材料专业开放性设计实验教学的探索与实践*

程 化，卢周广，叶 飞，王海鸥，田颜清

(南方科技大学材料科学与工程系，广东 深圳 510085)

为了加快本科生教育，教育部提出了“新工科”和“六卓越一拔尖”计划，其目的是引导高校全面优化专业结构，深化专业综合改革，激发学生学习兴趣和潜能，让学生忙起来、让教学活起来、让管理严起来，全面振兴本科教育，提高人才培养质量[1-2]。众所周知， 2017年我国成功试飞自主研发的大型客机C919，其研发历时7年，其中很重要的关键环节就是高性能复合材料的攻坚。目前C919的主体结构有30%由高性能复合材料构成，且该系列飞机下一代研发目标是将主体中复合材料的比例提升至50%。可见，材料相关的科技在我国各种“卡脖子”领域占有极为重要的作用，材料科学工程专业的新型人才的培养势在必行[3]。材料科学与工程专业兼具理科和工科的特点，总体目标是要培养出既有扎实的专业基础和系统的知识结构，又具有较强的工程实践与创新能力、并有国际化视野的专业人才[4]。

实验教学是材料科学与工程专业教学的重要环节，材料分析是材料科学研究的基础。通过不同“材料合成-表征-应用”全流程实验项目的教学，学生能够掌握和了解材料的各种合成方法、分析方法及相关应用。一方面帮助学生巩固理论对于巩固学生理论知识，提高学生对课程的学习效果，促进学生发现问题、解决问题的基本素质的形成；另一方面培养学生运用理论知识去解决工程实践问题的能力，引导他们养成科学求真的态度、严谨周密的作风和团结协作的精神[5-6]。然而，目前部分高校的实验课模式是学生根据实验方案按部就班的完成实验，课本上对于实验的原理步骤有详细的解释，在实验开始前学生已基本知道了实验结果[7-8]。

为了使实验教学充分发挥这些作用，部分高校逐步增加设计性实验比例。然而，设计的内容往往局限于实验条件参数的设计即设计不同的合成条件或表征手段等等。同时，开放式实验教学模式已经成为我国教学领域的一个研究热点，特别是在当今的高校实践教学中，应用型高等学校更为突出，都在探索一条适合本校的开放性实验教学模式。然而，部分高校的开放性实验仅限于一种管理模式，当一个综合实验需要较多课时，学生无法在正常的教学时间内完成故而采用开放性实验进行开展[8-9]。

为了使设计性实验和开放性实验真正落到实处，有必要将设计性实验与开放性实验结合，打开思路，设置开放性设计实验，设计性实验必须在内容上和课程组织上具备足够的开放性。笔者所在的南方科技大学材料系面向大三学生开设了8个学分共126学时的《材料综合实验》课， 此课程的主要目标就是要培养适应新时代的新型的专业人才。为了充分调动学生积极性，培养学生解决实际问题的能力，其内容涵盖了综合性的、设计性的、开放性的大实验，需要学生有更多的参与，更多的主动以及更多的合作讨论等。依托于这门课程，笔者已经对开放性设计实验进行了探索和实践。本文中，笔者以其中的一个实验为例来进行说明如何开展开放性设计实验教学。开放性设计实验的内容该包括文献调研、选题，制定并修订实验方案、开展实验收集实验数据、改进实验方案、再实验以及实验结果输出(口头报告和实验报告)等部分。同时，在教学过程中同学之间的讨论，教师的及时指导，非正常课时时间段内的实验室开放管理都是必备条件。

1 实施设计性开放实验教学的主要思路

为了调动学生的学习主动性，让学生的手和脑都忙活起来，需要避免让学生按部就班办的完成实验，因此需要精心设计和安排实验内容。首先这个实验必须是设计性的，关于要做什么怎么做学生要有主动权，即学生需要自己制作实验方案，而指导老师就需要给出一个有效的主题让学生可以有条件的自由发挥。对于指导老师来说，需要给出一个有一定科研或工程应用背景，且兼具趣味性的主题，让全班同学可以并乐于设计出不同的实验方案，并保证实验方案能够在教学实验室里实施开展；对于学生来说，针对已有的主题来制作实验方案，那么学生要做的只能是先确定做这个主题的哪一个方向(发现问题)，进行文献调研(提出问题)，分小组及与指导老师讨论(合作与协调能力)，进而确定方案开展实验(解决问题)。在开展实验的过程中，由于方案的差异性，不同学生进行材料合成的实验步骤可能不一样，那么实验时间会不统一，因此开放性实验条件应该匹配进来。同时，任何设计性实验的实验过程与结果都是未知的，不可能一次就成功，同学们会进行多次的试错，这个过程中需要学生再次文献调研，需要老师及时的指导，修订实验方案，同时整理收集到的实验数据，进行实验结果的讨论分析。如图1给出了设计性开放实验教学的主要内容和一般流程。因此，要对当前的传统实验进行改革，设计性开放实验是非常必要的。

图1 开放性设计实验教学的主要内容Fig.1 Main contents of the opening and designing experimental teaching

2 设计性开放实验的实践

在材料综合课程大纲中有一项是电子显微镜SEM的操作与分析实验，最开始的实验方案是让学生观察几种直接购买的固体粉末样品，然后写实验报告分析数据。在这个过程中，由于SEM设备只有一台，学生只能一个一个的排队上机操作，很浪费时间且教学效果不好，学生兴趣不大。因此，笔者对次实验进行了改进，改为了一个设计性开放实验，让学生用这台设备测试自己合成的样品。笔者在开展设计性开放实验的教学实践中，设计的一个实验主题是“多孔合金薄膜材料的合成及应用研究”，规定实验两人一组，凡事有个商量能锻炼合作能力，同时也规定合成出的材料是多孔的薄膜且至少含有两种金属，但不规定孔径的大小与形貌，不规定金属的种类，不规定合成方法，不规定应用研究的方向。所以学生有很大的发挥空间，他们可以选择合成大孔材料、微孔材料或介孔材料，可以选择不同的金属元素，可以用各种不同的合成方法如电化学、磁控溅射、溶胶凝胶、烧结法等等。因此，实验主题的设计的选取原则如图2所示，圆形图案中的参数为可变量，学生可以根据自己的喜好来进行文献调研，方形图案中的参数为固定量，是限制范围用的，让学生在有条件的范围内自由发挥。拿到这个实验主题以后，学生用了一周的时间来进行文献调研，确定实验方案。学生提交上来的实验方案各不相同，随后指导老师跟学生一一讨论实验方案的可行性，并着手准备原材料协助学生开展实验等。

图2 开放性设计实验主题的选取Fig.2 How to select of the topic of opening and designing experiments

授课对象是大三的学生，已经具备基本的实验技能，但是有些具体实验具体情况下依然需要老师的指导，因此将此实验进一步扩展为开放实验，实验指导老师基本需要随时跟学生进行交流以保证试验顺利进行。经过材料系四个班级的教学实践发现，部分同学可以成功合成出多孔合金薄膜并进行应用研究，还有部分同学没有时间来完成这一部分实验。在这个设计性开放实验中，除书写实验报告外我们设计了一个实验结果展示环节，也就是每个同学需要做一个15分钟的报告，讲述此实验中是如何选题，如何确定实验方案，如何开展实验的，以及如何进行应用研究或准备做何种应用研究。在这一步，笔者也有小小创新，就是除了指导老师的提问之外，还要求每位学生在听完别的同学的报告时至少要对一至两位同学提出问题，提高学生课堂的参与度，能够让课堂活起来。

3 实验教学的效果

大部分学生在规定的时间内顺利的完成了实验，成功合成出了要求的多孔薄膜材料。每个同学都对自己合成的薄膜样品进行了多次的SEM表征，看到孔的时候的喜悦和没看到孔的时候的失落充满了整个电镜室。跟往届学生观察直接购买的粉末样品现象比较，他们更投入更开心，因为样品的差异，学生更好的掌握了SEM设备的操作技巧，知道了对于不同的样品如何调节电镜参数让照片更漂亮。

进行课程总结时候发现，学生制做的实验方案各不相同，都阅读了至少6片以上的英文论文，没有一组同学采用了相同的主要参考论文，说明笔者选的主题是正确的，能够培养学生文献调研的能力。由于不是传统的实验，学生需要讨论的地方比较多，因此课堂学习气氛很浓烈。同时，在最后的口头报告环节，学生总结了各自查阅的文献，讲述了各自的实验流程，介绍了已经做的应用研究或准备做的应用研究。外加同学之间相互提问，学生们可以学习到更多关于多孔材料相关的知识，可以涉猎更多的多空薄膜的合成方法，能够从这个实验课中能收获很多。另外，南方科技大学的定位是世界一流大学，学生的实验报告要求全英文书写，通过这一个综合实验的训练，学生们的英语写作能力也能得到提升。

此外，本实验教学改革的亮点成果之一，是有两位同学用这个实验课的实验结果很顺利的申请到了一个大创项目。亮点成果之二，是认真贯彻执行了“新工科”及“六卓越一拔尖”的人才培养模式。

4 结 语

开展设计性开放实验有几个重要的因素需要注意，其一是要有一个好的主题，能够调动学生的积极主动性，有充满挑战性；其二，开放性就要求指导老师要能够“随叫随到”，让学生有坚实的后盾，无后顾之忧；其三，除实验报告输出外，口头报告的输出也很重要的，学生相互学习，他山之石可以攻玉。实践证明通过开展这个设计性开放实验，能够培养学生的实践动手能力、科学创新的能力以及分析解决问题的综合能力，使其能够将所学的综合实验知识灵活运用以解决实际问题。