田晨旭,蔡緒福,楊昌躍,錢祉祺

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610045)

“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”的設(shè)計(jì)策略與實(shí)現(xiàn)方法

田晨旭,蔡緒福,楊昌躍,錢祉祺

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610045)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、思維、能力、精神的重要環(huán)節(jié)?！皩?shí)驗(yàn)教學(xué)+”是將科研的創(chuàng)新成果、新技術(shù)和新方法深度融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目之中。該文用實(shí)例闡明“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”的具體實(shí)現(xiàn)方法，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目模塊化，包括材料制備、性能測試和材料應(yīng)用等模塊，且模塊間相互聯(lián)系，為學(xué)生提供具有綜合性、連貫性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)，提升實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容，做到突破難點(diǎn)，注重實(shí)際應(yīng)用。

教育增值，實(shí)驗(yàn)教學(xué)+，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化，綜合性，連貫性

“互聯(lián)網(wǎng)+”開始成為國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，高等教育也置身其中。那么未來的高分子材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要“+”點(diǎn)什么，才能與快速發(fā)展的社會相適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再是理論教學(xué)的補(bǔ)充，已經(jīng)成為高等教育不可缺失的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的重要環(huán)節(jié)[1-7]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)注的不再僅僅是每個(gè)學(xué)生是否掌握了教學(xué)大綱中所規(guī)定的內(nèi)容，而且更關(guān)注每個(gè)學(xué)生是否都獲得了“增值”[8]的機(jī)會。 因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要 “+”點(diǎn)學(xué)生思維，即要以學(xué)生為中心，理解學(xué)生的需求；“+”點(diǎn)真實(shí)，即從“灌輸”到“代入”，使教師角色轉(zhuǎn)換為“學(xué)習(xí)的促進(jìn)者”而不再是一味地“灌輸”。因此，“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”簡單點(diǎn)說就是將高分子材料科學(xué)中新的分析技術(shù)，新的分析方法以及先進(jìn)的科研成果與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，即將科研的創(chuàng)新成果、新技術(shù)和新方法轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊化，且模塊之間相互聯(lián)系，為學(xué)生提供連貫性綜合性強(qiáng)，覆蓋知識面廣，富有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和科研能力，起著非常重要的作用，也將充分發(fā)揮科研成果在高分子材料科學(xué)中的應(yīng)用。同時(shí)，提升實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，注重知識點(diǎn)之間的連貫性和延展性，改進(jìn)測試表征模塊，增加材料應(yīng)用模塊，避免傳統(tǒng)教學(xué)中的面面俱到，突出重點(diǎn)，注重實(shí)際應(yīng)用，即真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)“教育增值”的目的。

1 “實(shí)驗(yàn)教學(xué)+” 設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容模塊化

傳統(tǒng)的高分子材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容通常是根據(jù)理論課內(nèi)容安排若干個(gè)小實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，存在的弊端是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，驗(yàn)證性強(qiáng)，單個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容間缺乏知識上的聯(lián)系，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)課程必須要以學(xué)生為中心，理解學(xué)生的需求，不是單純地完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而是要培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生了解到高分子材料專業(yè)最新的分析技術(shù)，分析方法和科研的創(chuàng)新成果。正所謂“藥材好，藥才好”，因此，在編排綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容上，首先計(jì)劃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容需覆蓋以下3個(gè)模塊——材料制備(或材料成型加工)、材料性能的測試與表征(包括測試結(jié)果分析)、材料應(yīng)用，如圖1所示；然后選擇優(yōu)秀的科研成果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體內(nèi)容模塊化。本學(xué)院設(shè)計(jì)的一些源于科研成果的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：可溶性聚芳酯的合成、表征及性能[9-10]；半芳香族聚酰胺成炭劑的合成與應(yīng)用[11]。這些課題轉(zhuǎn)化成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不再是枯燥的知識點(diǎn)，而是覆蓋的知識面廣、綜合性強(qiáng)，知識點(diǎn)環(huán)環(huán)相扣。學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中可以獲得多方面的連貫的知識和技能，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括的模塊內(nèi)容

1.2 提升實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，側(cè)重于驗(yàn)證性的完成材料制備，較少涉及材料性能測試與表征，使得知識點(diǎn)之間缺乏連貫性和延展性。即使進(jìn)行測試表征，也只能針對一些標(biāo)準(zhǔn)樣品，與實(shí)際應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。而且理論教學(xué)中開設(shè)的新的分析測試方法相關(guān)理論課程(如近代測試技術(shù)及表征)，只注重原理的驗(yàn)證，因?qū)W時(shí)有限，知識點(diǎn)的講解也只能做到點(diǎn)到為止，而無法突出重點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生也無法理論聯(lián)系實(shí)際并學(xué)以致用，對其今后科研創(chuàng)新沒有太多實(shí)際的幫助。值得注意的是，教育的本質(zhì)是啟發(fā)學(xué)生的潛質(zhì)，培養(yǎng)每個(gè)人自主、創(chuàng)新的能力，不是單純的灌輸，而教師的角色更應(yīng)當(dāng)從“灌輸”轉(zhuǎn)化成“代入”，成為“學(xué)習(xí)的促進(jìn)者”。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，改進(jìn)材料性能測試與表征這個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊，讓學(xué)生通過分析方法和分析技術(shù)，測試在前期實(shí)驗(yàn)中制備得到的材料。學(xué)生對已知結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行分析，才會具有更加明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并得到更加實(shí)用的操作培訓(xùn)，為今后的科研創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。性能測試完成以后，還需要對得到的結(jié)果進(jìn)行分析，培訓(xùn)學(xué)生熟練掌握Omnic、Origin、TA和ChemDraw等分析軟件。能力的提升，不止于完成實(shí)驗(yàn)，重要的是通過測試結(jié)果來分析材料的結(jié)構(gòu)和性能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，并啟發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)和創(chuàng)新，提高學(xué)生的求索和創(chuàng)新興趣，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的潛能和創(chuàng)造力。

對于工科專業(yè)而言，制備的新材料得到應(yīng)用，才能真正實(shí)現(xiàn)材料的價(jià)值，因此，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，專門編排了材料應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊，根據(jù)材料特性，將其加工成型后，并運(yùn)用分析技術(shù)來檢測材料的應(yīng)用性能。

2.“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”實(shí)現(xiàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化的具體方法

以綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一：可溶性聚芳酯的合成、表征及性能為例，說明“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”的實(shí)現(xiàn)方法，如表1所示。為了從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生的理論知識和實(shí)踐能力得到更加有效地提升，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置的各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，針對學(xué)生各方面知識和能力都提供了有效地提升條件，具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括材料制備、材料性能的測試與表征和材料應(yīng)用。

1)首先，在材料制備模塊中，要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，了解當(dāng)次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的國內(nèi)外現(xiàn)狀。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一中，傳統(tǒng)的聚芳酯有著優(yōu)異阻燃性，由于其不溶不熔的性質(zhì)，加工條件困難，因此其應(yīng)用受到限制。為了改善聚芳酯的溶解加工性，采用界面縮聚的方法將含有側(cè)苯基結(jié)構(gòu)的單體，引入到聚合物的結(jié)構(gòu)單元中，以增加分子鏈間距，提高聚合物的溶解性。通過材料制備這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使學(xué)生將界面縮聚的理論知識得以應(yīng)用，同時(shí)學(xué)習(xí)了改善聚合物溶解加工性的手段和方法。為了制得具有功能性的新型材料，一般多從分子設(shè)計(jì)出發(fā)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)相關(guān)的分子結(jié)構(gòu)。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一：實(shí)驗(yàn)安排

2)然后，在材料性能測試與表征模塊中，會涉及多種分析方法和分析技術(shù)，如光譜分析、色譜分析、熱分析、熱力學(xué)分析以及電子顯微鏡等。例如：通過光譜分析(包括紅外光譜、拉曼光譜、廣角X射線衍射)對聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，對前期合成實(shí)驗(yàn)中所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；通過色譜分析(凝膠滲透液相色譜)，電子顯微鏡(掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡)對聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，結(jié)構(gòu)決定性能，了解材料的結(jié)構(gòu)，才能對其性能測試有更好的分析；通過熱分析(包括差示掃描量熱法、熱失重分析、熱重-紅外聯(lián)用分析、極限氧指數(shù))，對聚合物熱性能進(jìn)行測試，考察在改善聚芳酯溶解性的同時(shí)，結(jié)構(gòu)對其熱性能的影響；其次，在材料應(yīng)用這個(gè)模塊中，會將前期制得的性能優(yōu)異的材料加工成型后，加以應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一中，將改性后的聚芳酯制成薄膜，并對其進(jìn)行性能測試。

3)最后，要求學(xué)生根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并相互討論交流，評比實(shí)驗(yàn)的可行性，很正達(dá)到學(xué)以致用，教育“增值”的目的。

表2 凝膠滲透色譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配

2.2 提升實(shí)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)容的具體方法

以凝膠滲透色譜為例，具體介紹材料性能測試與表征模塊中，測試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體安排以及學(xué)時(shí)分配，如表2所示。實(shí)驗(yàn)分為樣品制備、儀器簡介、儀器功能介紹、儀器操作培訓(xùn)和測試結(jié)果分析5個(gè)部分。1)在樣品制備中，不僅要講明高分子材料制樣方法，而且要通過案例分析，說明注意事項(xiàng)，避免在制樣過程中破壞聚合物。2)在儀器簡介中，不再贅述其基本結(jié)構(gòu)和原理，重點(diǎn)分析一些測試實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生如何分析問題，以及解決問題。3)在儀器功能介紹中，通過演示操作過程，包括選擇測試條件、放樣品、走基線、做標(biāo)準(zhǔn)曲線、測試樣品5個(gè)步驟，借助實(shí)例有重點(diǎn)地介紹儀器功能和儀器配套的操作系統(tǒng)，同時(shí)通過實(shí)例說明選擇測試條件對測試結(jié)果的重要性。4)最重要的部分——儀器操作培訓(xùn)，學(xué)生按照上述操作過程，根據(jù)老師前面講述的內(nèi)容，從“灌輸”到“代入”，教師角色轉(zhuǎn)換為“學(xué)習(xí)的促進(jìn)者”，要求學(xué)生自主地選擇測試條件，測試前期材料制備實(shí)驗(yàn)?zāi)K中所得到的產(chǎn)物；在分析測試結(jié)果中，引導(dǎo)學(xué)生解讀報(bào)告中數(shù)據(jù)隱藏的信息，培養(yǎng)學(xué)生分析問題以及解決問題的能力。在傳統(tǒng)的理論教學(xué)，甚至實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，都忽略了分析實(shí)例、選擇測試條件和解讀數(shù)據(jù)這些重要環(huán)節(jié)，只是泛泛講述基本結(jié)構(gòu)及原理，對于實(shí)際操作并無大益。5)在結(jié)果討論中，要求學(xué)生總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論根據(jù)樣品的特性如何選擇最優(yōu)的測試條件，如何評估測試條件的優(yōu)勢，在傳統(tǒng)教學(xué)中往往忽視了評估測試條件這項(xiàng)內(nèi)容，然而交流、討論、總結(jié)，才能真正將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容升華，變成學(xué)生自己的知識，真正發(fā)揮以學(xué)生為中心，學(xué)生的自主能動性。因此，“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+”實(shí)現(xiàn)方法中，材料性能測試與表征模塊對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力大有益處。

在材料應(yīng)用這個(gè)模塊中，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一中，由于改性后的聚芳酯具有良好的溶解加工性，并保持了良好的阻燃性。因此將聚芳酯溶于其良溶劑中，采用流延法，使其均勻涂覆在潔凈的玻璃板上，加工成型制得薄膜，并對薄膜進(jìn)行力學(xué)性能的測試，考察其應(yīng)用范圍。

3 結(jié)束語

“實(shí)驗(yàn)教學(xué)+” 要以學(xué)生為中心，理解學(xué)生的需求，轉(zhuǎn)變教師的角色，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。將優(yōu)秀的科研成果、新的分析方法和分析技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提供連貫的知識體系，將理論與實(shí)踐融會貫通，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，突出難點(diǎn)，注重實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)提高學(xué)生的理論知識與實(shí)驗(yàn)操作技能，真正達(dá)到“教育增值”。只有這樣，未來的高分子材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能應(yīng)變更大的挑戰(zhàn)。

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Design and Implementation Strategy of “Experimental Teaching Plus”

TIAN Chenxu,CAI Xufu,YANG Changyue,QIAN Zhiqi

(College of Polymer Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610045, China)

The experimental teaching is a very important link in training students’ innovation consciousness, thinking, ability and spirit.The “experimental teaching plus” is an experimental teaching project deeply integrated by innovation, new technologies and new methods in scientific research.In this paper, the concrete realization method of “experimental teaching plus” is illustrated.The experimental teaching project is modularized,including the preparation of materials, properties testing and material application.The modules are interrelated, providing students with a comprehensive and strong coherent experimental content.At the same time,.the “experimental teaching plus” improves the experimental module content, thus breakthrough the difficulty and focus on practical application.

education value added, experimental teaching, experimental project module, comprehensive, consistency

2016-05-10；修改日期:2016-12-01

田晨旭(1987-)，女，碩士，工程師，主要從事高分子材料專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.038