“一流课程”建设背景下材料化学专业课程实验教学改革与探究

佘小红，杜 娟，朱雯莉，刘乃强，林修洲

(四川轻化工大学材料科学与工程学院，四川 自贡 643000)

2019年10月，教育部颁布的《关于一流本科课程建设的实施意见》中提出“强化现代信息技术与教育教学深度融合，解决好教与学模式创新的问题，杜绝信息技术应用的简单化、形式化”[1]。在这样的大环境下，开展材料化学专业“一流课程”建设对材料化学专业教育具有深远的意义。

材料化学专业的培养目标是使学生系统地掌握材料化学的基本理论与技术，熟悉与材料化学相关的基本知识和技能，培养能在材料化学及与其相关领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的人才。实验教学对提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有不可替代的作用[2]。因此，材料化学专业实验课程的教学体系的重点在于培养学生创新能力和实践能力。除了加强专业知识学习外，还要强化专业实践技能的培养，锻炼学生的创新能力[3]。本文将以四川轻化工大学材料科学与工程学院材料化学专业实验教学为主要研究对象，通过理论教学、实验技能培训、分析实验过程和结论与讨论等步骤，全面优化和改革实验教学方法，构建新的教学方案，改革实验教学方法和实验课程教学成绩评价方式，搭建开放式的实验平台，对我院材料化学专业实验教学进行改革与探讨。

1 实验课程教学体系环节的缺失

四川轻化工大学的材料化学是工科专业，具有以实验为主且与实践紧密相关的特点，实验教学往往与理论教学相穿插。我们的学生虽然具有很强的学习能力，但是他们缺乏动手能力和解决问题的能力。然而，目前的实验课程教学体系不能有效锻炼学生的实践能力。因此，在材料化学实验教学中，应以学生为主体，使学生充分掌握实验内容，在实验过程中锻炼其分析问题和解决问题的能力。

1.1 教学方法相对简单

目前，实验教学主要采用实验教师在课程的前几分钟介绍实验内容，然后教师演示，学生观察，再由学生根据教材内容自行进行实验的教学方法。但是教学中发现，由“教师讲，学生听、做”的“灌输式”教学方式非常单一和被动，降低了学生的学习主动性，无法有效培养学生的实践能力。

1.2 实验数据处理部分

大多数学生实验数据处理还停留在误差较大、费时较多的手动处理阶段，使用专门的科研软件来处理专业实验数据不仅能提高数据的准确性，还能缩短时间。例如，在进行在做“材料的拉伸”实验时，需要用Origin软件来绘制应力-应变曲线，材料化学综合实验中晶体分析需要Jade软件，这些科研软件对于材料化学专业的学生来说都是必不可少的。但是在授课过程中发现，能够熟练使用这些软件的学生很少，有部分学生甚至不知道有这些软件。

1.3 结论与讨论部分

实验教学的主要目的是让在复习理论知识的基础上，通过实践教学发现理论知识的不足之处，通过实验教学锻炼学生独立分析和处理现实生活中的问题的能力。完整实验教学过程由理论教学、实验操作、数据处理和结果讨论这几部分组成。然而，在实际教学过程中，大多数学生只完成了实验操作与数据处理的环节，缺乏对结果的讨论与分析。结果讨论与分析部分是非常重要的。经历实验结果的分析过程，可以使学生发现自己实验操作过程中存在的问题，探索实际应用过程与实验过程的差异，提高他们的创新思维。

2 实验教学改革的几点建议

2.1 改变教学模式

将“教师讲，学生听、做”的“灌输式”教学方式变成“教师主导和学生主体”的双作用方式，从而促进学生学习兴趣，使学生真正成为教学过程中的主体。材料化学专业学生的培养方案上要求学生具有独立解决科学问题和独立解决实际生产问题的能力。在实验教学中，要尽可能的引导学生展开实验与实际生产问题结合的思考，以激发学生的创新思维。要求学生独立设计实验方案和步骤，独立调试仪器设备，对实验过程中遇到的问题提出相应的解决方案。首先，起码要提前一星期详细的告知学生本次的实验项目和内容、实验室的现有条件(如原材料，药品，仪器设备等)，要求学生查阅相关文献，根据题目内容和实验室的现有条件设计实验方案，方案包括原材料的处理、材料制备、性能测试以及实验具体流程等内容；然后实验教师对学生设计的实验方案进行评审与修改，并确定实验方案；最后，学生进行实验，记录实验现象与数据，撰写实验报告。每次课后，教师须有目的地安排2～4名学生分别对本次实验情况进行小结，随后教师做点评。这样可以锻炼学生对材料开发与研究中存在的问题进行预测、总结和分析，提出可行的研究方案的能力。

2.2 改进考核方式

适当的考核方式能够激发学生的积极性。目前实验课考核主大多以实验报告为主据，形式单一，大部分学生通过抄实验讲义敷衍了事，没有主动思考，无法锻炼学生的创新意识和探索精神。因此，可以尝试多元化的考核方式。不仅要重视学生的实验结果，还要注重对学生实验过程和实验能力的考查，强调对学生在实验过程中所获得的知识、技能和能力的评价。课后，不再仅针对实验内容或者讲义本身设置问题，而是脱离实验教材所涵盖的部分，使学生无法照搬教材或讲义来完成。这些问题既可以是涉及到实验内容的原理知识，也可以根据实验仪器的特点进行设计[4]。与此同时，还可以开展研究性教学，设置一些目的明确的高级问题，督促学生就题目进行思考，有目的地利用图书馆、网络检索等查阅相关的文献资料，最后结合自己的想法给出具有个人特色的答案。不建议为此类问题设置标准答案，目的不是结果，而是学生在回答问题过程中的思考和检索、阅读过程。

2.3 增加实践教学，构建开放式教学实验平台

材料化学专业实验的实验教学学时无法满足需求，开放实验室是必要的，但仅靠实验教师的力量是远远不够的。实验之初，使每个学生接受行安全教育和常规仪器使用进行培训。在实验室里，将学生分成若干小组，各小组对实验室进行管理，同组同学自我监督，严格遵守实验室规程，确保实验室和学生的安全。需要使用大型仪器时，由实验指导教师进行集中测试。这样上课时间短、实验设备缺乏依据学生动手机会少的问题都得到了解决。开放实验室可以让学生有足够的时间进行实验，确保专业实验的完成。

同时，为了满足材料化学专业学生的需求，有必要引导学生学习专业科研软件。以“互联网+”，省级、校级大学生创新创业训练计划项目等为契机，搭建开放式教学实验平台，引导学生独立完成基金项目的撰写，熟悉科研的流程。通过设计实验、开展实验、表征性能、处理数据、撰写小论文、项目结题等一系列过程，激发学生的科研创新精神。在学生独立完成研究课题的过程中，引导学生使用科研软件。以这种方式，材料科学与工程学院材料化学专业的很多学生都能够熟练掌握Excel、Origin、Jade及ChemDraw等软件。专业科研软件的学习可使学生处理实验数据更加得心应手，为学生的毕业论文和今后科研工作提前打下良好的基础。通过开放式的实验教学平台的搭建，使学生的创新意识得到激励，使实验室成为培养学生的主要阵地。

2.4 引导学生撰写科技论文

实验中，在指导学生进行材料制备、性能测试、数据分析、结果讨论的全部程序时，利用课余时间进一步引导学生对实验现象与数据进行分析和深究，撰写科技论文。这种方式既能够提高学生的实验技能，使他们认真对待实验课程，还能使他们的数据整理能力、归纳能力和论文写作能力得到锻炼，为毕业论文的撰写奠定了基础[5]。近年来，在四川轻化工大学材料科学与工程学院，一些本科生将自己在实验室获得的数据整理成后撰写论文发表。论文的撰写与发表能让学生提前体验完整的科研过程，直观地看到自己的实验成果，更有效的激发他们学习主动性。

2.5 材料化学实验教学改革改进实例

在溶胶-凝胶法制备SiO2凝胶的实验过程中，我们最初的教学模式是上课前让学生先预习实验指导书，写出预习报告。上课时专业实验教师对整个实验进行详细的讲解，介绍溶胶-凝胶法的原理，通过溶胶-凝胶法的原理引出本次实验制备SiO2凝胶的实验步骤，并强调实验过程中需要注意的一些事项，最后将学生进行分组，让学生们按照老师的讲解进行实验。学生完成试验后将把实验数据和结果整理好交由教师检查并签字，学生的最终实验成绩则是根据他们的实验过程表现和实验报告两部分来评定。

改革后，提前一星期先告知学生溶胶-凝胶法制备SiO2凝胶实验的具体内容和目的，实验室的现有条件为：电子天平、调温磁力搅拌机、电热真空干燥箱、箱式气氛炉、烧杯要求学生查阅溶胶-凝胶法制备SiO2凝胶的相关文献，根据该实验的内容和实验室的现有条件设计实验方案，具体方案包括制备SiO2凝胶所需药品正硅酸四乙酯和无水乙醇的具体比例以及要加入去离子水和氨水的量，药品加入的先后顺序，实验所需要的温度、搅拌时间等具体要求，每个人根据自己查阅文献的情况写一份完整的实验计划书；然后实验教师对学生设计的实验方案进行评审与修改，指出实验方案中存在的问题，与学生们一起探讨并进行修改，确定学生要开展本次实验的最终实验方案，每个学生的实验方案都要存在一定的差异性，防止同学们照搬照抄的现象出现；最后，学生根据自己的实验方案进行实验，记录实验现象与数据。在溶胶-凝胶法制备SiO2凝胶的实验过程中，催化剂、水、溶剂及反应温度等均会对胶凝时间、凝胶的粘度、结构等产生一定的影响，而有些同学未能选用合适的配比以满足实验的要求，因此最终无法成胶或者凝胶的粘度太低导致实验失败。我们可以让实验失败的学生认真反思，找出自己实验失败的主要原因，在学生课余时间再次重复本次实验。等所有学生的实验全部结束后，实验教师将把所有学生的样品集中在一起并指导学生用热分析仪对先体溶胶进行DTA，DGA分析并给出理想的热处理温度，再用激光散射仪测定二氧化硅溶胶的粒度分布情况，学生根据测试结果及相关文献的处理方法分析实验结果，最后形成一份正式的实验报告交给实验教师，实验教师根据学生的实验方案，实验操作过程以及实验报告综合评定学生的本次实验成绩。通过改革，学生的实验积极性和实验兴趣得到进一步的提高，学生的实验能力也得到了很好的锻炼。

3 结 语

材料化学实验课是材料化学专业的一门基础实验课，在“一流课程”建设背景下的材料化学专业教育中发挥了关键的作用。材料化学专业实验教学的改革与探索，将对提高学生的专业实验技能和创新能力起到积极作用。因此，在教学实践中，我们一定要重视当前存在的问题，不断修订教材和讲义，丰富教学内容，改革教学方法，创建多元化的评价体系，开展研究型教学和开放式实验。通过上述措施，充分调动起学生的主观能动性，在实验教学过程中培养他们的思维能力和创新意识，使其成为具有较高专业素质和创新能力的合格人才。