2021-4-9 | 材料化学论文
作者：刘捷 单位：郑州大学材料科学与工程学院
开发具有特色的材料化学实验体系，提高实验教学的整体水平，加强学生对基础知识的掌握和创新能力的培养，对理论联系实际、培养学生在实际工作中的应用能力具有重要的促进作用。通过对教学大纲的讨论和指导教师对实验过程的尝试，梳理实验项目的教学理念和思路，确立了涵盖无机、有机、高分子、复合等各领域的不同实验项目和单元。并引入具有创新性的实验内容，如在“原位聚合法制备纤维增强聚合物复合材料”实验中，分别引入碳纳米管和剑麻纤维作为纤维增强相，在使学生掌握原位聚合的概念和基本操作的基础上，也了解了当前研究热点的碳纳米管和天然材料在复合材料制备过程中的应用方法，对培养理科应用型人才具有不可或缺的推动作用。本实验在单元设置上主要包括基础性实验、综合性实验与设计性实验。
(1)基础性实验对基础理论知识、现象和结论的验证与实践所组织的实验项目。主要目的是掌握相关的基础操作如重结晶、蒸馏等，熟悉基本仪器设备的使用方法和操作，同时掌握课堂教学中重要的理论知识。设计思考题使学生在实验后动脑对实验过程中的问题和相关的原理性问题进行回顾，充分认识实验背后的基础知识和问题。如基础性实验“配合物三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾的合成”，通过该实验，学生不仅了解了三草酸根合铁(Ⅲ)酸钾制备方法，而且复习了抽滤、容量分析等基本操作方法，并可以在条件和时间满足的情况下，验证配合物的光化学性质，激发学生对实验的兴趣。
(2)综合性实验对较为复杂的实验体系和对象进行的综合性实验，一般学生可以自主选择实验试剂用量、转速、温度等完成实验。主要目的是让学生综合所学的基础知识，实现一定的实验目标。在实验讲义上，体现在某些方案和设计具有“可调性”，提高学生对知识的应用能力和实践能力，以及对学生团队合作能力的培养。如综合性实验“单分散二氧化硅微球的合成与组装”，在学生验证经典Stober方法制备单分散二氧化硅微球的基础上，让学生自主选择醇水比例、单体用量、温度等实验条件，制备不同规格的二氧化硅微球，并采用沉降法对各自制备的微球进行自组装。指导教师同时准备一系列自组装的单分散微球与学生进行对比和讲解，结合SEM、TEM照片使学生进一步认识自组装的基本原理和方法，为综合性设计实验奠定基础。
(3)设计性实验设计性实验是重点考核学生实验设计能力的特殊实验，具有部分实验考试的性质。主要目的是让学生在基础和综合性实验的基础上，具有查阅相关文献资料并独立自主设计实验方案的能力，是材料化学实验建设与创新的重要组成部分。首先给各实验小组(每组2～3人)确定不同的课题，如:“聚丙烯酸酯/纳米SiO2有机－无机复合压敏胶乳液的制备”、“溶胶凝胶模板法制备氧化锡纳米纤维”、“低聚壳聚糖稀土铈(Ⅲ)配合物的合成”等。要求每个小组成员合作共同设计出完整的实验内容，包括实验原理、实验步骤和方案以及可能遇到的问题，然后每小组向实验指导教师汇报实验方案，详细介绍实验方案的设计思路和基本原理。最后根据实验设计情况和实际条件，安排在教学或科研实验室进行相关实验的实施。在此过程中，可与各科研实验室紧密配合，采纳各教研室的意见，为学生在四年级本科毕业论文设计打下坚实的基础。
结合教学与科研，鼓励学生参与科研
参与科研项目对培养理科应用型人才具有积极作用。将学科建设与实验教学建设相结合，实验教学内容与科研项目和成果相结合［4－5］。鼓励学生参与各科研课题组的实验项目，对有创新能力和较强自学能力的学生因材施教。我校近年来一直实施大学生创新实验项目，以学生为主导开展创新性、研究性实验，取得了很好的效果。在材料化学实验建设过程中，围绕相关的课题组和创新性实验项目，强化相关实验技能和研究能力的培养，实验平台为创新性实验学生开放，拓展学生进行科研和创新的空间。我校材料化学学生入校成绩优秀，绝大多数学生综合素质好，学习能力强，但实践和动手能力由于机会较少而相对偏弱。如何激发学生的创新意识和动手激情，强化动手能力是我们需要解决的问题。通过本实验基础性、综合性和设计性实验三个层次的实验教学体系的建设与实施，为学生提供科研平台和发挥创新能力的场所，满足学生的学习需求和研究兴趣。在每个实验过程中，指导教师尽可能结合实验基础知识和科研成果，向学生介绍科研的方法和经验，培养学生的科研意识与素养，使学生在面临以后的科研与工作时具有足够的理论和实践知识，少走弯路，有利于理科应用型人才的培养。
增加讨论环节，建设为理科应用型人才培养服务的教学模式
理科学生对理论知识掌握较为扎实，增强其理论联系实际的能力是亟待解决的问题，也是培养理科应用型人才的必经之路。在材料化学实验教学过程中，学生完成实验预习之后，指导教师除进行实验前的安全性教育、实验原理讲解、步骤和注意事项说明等传统教学模式，还应根据实验项目增加讨论环节。讨论环节可在实验完成后或实验中，与学生就思考题和所制备产物的表征方法、表征结果进行讨论，这要求指导教师充分准备每个实验，预先对产物进行物理和化学表征，将结果在讨论过程中向学生进行展示和讲解，可以极大地增强学生的学习兴趣和理论联系实际的能力。同时，准备一些实例，如纳米二氧化硅在一些领域的用途、纤维增强复合材料提高力学性能的情况等，使学生在材料化学实验过程中虽然由于时间因素无法参与完成所制备产物的物理和化学表征，但能够通过观察和对比分析，对各门课程之间的联系和实际应用有更为深入的了解。改变教学模式的目的是在学生动手的同时学会动脑，因此在讨论过程中不仅要讨论上述理论问题，还要就实验中遇到的各类操作问题进行分析，使学生从原理上了解为什么，而不是仅仅知道怎么做。如有同学曾在三颈瓶侧口所接的冷凝管上口自行加装空心磨口塞，这种情况就要与学生讨论，为什么不能加磨口塞，在三颈瓶内形成密闭体系会有何危险。对于这类涉及安全问题的操作，必须重点强调其潜在的危险性。另外有学生在搅拌过程中搅拌棒叶片经常不打开，在讨论环节就要分析其对聚合等实验的影响，并请学生试验如何能快速有效的打开搅拌棒叶片，提高其实际动手能力。