材料化学创新实验教学实践与探索

任智卉　刘斌

摘 要：分析总结西北大学材料化学创新实验课的教学实践经验，探索教学方法以加强学生对该创新实验课程的认识与理解，旨在提升学生的学习积极性、创新意识和综合能力。

关键词：创新实验；材料化学；综合能力

中图分类号： G642.423 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-174-2

0 引言

材料化学与材料物理、材料工程一起构成材料科学的三块基石[1]。材料化学作为一门将材料科学与化学相结合的新兴学科，主要研究材料的制备、加工和性能等方面的化学问题。相较于化学的其他学科分支，材料化学专业具有更明确的应用性质，是20世纪80年代新兴的本科专业[2]，内容包含金属材料、无机非金属材料、高聚物材料等。化学是一门理论与实验相结合的课程，同样材料化学课程的建设也离不开相关实验的支撑。近年来，西北大学化学与材料科学学院实验教学示范中心通过对大四本科生开设创新实验课，培养学生对材料化学学科发展前沿的认识与了解，开阔学生的视野，增强学生的实验创新能力，对大四材化专业学生进行更深层次的专业实验培养与教学实践。

目前其材料化学创新实验室已具备基本的材料合成基础设施，配备合成室、准备室、仪器室、高温室，占地200多平方米，拥有多型号马弗炉、球磨机、德国IKA电磁搅拌器、德国赛多利斯分析天平等用于材料合成的仪器，同时国家级化学实验教学示范中心拥有布鲁克D8型XRD粉末衍射仪、S3500型激光粒度仪、台式扫描电镜等测试仪器，为材料化学创新研究提供实验良好的实验合成制备及测试条件。在开课5年多的时间里，材料化学实验课程不断地完善与提高，目前已经涵盖染料太阳能电池、PTC陶瓷材料、MOF多孔材料、纳米材料、高分子材料等的合成制备与性能测试实验，为培养多方面发展的学生提供了良好的实验教学条件，本文对材料化学创新研究实验的开设过程与经验进行简单总结，并就其实验课程教学实践与探索谈一点心得体会。

1 材化创新实验课程准备

1.1 选材新颖，跟随热点，不断发展，拓展学生视野

材料化学创新实验课，重点旨在突出创新，所编辑实验内容，皆为教师的研究课题演变而来，即每个实验都由一个研究课题及其结果进行梳理、编写，取材新颖，联系实际与热点，向学生充分展示材料化学的应用性与发展前景。例如，所开设的染料敏化太阳电池的制作与转化效率测试实验，其内容联系现在研究热点的太阳能电池，让学生了解光电转化机理的同时，学习掌握TiO2纳晶多孔膜的制备技术以及其在太阳能电池研究上的重要意义。通过实验巩固基础理论与操作的同时，也可拓展学生的知识面，消除学生对本专业学习的茫然性，为学生即将进入继续深造或工作提供新的思路与见解。

与传统的基础实验不同，创新实验课是一门不断创新发展的实验课程，作为材料化学专业的实验支撑内容，实验的编写紧贴其前沿发展方向，故材化实验课程是个动态的实验课，它在充实原有实验的基础上，不断地更新、发展新的实验内容。自开课之初发展至今，创新实验课已经由4个实验内容发展、更新至7个完整实验，涵盖无机材料、高分子材料与纳米材料的合成与性能测试等内容。材化创新实验的开设，在夯实学生的基础性操作的同时，培训学生压片、离心、煅烧等更专业化的实验操作，实验内容的发展与完善，为学生提供了解和学习材料化学研究前沿知识的机会，拓展学生视野，将动手与动脑有力结合，提升学生综合创新能力。

1.2 提前讲解，形成框架，相互结合，调动学习积极性

化学专业的大四学生，在经历基础、综合性的实验培训基础上，对化学实验的学习有了更高层次的要求与理解，针对这些特点，在开课之初，利用两个星期，4个学时的时间，先将材料化学前沿、热点进行讲解， 材料化学前沿性与应用性相结合的特点，能够及时抓住学生的注意力，充分调动学生学习该课程的积极性。

随后在介绍实验背景的前提下，将实验设计理念、实验设计的合成内容以及所合成材料的测试进行简单讲解，从而形成一个整体的实验框架，着重强调整个实验过程的系统性，形成提出问题、分析问题、解决问题的一个科研探索过程，来培养学生进行科研工作的基本素养。负责该创新课程的教师为教材编辑老师，熟悉实验来源且立于教学与科研工作一线，能够结合相关化学知识与前沿研究内容进行讲解，为材料化学创新实验课教学实践提供良好的师资保障。如微波辅助水热合成微孔配位聚合物MOF-5实验，在讲解时将配位化学、晶体化学、功能材料等内容与近年来研究热点的微波合成方法相结合，进一步巩固所学理论知识的基础上，为学生讲授新研究成果，大大提高学生的学习兴趣，提高学生综合学习能力。

2 材化创新实验课程实践

2.1 灵活安排，合理分割，掌握节奏，提高实验效率

实验内容衍生自教师的科研课题，具有时间长，连续性高，仪器专业性强等特点。考虑到学生课程的时间分散性，在实验课开始之初，针对实验内容进行有效的归类与分割，同时教师在实验过程中控制好学生的操作进程，掌握实验的节奏，提高实验效率。具体采用以下方式：

①根据实验个数和每周开课时间将学生有效分组，每天安排7组实验操作，进行大循环实验过程[3]；

②将两个具有相关性的实验进行交叉串联，如将BaTiO3纳米粉的溶胶-凝胶法制备表征与PTC陶瓷材料的制备与测试两项实验相糅合，确保在两周时间内，同时完成两项实验内容；

③将实验过程中的操作等候时间充分利用，如干燥配合物MOF-5等待测试的空隙，可安排进行反相乳液聚合法制备聚丙烯酰胺絮凝剂实验的合成部分；

④对于需要20多学时的创新研究型实验，将实验过程合理分割，如染料敏化太阳电池制作过程中，指导、督促学生抓紧时间，第一次实验时紧凑完成TiO2多孔膜电极的制备后浸泡入染料溶液中，再一次实验时制备纳米铂黑对电极、组装电池，最后进行电池组装和性能测试。

相比于内容固定、时间长短不一的基础实验课程，创新实验这种灵活多变的安排方式，能够最大限度为学生提供了解学习实验的机会，使得整个创新型实验课程内容更系统、紧凑，提高学生学习效率和时间紧迫感，为学生的进修奠定基础。

2.2 小组开课，加强互动，解析仪器，开拓专业视角

由于仪器偏于专业化，而且配套数量有限，为保证教学质量，材化创新实验开设时，每个实验以2-3人为一个小组。这样在每个实验进行时，保障学生与老师能进行面对面的探讨与交流，这种小班式的开课过程，避免出现不分主次、重复讲解消磨学生过多的实验热情的情况[4]。

创新实验注重培养学生的思辨与综合能力，实验过程中教师鼓励学生自行思考实验所出现的现象与问题，克服传统的实验教学过程中存在的学生只动手不动脑、千篇一律、不敢提问等弊端。待完成材料的合成，先介绍专业性仪器的性能与用途，再进行合成样品的解析。如通过激光粒度仪测量所合成微米和纳米粉体粒径的分布情况；通过对合成材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，核实材料的成分、材料内部的结构；通过扫描电镜测量对所合成材料的形貌-性能相关性进行研究等。通过专业仪器测试，学生学习鉴定、测试、分析新合成材料的方法。材化创新实验教学不仅仅局限于实验操作，更注重学生科研素质的培养，为学生开拓更高的专业性视角，以培养学生进行功能材料的设计、制备性能测试等方面的创新意识与能力。

2.3 虚实结合，注重启发，鼓励思考，培养综合能力

在实验开课过程中，我们发现仍存在程度不一、相对薄弱的现实问题：

①少部分学生在学习、动手实验过程中存在学习目标不清、学习缺乏自主性[5]；

②大四学生面临人生岔口时，偶尔出现的学习浮躁性、盲目性等。

面对这些现实性问题，我们在教学过程中尝试进行以下改进：

①结合虚拟仿真实验的建设，借助虚拟仿真软件与设施，进行实验讲解与模拟预习，尤其针对学生现下条件无法完成的虚拟化实验进行介绍，利用专业化而且学生普遍接受的学习软件，达到随时随地可通过电脑甚至手机即可了解和学习该实验课程的目的，以增强学生学习积极性；

②注重启发学生，尤其是遇到不同的实验现象时，循序渐进地对学生进行引导，以寻求解决办法，活跃课堂气氛的同时，给学生提供更多的自主与发挥的空间，若学生提出自己解决问题的方法时，还可安排进行分组对照实验，以提高学生分析、创新的综合能力；

③设置多样化的成绩评定方式，不拘泥于单纯考勤、实验操作、实验报告等评定项目，增加讨论对照实验、实验改进等方面的成绩奖励，对学生能力进行肯定以加强学生的参与感与责任心，提高学生对于该实验课的重视程度，提升学生的综合能力。

3 材化创新实验课程成果

3.1 拓展学生专业实验知识层面，理论联系实际，激发学生学习的兴趣

本创新实验从立题到实验整个过程，将材化课程研究前沿和生活实践相紧密结合，更加强化实验课程的专业性，专业仪器解析功能与培训，开拓学生专业性视角，增强学生对材化知识的运用实践，使学生体验学而致用的实验过程，从而大大激发学生的学习兴趣；

3.2 启发实验创新思维，强化学生实验操作技能，提升学生综合素质

本创新实验课程，除基本实验操作外，增加研究型实验操作，启发学生进行创新性思维，鼓励学生探索、解析实验现象，强调动手与动脑的真正结合，巩固基础实验技能，学习运用更专业性实验操作技能和实验测试解析手段，提高学生整体综合素质；

3.3 巩固相关专业知识，拓宽学生科研思路，提高学生科研素养

本创新实验课联系功能材料、配位化学、结构化学等几门基础专业课，巩固专业知识的同时，为学生进行科学研究做铺垫，包括选题、实验、测试、应用等过程，符合高年级学生追求独立实验的需求，培养学生独立科研能力。

4 结束语

材料化学创新实验是化学专业学生一门重要的实验课程，特别对于材料化学专业的学生而言，这是一门专业支撑性的实验课程。对这门新兴的实验课程，由于没有更多的经验可以借鉴，我们的开课过程也是摸索与完善该实验课的过程。在经历了5年多的学习、努力与总结，该实验课取得了很好的教学效果，对学生综合、创造能力的提升有显著的成效。特别是对于考研和寻求工作的大四化学专业的学生，材化创新实验课程所提供的前沿、热点性实验内容，开阔学生眼界，拓展学生的知识层面，向学生展示材料化学研究的系统性、应用性，对学生今后的学习和工作具有良好启发和能力提升作用。以上是笔者在材化创新实验课程教学中的一些教学经验总结，在今后的工作中还需要不断总结、探索，才能提升自身专业与教学素质，辅助教师将创新实验课程建设更好，以全面提升学生的综合学习能力和专业素养，为培养高素质的创新型人才打造坚实的基础。

参 考 文 献

[1] 杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，2003.

[2] 曾人杰.大学化学，1998，13（4）：1-5.

[3] 刘斌，杨建辉.大学化学，2015，30（3）：51-55.

[4] 张荣兰，杨维兴，王骊丽，等.大学化学，2016，31（3）：23-27.

[5] 司开林.教育探索，2013，12：16-18.