設(shè)計性綜合實驗在無機材料專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

杜嫻　史翔　杜慧玲

【摘 要】實驗教學(xué)是無機材料專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，設(shè)計性綜合實驗的目的是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。本文以電子材料實驗課為例討論設(shè)計性實驗課的教學(xué)內(nèi)容、方法、操作環(huán)節(jié)，分析設(shè)計性綜合實驗的存在的問題和解決思路。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計性實驗；實驗教學(xué)；無機材料專業(yè)

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

電子材料的課內(nèi)實驗課以驗證性實驗為主，綜合性實驗為輔助。驗證性實驗是學(xué)生對已知結(jié)果進(jìn)行實驗驗證，主要在于實驗過程的演示和實驗結(jié)果的證明，重點掌握實驗操作的過程。驗證性實驗的這種實驗教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生基本技能，對于無機專業(yè)學(xué)生材料方面的基本理論有比較好的效果。綜合性實驗所需時長較長，通過實驗可以讓學(xué)生掌握一套完善的電子材料的實驗工藝以及結(jié)果表征。驗證性實驗要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書預(yù)習(xí)并撰寫實驗預(yù)習(xí)報告后再進(jìn)入實驗室開展實驗。實驗開始前由實驗老師先進(jìn)行理論方面的講解，具體介紹實驗的目的、操作步驟和方法，重點會強調(diào)在實驗中遇到的問題和解決思路。與綜合性實驗相比，驗證性實驗具有固定的實驗思路，容易約束學(xué)生在實驗過程中的想法，同時很容易出現(xiàn)相互借鑒實驗結(jié)果的情況，很難達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的目的。

設(shè)計性綜合實驗作為實驗教學(xué)一種創(chuàng)新形式，對培養(yǎng)學(xué)生的科研意識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要作用已經(jīng)得到普遍認(rèn)同[1]。隨著自主設(shè)計實驗教學(xué)方法的不斷應(yīng)用，其教學(xué)模式主要分為學(xué)生圍繞老師指定題目進(jìn)行自主設(shè)計[2-3]和學(xué)生自主選題、自主設(shè)計[4]兩種教學(xué)模式。在電子材料實驗課程中我們主要采用學(xué)生自主選題、自主設(shè)計的方式進(jìn)行了實驗教學(xué)的探索和實踐，并對實踐過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)和思考。

1 實驗教學(xué)設(shè)計

電子材料的實驗課開設(shè)在大四第一學(xué)期，電子材料實驗課所需掌握的基本專業(yè)知識已經(jīng)具備，也具有一定的動手操作能力。因此在設(shè)計電子材料綜合實驗課的時候，可以考慮多發(fā)揮學(xué)生自己的能力，讓學(xué)生以研究性實驗為主。學(xué)生提出實驗方案，教師根據(jù)情況加以指導(dǎo)，在實驗過程中遇到問題后優(yōu)先讓學(xué)生自己通過查閱文獻(xiàn)資料自己解決，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。學(xué)生先提出實驗思路、實驗方案、具體步驟、所需要用到的設(shè)備與藥品、實驗結(jié)果的分析測試表征。老師在學(xué)生提出的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗室具體條件再進(jìn)行調(diào)整。電子材料實驗課的總課時為26學(xué)時，其中驗證性的課程實驗3次，共10學(xué)時，設(shè)計性綜合實驗1次，16學(xué)時。設(shè)計性綜合實驗分為資料查詢、實驗思路的提出、實驗方案的設(shè)計、實驗具體操作流程、實驗結(jié)果表征與實驗結(jié)果匯報6個階段。設(shè)計性綜合實驗以4-5人為一個小組，在理論課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師給出學(xué)生電子材料實驗項目相對較新的實驗方法和實驗思路，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、圖書館等多種渠道查閱近些年的資料和文獻(xiàn)獲取實驗思路。實驗方案確定后，學(xué)生即以實驗小組為單位，各小組將準(zhǔn)備的實驗方案、具體的實驗步驟、所需要用到的設(shè)備與藥品制成幻燈片，并撰寫實驗設(shè)計報告，由每小組委派一位學(xué)生將實驗內(nèi)容在全班內(nèi)進(jìn)行交流與答辯，教師結(jié)合實驗室的條件論證學(xué)生實驗的可行性后再進(jìn)行實驗。實驗完成后撰寫實驗結(jié)果與討論的報告在全班內(nèi)進(jìn)行第二次答辯，匯報實驗中遇到的問題和實驗結(jié)論。

在實驗內(nèi)容選擇上，我們以熱門的電子材料與元器件為題目，學(xué)生可以自主選定課題項目。對于設(shè)計性綜合實驗的考核，以考核實驗過程中的綜合能力為主，特別鼓勵在實驗思路與內(nèi)容方面的創(chuàng)新。在選定的實驗課題完成后，需要撰寫實驗設(shè)計報告和實驗結(jié)果與討論的兩份報告對設(shè)計性綜合實驗進(jìn)行總結(jié)，并進(jìn)行交流與答辯。教師根據(jù)學(xué)生所設(shè)計課題的創(chuàng)新性、設(shè)計思路、設(shè)計內(nèi)容、實驗完成情況以及學(xué)生的答辯情況進(jìn)行綜合評判，最終確定設(shè)計性綜合實驗課程成績。

2 設(shè)計性綜合實驗內(nèi)容

設(shè)計性綜合實驗需要學(xué)生有一定的電子陶瓷方面的理論和實驗操作基礎(chǔ)，因此選擇將驗證性實驗安排在設(shè)計性綜合實驗前。驗證性實驗由學(xué)生個人獨立完成，可以培養(yǎng)學(xué)生獨立完成電子材料實驗操作的能力，使每個學(xué)生掌握實驗室基本儀器設(shè)備使用的常識、實驗藥品的種類與用途、電子材料實驗流程，補充學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和動手的能力。設(shè)計性綜合實驗的需要查閱資料較多、操作繁瑣復(fù)雜，一般學(xué)生難以獨立在有限的課時內(nèi)完成，因此學(xué)生以小組為單位，相互協(xié)調(diào)分工完成。綜合性實驗內(nèi)容由老師確定一個范圍學(xué)生可以在此范圍以內(nèi)選擇。如果學(xué)生有較好的想法，教師也會鼓勵學(xué)生自主提出課題。學(xué)生組合的原則是自由自愿，經(jīng)過長期的磨合組員之間相互之間比較了解，有良好的團(tuán)隊意識，這對后設(shè)計性綜合實驗的完成具有決定性的意義。驗證性實驗的內(nèi)容和實驗步驟都由老師寫在實驗指導(dǎo)書上，而且實驗過程中的注意事項教師都會詳細(xì)講述，遇到問題教師也能很快解決。而設(shè)計性綜合實驗整個過程都由學(xué)生自己完成，老師只起到指導(dǎo)和引導(dǎo)的作用，實驗方案的確定、實驗儀器和藥品的選擇、實驗結(jié)果的分析討論都需要每組學(xué)生討論完成。在實驗中學(xué)生遇到問題時應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料和文獻(xiàn)等尋找解決辦法，若遇到較大難度是教師可以協(xié)助解決。學(xué)生在實驗操作過程中熟悉了電子材料制備的基本流程，形成了遇到問題獨立思考的習(xí)慣，也極大提高了學(xué)生的實驗操作能力和創(chuàng)新能力。

3 設(shè)計性綜合實驗實施

設(shè)計性綜合實驗的實驗器材分為公用和根據(jù)各組實際情況分配的試劑藥品。其中公用的設(shè)備如磁力攪拌器、量筒、燒杯、容量瓶等集中放置在柜子，并規(guī)定該集中區(qū)域為公用，每次使用完成后必須清洗干凈放回遠(yuǎn)處。分配到每組自己使用的試劑和藥品，則要求每組學(xué)生將其放置到已經(jīng)安排好的專門試劑柜，由每組選出一人負(fù)責(zé)試劑柜鑰匙的保管，以免造成器皿樣品的丟失和混亂。實驗臺面也分配每個小組一個，保證每組都有獨立的實驗空間，避免在實驗過程中發(fā)生實驗沖突。設(shè)計性綜合實驗以小組為單位，每組之間選擇的課題具有較大的差異，每組選擇的藥品也大多不相同。這就增加需要提供藥品的種類，藥品的使用率也大幅度下降。有些藥品只能使用很小的一部分，長時間的放置導(dǎo)致最后藥品失效，造成浪費。隨著設(shè)計性綜合實驗的自選題目的長期開展，實驗工藝種類越來越多，使用的藥品種類也會不斷增加，很多某種工藝才使用的藥品的使用頻率也會隨之降低，導(dǎo)致藥品的累積。針對藥品的浪費問題，教師在指導(dǎo)下一屆學(xué)生做實驗前回動員學(xué)生對以前已經(jīng)做過的實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，或者選擇比較相似的材料體系進(jìn)行實驗，減少藥品的不必要閑置和浪費。設(shè)計性綜合實驗不同于傳統(tǒng)驗證性使用的可預(yù)知性，設(shè)計性綜合實驗的實驗周期較長具有一定的復(fù)雜性，并且實驗過程中可能失敗需要重做，學(xué)生很難在安排的課程時間內(nèi)完成實驗并得到良好的實驗效果。因此可以鼓勵學(xué)生在課余時間來補做實驗，可以一周安排2-3次開放實驗室，學(xué)生可以通過預(yù)約來自主完成實驗，任課老師和實驗員輪流值班學(xué)生實驗進(jìn)行指導(dǎo)。

4 實驗技術(shù)方面的經(jīng)驗與思考

在設(shè)計性綜合實驗題目的選擇過程中我們發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生傾向于選擇不同實驗方法尤其是新型制備技術(shù)的課題。學(xué)生對新型的實驗技術(shù)都具有較大熱情，但是由于實驗課時的限制和學(xué)生對自身能力信心的不足，基本都會選擇較為簡單的實驗工藝。設(shè)計性綜合實驗學(xué)生很難在教學(xué)安排的課程時間內(nèi)完成實驗并寫出實驗結(jié)果與討論的報告，雖然學(xué)生愿意利用自己的休息時間來完成實驗，但是由于對知識掌握的不夠深刻以及自身能力的不足，在測試分析的過程中常常遇到較大的問題。實驗結(jié)果的分析都較為簡單，測試方法也比較單一，涉及到一些復(fù)雜測試時很難對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實驗室的許多儀器并沒有得到有效利用，測試與實驗的結(jié)合還需要教師進(jìn)行深度指導(dǎo)。針對上述問題可以在學(xué)生大三剛開始專業(yè)課的過程中對學(xué)生進(jìn)行實驗室設(shè)備的介紹和培訓(xùn)，給學(xué)生推薦一些實驗技術(shù)方面的書籍資料，播放實驗設(shè)備操作的相關(guān)視頻。經(jīng)常在學(xué)生中開展實驗室的宣傳和普及工作，鼓勵學(xué)生進(jìn)入實驗室熟悉儀器設(shè)備。在實驗室儀器旁放置儀器設(shè)備的詳細(xì)介紹，包括設(shè)備名稱、應(yīng)用范圍、使用規(guī)范及注意事項等，利于學(xué)生了解學(xué)習(xí)。此外，對于學(xué)生在實驗設(shè)計方案中經(jīng)常提及而實驗室沒有的儀器也要做適當(dāng)?shù)难a充。

5 學(xué)生對設(shè)計性綜合實驗反饋

學(xué)生的評價對教師教學(xué)質(zhì)量提高有著重要的作用。通過對學(xué)生的談話了解發(fā)現(xiàn)學(xué)生對設(shè)計性綜合實驗很支持和理解，大家都認(rèn)為設(shè)計性綜合實驗在實驗中大家都參與研究、討論對如何自己設(shè)計實驗有了初步的了解。尤其是經(jīng)過自己實際解決實驗中遇到的問題和困難會對所學(xué)理論知識的理解更為透徹，也能很好的將理論與實際相結(jié)合。在實驗討論的過程中，每組成員都能提出一些很好的想法，大家相互交流取長補短，營造了很好的學(xué)習(xí)氛圍。經(jīng)過對實驗方案的調(diào)整最終得到實驗結(jié)果的成就感積極調(diào)動了學(xué)生對科研的熱情，課后很多同學(xué)都會選擇自己的課題繼續(xù)做進(jìn)一步的實驗研究。

6 結(jié)語

電子材料的設(shè)計性綜合實驗對指導(dǎo)教師也提出了較高的要求，學(xué)生選擇的實驗方法和實驗內(nèi)容老師可能并不是十分熟悉，因此要求老師也要來查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料來判斷實驗中可能出現(xiàn)的各種影響因素和實驗的可行性，以更好地指導(dǎo)學(xué)生。設(shè)計性綜合實驗需要學(xué)生自主選擇，激發(fā)了學(xué)生實驗的熱情，促使學(xué)生在實驗中不斷學(xué)習(xí)新的知識，不斷探索和創(chuàng)新。電子材料設(shè)計性綜合實驗還需要教師在實驗指導(dǎo)方面不斷完善，幫助學(xué)生掌握電子材料領(lǐng)域方面知識。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]