基于實踐能力培養(yǎng)的接觸角測量實驗教學(xué)模式探索

田玉　朱小龍　張立輝

摘要：物理學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握物理學(xué)的基本理論與方法，具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和實驗技能，能在物理學(xué)或相關(guān)的學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域中從事科研、教學(xué)、技術(shù)應(yīng)用和管理工作的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。文章以接觸角測量實驗教學(xué)為載體，闡述如何通過促進(jìn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生在掌握基本的物理學(xué)知識的基礎(chǔ)上，使動手能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神得到培養(yǎng)。該作者重點探索了該實驗教學(xué)模式，并綜合科學(xué)研究對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提升科學(xué)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：接觸角測量實驗;實踐能力;教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0374-02

“近代物理實驗”是為物理類專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)的一門綜合性較強(qiáng)的基礎(chǔ)實驗課程。該課程不僅使學(xué)生掌握如何用實驗方法觀察物理現(xiàn)象、研究物理規(guī)律，更讓學(xué)生了解近現(xiàn)代實驗技術(shù)在許多科學(xué)研究領(lǐng)域與工程實踐中的廣泛應(yīng)用;它有助于開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、刻苦好學(xué)的鉆研精神。我們在開設(shè)近代物理實驗項目時，力爭做到基礎(chǔ)與應(yīng)用并重，既考慮到現(xiàn)代應(yīng)用研究的前沿性，又照顧到傳統(tǒng)的訓(xùn)練題材。因此，在保證基礎(chǔ)物理內(nèi)容的同時，我們注重加強(qiáng)應(yīng)用技術(shù)特別是光和材料方面的選題，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識、開展創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。接觸角測量實驗就是我們結(jié)合學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)而吸收進(jìn)來的綜合創(chuàng)新實驗范例之一。對于固體來說，當(dāng)液滴接觸其表面時，液滴會保持它部分的形狀或者在固體表面鋪展開來，從而形成一層薄的液膜。這一性質(zhì)通常是通過測量接觸角來描述的。當(dāng)水滴在固體表面上所形成的接觸接近0度時，這樣的固體表面分別被稱為超親水表面;而當(dāng)水滴在固體表面上所形成的接觸角大于150度時，這樣的固體表面分別被稱為超疏水表面。材料表面的接觸角的測量是衡量材料的潤濕性能的重要方法。對于該實驗的教學(xué)，筆者在重點分析傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，對培養(yǎng)實踐能力的材料實驗教學(xué)模式進(jìn)行了細(xì)致的探索，并且取得了良好的教學(xué)效果。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容的改革

對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，教師一般遵循實驗?zāi)康?、原理、設(shè)備、內(nèi)容、注意事項幾個方面給學(xué)生講解。對于接觸角測量實驗，同樣需要把這些內(nèi)容講述給學(xué)生，然而我們采取的方法則是以專題報告的形式敘述。從接觸角的概念、理論和應(yīng)用講起，在講解過程中，穿插設(shè)備的介紹、使用和注意事項，同時在教學(xué)中融入與之相關(guān)的最新科學(xué)成果，緊跟現(xiàn)代科技和交叉學(xué)科的發(fā)展。在這種教學(xué)情況模式下，實驗?zāi)康暮驮韺W(xué)生則根據(jù)報告自己體會，不受固定的某一句話的局限，讓學(xué)生自己開動腦筋去思考。

二、實驗內(nèi)容的多樣性

對于接觸角測量實驗內(nèi)容，我們安排的液體除了傳統(tǒng)的水滴，還有乙醇、異丙醇和正丁醇等醇類同系物在滌綸片、金屬片、聚乙烯薄片和玻璃片上的接觸角的測定，同時還有不同濃度表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉溶液在固體表面的接觸角的測定。實驗內(nèi)容相對較多，可選余地較大。在實驗內(nèi)容的安排上，針對水滴我們還安排了一些有趣的實驗：測量植物葉片的接觸角。在自然界中由于荷葉表面上覆蓋的白色蠟狀物質(zhì)，使得荷葉上面的水珠在其上滾動，并最終留在荷葉的中部。用掃描電子顯微鏡觀察，能看到荷葉的表面具有很多微小的凸起結(jié)構(gòu)，其尺寸大概在微米級（10微米）左右，在凸起結(jié)構(gòu)上面，又覆蓋了不少納米尺寸（200納米）的凸起結(jié)構(gòu)。這種粗糙結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致我們用手觸摸荷葉時有凹凸不平的感覺。荷葉上表面特殊的微納米微觀結(jié)構(gòu)致使氣膜產(chǎn)生并存在于固體和液體的界面處，從而導(dǎo)致水滴不能浸潤而達(dá)到超疏水效果。水滴在這樣的表面很容易滾落，這種特殊的潤濕現(xiàn)象被稱為“荷葉效應(yīng)”。依據(jù)這個現(xiàn)象，告訴學(xué)生可以采集一些植物的葉片，進(jìn)行接觸角測量實驗，學(xué)生對該部分內(nèi)容學(xué)習(xí)積極性極高。

三、注重學(xué)生協(xié)同、動手能力的培養(yǎng)

對于接觸角測量實驗，由于設(shè)備相對比較昂貴，往往安排兩個學(xué)生一組進(jìn)行實驗。在開始做實驗之前，學(xué)生依據(jù)實驗內(nèi)容，自己選取不同的液體和固體，進(jìn)行液體在固體表面上所形成的靜態(tài)接觸角測量。在實驗過程中，兩個人要分工合作，一個同學(xué)準(zhǔn)備液體，另一個同學(xué)準(zhǔn)備固體，同時要處理固體表面，使其干凈。由于實驗室只準(zhǔn)備了原材料，做實驗的部分需要學(xué)生繼續(xù)加工，比如溶液濃度的配置、所選固體界面的清洗、植物葉片的采摘等。這些實驗的準(zhǔn)備過程，大大提高了學(xué)生的動手能力和協(xié)調(diào)能力，對學(xué)生未來的繼續(xù)深造和就業(yè)提供了扎實的實踐基礎(chǔ)。

四、注重學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)

科學(xué)素質(zhì)是指能使人具有強(qiáng)烈的科學(xué)意識，能對科學(xué)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱情，以致使他的思維方式和行為決策都能達(dá)到習(xí)慣性地沿著科學(xué)道路前進(jìn)的品質(zhì)，使他的生存和活動與時代的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步取得和諧一致?？茖W(xué)素質(zhì)的內(nèi)涵是科學(xué)知識、科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度等方面的綜合反映?？茖W(xué)素質(zhì)可以借助普通教育來培養(yǎng)，尤其是包括物理實驗教學(xué)在內(nèi)的理科教學(xué)?？茖W(xué)素質(zhì)是一種非智力因素，其要素主要包括對科學(xué)研究的興趣、情感、意志、作風(fēng)等。通過接觸角測量實驗的開設(shè)，再結(jié)合學(xué)生的開放性實驗項目和創(chuàng)新科研項目，學(xué)生表現(xiàn)出敢于不斷探求真理的意識和堅持科學(xué)思想的勇氣。因此，通過該實驗的訓(xùn)練，目前學(xué)生已經(jīng)能夠自主地提出科學(xué)問題，創(chuàng)新思維明顯提高。

五、引入科研，服務(wù)教學(xué)，提升學(xué)生

通過多年的教學(xué)經(jīng)驗與科研實踐，筆者發(fā)現(xiàn)教學(xué)與科研相輔相成，在教學(xué)中滲透科學(xué)思維方法、科學(xué)品德與精神的教育，一方面豐富了教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)了教學(xué)精髓;另一方面提高了學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)及進(jìn)行科學(xué)研究的能力。如果教師將自己的研究內(nèi)容適時適當(dāng)?shù)嘏c課堂教學(xué)內(nèi)容相融合，一方面將會使學(xué)生的專業(yè)知識面得到拓寬，教學(xué)質(zhì)量也得以提高;另一方面也更新了教學(xué)內(nèi)容，充分體現(xiàn)教與學(xué)相互促進(jìn)的作用。作為一名高校教師，始終牢記：不但要傳授給學(xué)生理論知識，更要培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。教師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿。對于工程材料來說，對水或其他的腐蝕性液滴的超疏水行為可以大大加強(qiáng)它們的抗腐蝕能力，延長其使用壽命。尤其對于海洋船舶工業(yè)來說，制備出具有超疏水能力的抗腐蝕能力的工程合金材料將會產(chǎn)生非常重要和深遠(yuǎn)的意義。因此，對于該實驗的后期工作，可結(jié)合具體的設(shè)計實驗方案，分析測定方法并進(jìn)行實驗，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

總之，接觸角測量實驗教學(xué)的開展，除了讓學(xué)生了解潤濕性能的應(yīng)用極為廣泛之外，通過教學(xué)實踐內(nèi)容的改革，更是培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作、動手能力、創(chuàng)新思維和科學(xué)素質(zhì)。我們結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，對教學(xué)方法和手段進(jìn)行改革，既使學(xué)生掌握其基本理論，又通過融入科學(xué)知識培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。當(dāng)然，對于學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，并不僅僅局限于物理學(xué)學(xué)科，其他各個學(xué)科領(lǐng)域有著更為豐富的內(nèi)涵和作用，對于本文所涉及的方法和途徑也起到借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立輝.近代物理實驗[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

[2]馬心英.大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)初探[J].菏澤學(xué)院學(xué)報，2016，38（01）：130-133.

Research on the Experimental Teaching Mode of Contact Angle Measurement Based on Practical Ability Cultivation

TIAN Yu，ZHU Xiao-long，ZHANG Li-hui

（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan，Hubei? 430056， China）

Abstract：For the physics major，its training objective is to cultivate high-quality applied talents with good mathematical foundation and experimental skills，who can engage in scientific research，teaching，technical application and management in physics or related technical fields.This paper takes the experimental teaching of contact Angle measurement as the carrier，and through promoting the transformation of teaching mode，it enables students to cultivate practical ability，innovative thinking，solidarity and cooperation and other learning habits on the basis of mastering the basic knowledge of physics.The author focuses on the exploration of the experimental teaching mode，and updates the teaching content with comprehensive scientific research，so as to further cultivate students' practical ability and innovative spirit and improve their scientific quality.

Key words：contact angle measurement experiment;practical ability;teaching mode

收稿日期：2019-06-18

基金項目：武漢市教育局教學(xué)研究項目“計算物理教學(xué)改革與實踐”，項目編號：2015060

作者簡介：田玉（1979-），女，副教授，博士，研究方向：半導(dǎo)體材料與器件。