材料科学与工程专业材料化学基础实验的改革与探索

范长岭 李玉平 陈石林 何月德 尹斌 韩绍昌

摘要：实践教学的质量直接关系着高等教育的水平。围绕我校《材料科学与工程》专业的材料化学基础实验，我们进行了一些有益的改革和探索，系统分析了改革的必要性、内容、特点及效果。这些改革紧密结合材料专业的特点，激发了学生的学习热情和积极性，最终取得了一定的成效。

关键词：材料科学与工程专业；材料化学基础实验；改革；探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）42-0127-02

實验教学是高等学校培养本科生操作技能的重要途径，但是从目前来看，实验教学得不到有效的重视，但未来恰巧需要的是具有良好操作技能、解决实际问题的专业人才。为此，不少学者围绕实验教学开展了许多有益的探索[1-5]。近年来，我校围绕《材料科学与工程》专业的材料化学基础实验也开展了一系列的改革和探索。

一、教学改革的必要性

湖南大学材料学科的发展历史最远可以追溯到20世纪初开办的矿科、窑科和机械科，而材料科学与工程学院则成立于2000年底，具有“老学科、新学院”的特点。学院现有材料科学与工程专业、材料成型与控制两个本科专业，其中材料科学与工程专业是国家级特色专业，而化学在材料专业中具有基础性的地位，这是因为材料的方方面面都与化学知识密不可分。因此，不管是在过去几年的教学实践中，还是在学校最新的“2015版教学计划”中，材料化学基础都是进入大学阶段的一年级新生的必修课程，主要涉及无机化学、有机化学、物理化学和分析化学等四大化学课程。与之相对应，学校化学化工学院针对全校开设了“基础操作化学实验”，该课程为化学、化工、生物、医学、材料等专业开设，主要实验项目有：天平的使用方法及称量、容器的校准、标准溶液的配制、滴定分析操作练习、酸碱滴定法测定混合碱中各组分的含量、熔点的测定、重结晶方法及其练习、蒸馏及沸点的测定等八个实验项目。

上述项目重点在于教会学生掌握基础操作知识，实验项目之间联系不强，是一个个独立的个体实验项目，对材料专业的针对性不强，不利于材料类专业学生的创新及综合能力的培养，且与我们材料专业培养目标的要求有一定差距。

二、教学改革的探索

1.教学项目的改进。在“2015版教学计划”中，我们围绕该实验课程进行了探索性的改革，以提高学生的专业认知度为出发点，以提高学生的实验操作技能为根本，围绕无机化学和分析化学这两门课程的有关知识点，突出无机材料中关键组成元素的含量测定，让学生更早接触专业，了解专业，激发学生的专业兴趣。

在实验中我们开设了如下八个项目：化学实验基本常识及安全守则、基本操作技能、标准溶液的配制及滴定分析、样品的制备、溶液配制及显色测定、多元素快速分析仪的使用、火焰光度法测定K2O和Na2O、经典分光光度法测定Fe2O3。该门实践教学课程要求学生以深刻领会光度分析的原理，牢固掌握无机材料中常见成分的快速分析方法为中心。材料化学基础实验课程的开设结合了材料科学与工程专业的实际，设立的实验项目不再是独立的、互相割裂的个体，而是形成了一个有机的整体，组成一个完整的实验系列，前后紧密联系，不可分割，具有较强的设计实验的特点。

2.教学过程的开展。该门实验课程要求学生以深刻领会光度分析原理的方法为中心，在学生进入实验室动手实验之前，指导教师重点讲述化学实验的一些基本常识及安全守则，让他们对实验内容事先有一个感性认识，然后对学生初步讲解多元素快速分析仪的工作原理及使用方法，明确这门实践课程的中心任务，即测定某种无机材料组成元素的含量，并通过查询相关资料，最终鉴定出材料的类别。然后围绕上述中心，让学生循序渐进地学习和掌握基础化学实验的一些基本操作技能，比如电子分析天平的正确使用及称量的不同方法，实验化学试剂的分类，常用玻璃器皿的清洗、干燥及使用方法。接着学习掌握滴定分析的基本操作，在练习“酸碱滴定法”的基本操作过程中，学生重点掌握滴定管和移液管等容量仪器的使用方法以及熟悉甲基橙、酚酞等指示剂的使用和滴定终点的判断。在上述基础上，学生进一步练习及掌握用于多元素分析的混合标准溶液的配制方法，学习无机材料的粉碎及用四分法制备均匀粉状样品，并掌握高温熔样的实验技能。紧接着学习溶液的显色原理、重点掌握掩蔽剂的工作原理，并能根据不同的溶液离子，学会选择适宜的掩蔽剂以及掌握显色剂的显色方法和实验条件。最后每个实验小组学生自主选择某种无机材料，学会熟练操作使用多元素快速分析仪测定各种元素含量，通过查询相关资料，鉴定出无机硅酸盐材料的类别。最后，采用经典的分光光度法测定其中Fe的国家标准方法。

三、教学改革的亮点

1.强调实验的安全。近年来，安全事故在各大学实验室常有发生，实验室安全显得十分重要。该门课程的授课对象又是刚从高中走入大学校门的新生，这些新生的安全意识不强、安全知识不够。因此，为了切实保证学生的身心健康，提高其安全意识，使其顺利完成实验教学任务，我们设计了一次实验室安全知识和安全防护的讲座，让学生在进行化学实验时的安全意识、安全知识、防护措施等有了质的提高，从而保证学生不受伤害，顺利完成学业。

2.评价方法的改革。由于有些实验操作的过程较简单，仅仅通过提高学生的操作技能，无法准确评价学生的实验成绩，除了传统的考察学生的实验预习情况，统计学生在实验过程中的认真程度、实验报告的撰写外，我们还仔细考察了几个重要实验的实验结果与标准数据的差别，将实验结果的准确性引入学生成绩的评价中，这样就能更加全面地评价学生的实验成绩。

3.激发学生的兴趣。原有的实验教学项目主要采用的是常见的烧杯、容量瓶、移液管等器材，这些传统的简单条件，很难激发新一代大学生的兴趣。为此，在制定教学用仪器设备的过程中，我们利用学校专业综合改革的资金投入，购入在行业内广泛使用的多元素快速分析仪，可以一次性放置48个发色杯，测量8个样品的6种元素，不仅能手动加入各种掩蔽剂、样品溶液、显色剂，还能用仪器自动加入上述试剂，自动化程度很高。各种移取液体的操作，除了让大家掌握吸量管、移液管等方法外，还购入一定数量的移液器（俗称移液枪），让大家开阔了视野，这就更加贴近现实，激发学生的兴趣，从而提高实验的热情和认真程度。

除了采用自动化程度高的多元素快速分析仪测定各种无机材料中的Si、Al、Fe、Ti、K、Na、Ca、Mg等常见元素的含量外，还购入新型的分光光度计，引入了国家标准中经典的分光光度法测定上述无机材料中的Fe元素的含量，不仅让学生掌握经典的分光光度法的相关原理，还能体会技术革新、仪器设备进步带来的实验准确性的提高，分析测试速度的加快，从而更加有效地激励大家努力学好专业知识及做好实验的积极性。

4.课程的专业亮点。“材料化学基础实验”实践课程强调以学生为中心，鼓励他们用课堂上获得的基础理论知识紧密联系本课程实践，自主学习，在预习实验讲义过程中能善于发现问题，并通过查阅相关文献资料去解决实验当中遇到的问题。

该课程引入科研思维，即鉴定无机材料的类型，引导学生学会科学地思考方法，同时将以往的重复实验改为与科研紧密结合的设计探索性实验，在实验教学中不断增加开放度，放手让学生积极思考，大胆尝试和探索。这种由单一的、重复性的验证性实验向设计性、综合性、探索性实验转变，既有旧知识地再现，也有新知识的产生，训练了学生的科学研究素质，培养了学生的创新意识和创新能力，也提高了学生解决新问题的能力，以及后续独立开展新实验的科研能力。

四、教学改革的效果

实施效果表明，该实验课程大大激发了学生对实验的兴趣，也提高了他们自主学习的能力。学生普遍反映，通过本实践课程的学习，他们的理论知识联系实际的能力、实践动手能力以及发现问题、解决问题的能力得到了显著提高。这为他们创新能力的提高打下了有利的基础。

参考文献：

[1]卢声.非化学专业无机化学实验教学的思考和认识[J].辽宁教育行政学院学报，2008，25（2）：88-90.

[2]邓凌峰.材料化学专业基础实验教学的改革与探索[J].广东化工，2009，36（10）：209-210，218.

[3]陈召勇，朱华丽.浅析高校《无机材料化学实验》课程教学革新[J].中国科教创新导刊，2010，（2）：44-46.

[4]孙芹英，丁爱琴，吴缨.应用型本科院校《基础化学》实验教学改革探索[J].安徽农业科学，2010，38（25）：14164-14165，14187.