在本科《材料化學》實驗課程模塊中開展微型創(chuàng)新實驗的設想

張佳楠 劉捷 劉應良

[摘 要] 目前，本科實驗課程教學缺乏讓學生認識課程核心問題的課程設計與教學方法。微型創(chuàng)新實驗是指在課程中將幾次實驗設計為具有連續(xù)性的創(chuàng)新實驗，而不是每節(jié)課只是獨立的實驗。旨在提高材料化學專業(yè)本科生對于前沿材料化學學科的認識，提升學生創(chuàng)新實踐能力，模擬科研過程中連續(xù)性操作和分析的過程。

[關 鍵 詞] 微型創(chuàng)新實驗；公共平臺實驗；教學研究

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）25-0179-01

《材料化學》是通過對材料研究中出現(xiàn)的與化學有關的基本問題、基本概念、基本原理的闡述，其中包括材料的合成與制備、化學結構與性能、材料的化學與物理性質和材料的應用性能，結合四大材料（金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料）研究和制備中的實例，使學生從材料化學的基本層面出發(fā)，去認識和理解材料科學與工程中出現(xiàn)的基本化學問題，使學生建立大材料的概念，為新材料的研究與開發(fā)以及現(xiàn)有材料的選擇和使用打下堅實的基礎。然而，一方面授課學時有限，若重點不夠突出，則在短時間內(nèi)不能夠激發(fā)學生的學習興趣；另一方面學習該課程的學生已經(jīng)修完《無機化學》《有機化學》《物理化學》等基本化學課程，而《材料化學》的實驗課程設計極易與已學課程的實驗課內(nèi)容重復，造成學生學習興趣下降、人力物力的浪費等問題。針對這些問題，筆者對材料化學實驗課程的設計，結合自身教學實踐體會提出在課內(nèi)開展微型創(chuàng)新實驗的一些設想和建議。

一、科學制訂實驗教學課程體系

所謂“科學制訂實驗教學課程體系”，是在課程中科學地反映學科的特殊功能，體現(xiàn)教學目的，有利于激發(fā)學生主動思考和積極互動，將學科中心思想貫穿于整個課程，通過設定主題、提出問題、安排任務或創(chuàng)設課題的形式體現(xiàn)出來。在實驗課程選擇上體現(xiàn)為，以“強化基礎、注重能力、突出創(chuàng)新”為目標，在對學生基本理論和基本實驗技能培養(yǎng)的基礎上，選擇近年來材料化學領域前沿學科的實驗內(nèi)容，弱化單純的驗證性實驗內(nèi)容，強化綜合性和研究性實驗項目。如引入“反相微乳液法制備納米聚苯胺”在實驗課程中，在學生認識了制備納米材料的經(jīng)典方法“反相微乳液法”的概念和基本操作的基礎上，為了了解當前研究熱點的高性能導電高分子“聚苯胺”，最終樹立制備方法的選擇對材料的形貌和性能具有至關重要的影響。

二、“分層次遞進”模式展開課程

理科學生普遍學習能力強，但由于實踐機會較少，動手能力和解決問題的能力相對較弱，我們認為學生掌握技能的過程是循序漸進的，尤其高年級學生，在具有一定知識儲備的情況下，更加渴望具有獨立完成一項科研的經(jīng)歷，然而由于上課時間受到限制，大學生創(chuàng)新實驗能夠給予的機會有限，所以將每個實驗主題實驗課程設置按照“分層次遞進”模式展開，依次分為探索性基礎實驗、全面性綜合實驗與拓展性設計實驗。

（一）探索性基礎實驗

針對一些簡單的基礎操作，如轉速、控溫、試劑用量和替換，學生可以自主選擇改變條件，觀察現(xiàn)象變化，完成實驗。主要目的是讓學生發(fā)揮主觀能動性，啟發(fā)他們在實驗設計上的靈感，實現(xiàn)一定的實驗目標。在實驗講義上，體現(xiàn)在某些方案和設計具有“可調性”，提高學生對知識的應用能力和實踐能力，以及對學生團隊合作能力的培養(yǎng)。如基礎性實驗“球形碳酸鈣的仿生合成研究”，學生可以改變攪拌速度、加熱溫度，甚至可以嘗試采用相同方法合成氧化鋁、氧化硅等，通過觀察產(chǎn)物的形態(tài)、驗證方法的普適性，激發(fā)學生對實驗的興趣，充分理解實驗背后的基礎性知識和問題。

（二）全面性綜合實驗

針對較為復雜的實驗體系進行綜合性實驗，主要目的是讓學生完成材料合成、數(shù)據(jù)表證、分析、總結的全過程。讓學生提前體驗完整的科研過程，直觀地看到自己的實驗結果，比任何激發(fā)他們學習主動性的方法都有效。例如，綜合性實驗“單分散二氧化硅微球的合成與組裝”，首先，學生驗證經(jīng)典Stober方法制備單分散二氧化硅微球，然后，同法探索制備不同直徑的二氧化硅微球，并采用沉降蒸發(fā)法對各自制備的微球制備自組裝薄膜。指導教師同時準備一系列自組裝的單分散微球同學生進行對比并講解，結合掃描電鏡表征使學生進一步認識自組裝的基本原理和方法，引導他們對類似材料和方法的關注。

（三）拓展性設計實驗

主要目的是訓練學生將知識靈活移用、融會貫通的能力。這類實驗增加了“查閱相關文獻資料”的環(huán)節(jié)，目的在于鍛煉學生獨立自主設計實驗方案的能力。首先為學生提供一定數(shù)量的實驗命題，學生根據(jù)自己的興趣和愿望進行“超市采購型”選擇，每個小組成員合作，共同設計出完整的實驗講義，包括實驗原理、實驗儀器與藥品、實驗步驟以及可能遇到的問題和解決方案。最后，根據(jù)實驗設計情況和實際條件，安排在教學或科研實驗室進行相關實驗的實施。通過這樣的鍛煉，學生可以明確個人的興趣目標，同時在專業(yè)實驗方面逐漸樹立起整體性、嚴謹性、靈活性的思維模式，有利于學生創(chuàng)新能力、綜合思維能力以及科研協(xié)作能力的培養(yǎng)。