越来越多，使用的药品种类也会不断增加，很多某种工艺才使用的药品的使用频率也会随之降低，导致药品的累积。针对药品的浪费问题，教师在指导下一届学生做实验前回动员学生对以前已经做过的实验基础上进行改进和创新，或者选择比较相似的材料体系进行实验，减少药品的不必要闲置和浪费。设计性综合实验不同于传统验证性使用的可预知性，设计性综合实验的实验周期较长具有一定的复杂性，并且实验过程中可能失败需要重做，学生很难在安排的课程时间内完成实验并得到良好的实验效果。因此可以鼓励学生在课余时间来补做实验，可以一周安排2-3次开放实验室，学生可以通过预约来自主完成实验，任课老师和实验员轮流值班学生实验进行指导。

4 实验技术方面的经验与思考

在设计性综合实验题目的选择过程中我们发现，大部分学生倾向于选择不同实验方法尤其是新型制备技术的课题。学生对新型的实验技术都具有较大热情，但是由于实验课时的限制和学生对自身能力信心的不足，基本都会选择较为简单的实验工艺。设计性综合实验学生很难在教学安排的课程时间内完成实验并写出实验结果与讨论的报告，虽然学生愿意利用自己的休息时间来完成实验，但是由于对知识掌握的不够深刻以及自身能力的不足，在测试分析的过程中常常遇到较大的问题。实验结果的分析都较为简单，测试方法也比较单一，涉及到一些复杂测试时很难对数据进行分析。实验室的许多仪器并没有得到有效利用，测试与实验的结合还需要教师进行深度指导。针对上述问题可以在学生大三刚开始专业课的过程中对学生进行实验室设备的介绍和培训，给学生推荐一些实验技术方面的书籍资料，播放实验设备操作的相关视频。经常在学生中开展实验室的宣传和普及工作，鼓励学生进入实验室熟悉仪器设备。在实验室仪器旁放置仪器设备的详细介绍，包括设备名称、应用范围、使用规范及注意事项等，利于学生了解学习。此外，对于学生在实验设计方案中经常提及而实验室没有的仪器也要做适当的补充。

5 学生对设计性综合实验反馈

学生的评价对教师教学质量提高有着重要的作用。通过对学生的谈话了解发现学生对设计性综合实验很支持和理解，大家都认为设计性综合实验在实验中大家都参与研究、讨论对如何自己设计实验有了初步的了解。尤其是经过自己实际解决实验中遇到的问题和困难会对所学理论知识的理解更为透彻，也能很好的将理论与实际相结合。在实验讨论的过程中，每组成员都能提出一些很好的想法，大家相互交流取长补短，营造了很好的学习氛围。经过对实验方案的调整最终得到实验结果的成就感积极调动了学生对科研的热情，课后很多同学都会选择自己的课题继续做进一步的实验研究。

6 结语

电子材料的设计性综合实验对指导教师也提出了较高的要求，学生选择的实验方法和实验内容老师可能并不是十分熟悉，因此要求老师也要来查阅相关文献资料来判断实验中可能出现的各种影响因素和实验的可行性，以更好地指导学生。设计性综合实验需要学生自主选择，激发了学生实验的热情，促使学生在实验中不断学习新的知识，不断探索和创新。电子材料设计性综合实验还需要教师在实验指导方面不断完善，帮助学生掌握电子材料领域方面知识。

【参考文献】

[1]许会静，刘磊，李艳.生物化学检验自主设计实验的经验总结与思考[J].科技创新导报，2015，11：154-155.

[2]汪涛，李田，叶大梧，等.一个传统验证性实验向设计性实验的升华[J].物理与工程，2011，21（1）：10-13.

[3]卢素敏，刘秀军，郭玉高，等.化工原理流体力学自主设计性实验的教学实践[J].实验室科学，2015，18（2）：24-30.

[4]王冰，王世仪，张成鸿，等.从自主设计型实验教学谈学生实验技能的培养[J]. 实验室科学，2013，16（1）：1-3.

[责任编辑：杨玉洁]