□景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 舒凱征

材料類本科專業(yè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

□景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 舒凱征

本文介紹了在針對材料類本科專業(yè)開展的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取的教學(xué)方法與過程，并對如何保證及提升綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果進(jìn)行了初步的探討。

材料類本科專業(yè)；綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)實(shí)踐

化學(xué)是材料類本科專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課，化學(xué)類課程的總學(xué)時在材料類本科專業(yè)教學(xué)中占有較大比重。同時，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立起來的實(shí)踐科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)類課程教學(xué)的重要組成部分。隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，對本科畢業(yè)生理論知識、動手能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)精神的要求也越來越高。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)置欠科學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法手段落后等缺陷[1]，已經(jīng)無法滿足對本科生進(jìn)行全方位培養(yǎng)的需要。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指在學(xué)生具有一定基礎(chǔ)知識和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一門課程或多門課程的綜合知識，在給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，或指定實(shí)驗(yàn)儀器的情況下，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求獨(dú)立查閱資料、獨(dú)立制訂實(shí)驗(yàn)方案（包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器具的選擇、實(shí)驗(yàn)裝置圖設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟的擬訂等）并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)[2]，它具有綜合性、全面性、創(chuàng)新性等區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)與優(yōu)勢。因此，越來越多的高校結(jié)合自身辦學(xué)特色、專業(yè)優(yōu)勢及培養(yǎng)目標(biāo)對學(xué)生開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

近年來，我們在針對材料類本科專業(yè)學(xué)生開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了大量有益的嘗試與實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

一、注重教研結(jié)合，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

教學(xué)與科研是工科類專業(yè)本科教育中的兩個重要方面，其中教學(xué)是基礎(chǔ)，科研是對教學(xué)的輔助與促進(jìn)。將本校最新、最前沿的科研成果加以提煉、簡化，融入到本科教學(xué)中，一是有利于提高學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，豐富學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)；二是有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，幫助學(xué)生順利進(jìn)入畢業(yè)論文階段學(xué)習(xí)，并為今后的研究生階段學(xué)習(xí)或科研、生產(chǎn)工作打下良好的基礎(chǔ)。同時，也可以將優(yōu)秀的本科生吸收入各科研團(tuán)隊(duì)，提高科研團(tuán)隊(duì)的活力，優(yōu)化科研團(tuán)隊(duì)的人員結(jié)構(gòu)，促進(jìn)科研團(tuán)隊(duì)的科研活動[3]。

我們在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，合理的融入了諸如“添加劑對陶瓷泥漿穩(wěn)定性影響的研究”、“熔鹽法制備鈦酸鉍鈉無鉛壓電陶瓷”、“壓電陶瓷表面化學(xué)鍍銅及鍍層研究”、“Ti-ZSM-5分子篩的合成及其光催化性能的研究”等提取自我校最新科研方向的內(nèi)容。這些內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)、科研聯(lián)系緊密，實(shí)驗(yàn)方法較傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)新穎獨(dú)特，使不少學(xué)生產(chǎn)生了濃厚的興趣，在學(xué)校所規(guī)定的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)周結(jié)束后還積極要求加入到各科研團(tuán)隊(duì)，對未能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，極大地促進(jìn)了教學(xué)與科研之間的良好互動。

以實(shí)驗(yàn)“熔鹽法制備鈦酸鉍鈉無鉛壓電陶瓷”為例，為滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，我們強(qiáng)調(diào)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)工藝、實(shí)驗(yàn)操作、相關(guān)測試技術(shù)的掌握以及工藝因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀影響討論，淡化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步理論分析。要求學(xué)生掌握材料壓電性能的形成機(jī)理，熟悉壓電陶瓷常用的制備、燒結(jié)、極化工藝及相關(guān)儀器（行星式球磨機(jī)、壓片機(jī)、程控箱式高溫電阻爐、極化裝置、準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)d33測量儀等）的操作，并能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以初步的分析與討論，比較校驗(yàn)工藝的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)所涉及的工藝復(fù)雜且工藝的實(shí)施對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，因此具有很強(qiáng)的綜合性，對提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能有極大的促進(jìn)作用。同時，組織學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開始前集體討論，確定實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)全程采取整體設(shè)計(jì)、分組實(shí)施的辦法，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再組織學(xué)生進(jìn)行對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論和總結(jié)，既兼顧了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性原則，又鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

二、結(jié)合培養(yǎng)方向，合理安排實(shí)驗(yàn)

教育是分層次和對象的，因材施教是教育的基本原則。在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，我們采用的是分段式教學(xué)方法，即對本科學(xué)生在大一下學(xué)期、大二下學(xué)期與大四上學(xué)期分三次，共4周（低年級為1周，高年級為2周），開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。其中，針對已修完無機(jī)化學(xué)課程的大一學(xué)生開設(shè)“用廢易拉罐為原料制備氫氧化鋁及其鋁含量的測定”、“三氯化六氨合鈷（Ⅲ）的制備與組成分析”、“去離子水的制備與水質(zhì)分析”等以無機(jī)化合物制備與定性分析為主要內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，旨在鞏固基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的常用實(shí)驗(yàn)操作，并在實(shí)驗(yàn)中加入對實(shí)驗(yàn)方案確定、實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)劣比較、實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)期與校驗(yàn)等簡單的討論，引導(dǎo)學(xué)生初步從照搬標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程“操作”實(shí)驗(yàn)向自己動手動腦“做”實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變；針對已修完分析化學(xué)、物理化學(xué)課程的大二學(xué)生開設(shè)“瓷土原料的系統(tǒng)化學(xué)全分析”、“電動勢法測定化學(xué)反應(yīng)的△rGm、△rHm、△rSm”、“非化學(xué)計(jì)量化合物NaxWO3的制備與鑒定”等以實(shí)際應(yīng)用與定量分析為主要內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，著眼于基本化學(xué)原理的綜合與靈活運(yùn)用，加大學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的比重，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)與結(jié)果的分析與討論，為學(xué)生進(jìn)入高年級的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；針對已修完所有專業(yè)基礎(chǔ)課，即將進(jìn)入畢業(yè)論文環(huán)節(jié)的大四學(xué)生開設(shè)“硅酸鋯結(jié)晶釉的制備”、“溶膠凝膠法制備納米TiO2粉體”、“熔鹽法制備鈦酸鉍鈉無鉛壓電陶瓷”等與材料的生產(chǎn)、科研有著緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基本上讓學(xué)生自由設(shè)計(jì)、預(yù)期、實(shí)施、分析實(shí)驗(yàn)，僅關(guān)鍵步驟由指導(dǎo)教師把關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對所得結(jié)論展開集體討論和總結(jié)，初步具備了小型畢業(yè)論文的規(guī)模，為學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)論文環(huán)節(jié)做好鋪墊。

通過上述分段式綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與常規(guī)課程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方法的掌握、學(xué)科思維的培養(yǎng)及動手能力的提高等方面都得到了充分的鍛煉，專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情被極大調(diào)動，初步具備了主動分析問題、解決問題的能力，滿足了材料類本科專業(yè)培養(yǎng)的要求。

三、改革教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般的教學(xué)模式為：首先，學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的內(nèi)容預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒄莆毡尘爸R、熟悉實(shí)驗(yàn)流程；隨后，指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解；之后，學(xué)生按照指導(dǎo)書上的流程操作實(shí)驗(yàn)；最后，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報告。不難看出，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于在實(shí)驗(yàn)的立意、思路、流程、操作等方面處處有標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，學(xué)生往往處于被動接受知識的狀態(tài)，容易按部就班的將實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程無目的地走完。雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在驗(yàn)證和鞏固已學(xué)理論知識和實(shí)驗(yàn)操作技能等方面確實(shí)有一定的作用和意義，但學(xué)生的主觀能動性受到了限制，掌握的知識零散，實(shí)驗(yàn)的目的性不強(qiáng)，難以得到多方位的鍛煉。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展則恰恰是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要補(bǔ)充。在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中改革教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生能力的多方面培養(yǎng)是最關(guān)鍵的問題。

在實(shí)驗(yàn)“瓷土原料的系統(tǒng)化學(xué)全分析”中，學(xué)生首先要了解瓷土原料是Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe等元素的復(fù)合氧化物，且其質(zhì)量組成中以Si、Al為主，再選擇合適的方式將瓷土中的各組分分離，進(jìn)行分別測定。分離的方式既可以選擇分析化學(xué)課程中講述過的沉淀分離法，也可以選擇氣化分離法。兩套方案實(shí)施的細(xì)節(jié)均由學(xué)生在教師的指導(dǎo)下預(yù)先集體討論通過，其重點(diǎn)放在如何有效分離Si、Al及Si應(yīng)如何富集上；Al、Ca、Mg的測定屬于分析化學(xué)中配位滴定的內(nèi)容，是學(xué)生已掌握的知識，但由于瓷土中三者的含量范圍相差較大且無法分離，無法完全套用學(xué)生所做過的“Al3+的反滴定法測定”和“水的硬度測定”這兩個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還需要結(jié)合分析化學(xué)課程中“混合金屬離子的分別測定”部分的內(nèi)容對實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)放在滴定過程中如何有效排除雜質(zhì)離子的影響上；Fe的測定則可以沿用實(shí)驗(yàn)“鄰二氮雜菲分光光度法測定鐵”。可以看出，該綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中包含了分析化學(xué)課程中除氧化還原滴定分析外所有的分析方法，具有很強(qiáng)的綜合性，同時，學(xué)生需要對實(shí)驗(yàn)過程預(yù)先思考、設(shè)計(jì)、分析、討論，實(shí)驗(yàn)中所有需要的試劑由學(xué)生自行配制，其理論知識綜合運(yùn)用能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)操作能力等均可以得到多方面的鍛煉與提升，真正對實(shí)驗(yàn)做到了知其所以然。

四、結(jié)束語

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)雖然有著許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，是相對先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，已在國內(nèi)各高校廣泛開展，但其在提升對學(xué)生教學(xué)效果的同時也大大提高了對指導(dǎo)教師的要求。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求指導(dǎo)教師具有更廣的知識面，更扎實(shí)的理論功底，更強(qiáng)的組織協(xié)調(diào)能力和更大的精力投入。如果離開指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)過程中的耐心指導(dǎo)和精心組織，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)就會完全背離課程設(shè)計(jì)的初衷，或者實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)要求南轅北轍，或者學(xué)生照搬照做與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無異。因此，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平或吸收業(yè)務(wù)水平高的骨干教師到專業(yè)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍中來是保證綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。此外，實(shí)驗(yàn)室硬件條件的改善、開放式實(shí)驗(yàn)室的建立健全、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷更新優(yōu)化都是更好開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的重要保障。

[1]朱曉霞，張勇，霍冀川，等.基于《化學(xué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)方法研究[J].廣州化工，2010，38（8）：273.

[2]梁兵.探析綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對學(xué)生能力的培養(yǎng)[J].百色學(xué)院學(xué)報，2009，22（3）：62.

[3]楊瓊，張來新，張衛(wèi)星.化學(xué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)與學(xué)生能力培養(yǎng)[J].化工時刊，2010，24（6）：76.

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