“无机材料科学与性能实验”课程教学探讨

朱玲玲, 周 颖, 毋雪梅, 辛荣生, 孙春晖, 叶国田

(郑州大学 材料科学与工程学院, 河南 郑州 450001)

“无机材料科学与性能实验”课程教学探讨

朱玲玲, 周 颖, 毋雪梅, 辛荣生, 孙春晖, 叶国田

(郑州大学 材料科学与工程学院, 河南 郑州 450001)

以“水泥浆体水化过程中pH值的测定”“水泥浆体水化过程中黏度的测定”和“陶瓷浆体ζ-电位的测定”实验为例,对材料科学与工程专业“无机材料科学与性能实验”课程的教学现状及问题进行了分析与探讨。通过优化实验内容设置、构建高效“教”与“学”机制、改革考核方式、强调科研习惯养成等改革措施,将“教”与“学”互动贯穿整个实验教学,充分调动了学生参与课程实验的积极性和主动性。

无机非金属材料； 课程实验； 教学改革

“无机材料科学与性能实验”是无机非金属材料专业本科生开设的一门专业必修课,旨在加强实验基本技能的训练和培养学生理论联系实际的能力,使学生掌握无机材料科学与工程领域所涉及的实验方法、实验原理和测试技术,培养和提高学生实际动手能力、分析和解决问题的能力以及工程设计的能力,以适应现代材料工程对工程技术人员知识、能力与素质的全面要求。以新开设的“水泥浆体水化过程中pH的测定”“水泥浆体水化过程中黏度的测定”和“陶瓷浆体ζ-电位的测定” 实验为途径,以我校材料科学与工程学院无机非金属专业的30名大三学生为教学对象,通过多项改革措施充分调动学生对实验课程的积极性和主动性,培养学生的综合能力。

1 “无机材料科学与性能实验”教学现状

近年来,随着教学改革的不断深入,为了更好地提高大学生的实验设计和动手操作能力,培养全面发展、各方面更具竞争力的创新型人才,各高校纷纷综合国家、省市、学校和院系各方面的力量,充分研讨现有课程实验体系,积极进行大学生实验教学的改革[1-5]。教学内容在不断革新结构、充实内容的基础上日趋完善,教学手段在多媒体信息技术的带动下逐渐呈现多样化、丰富化等特点。课程实验的不断发展和完善可以更好地满足学生的真实需求,对培养学生的动手能力提高学生的综合素质具有很大的积极作用,但是在具体实施过程中仍然存在很多问题。

首先,有些任课教师需提高实施实验教学的综合素质。在实际实验教学过程中,教师应时刻以学生为完成实验的主体,更好地发挥教师作为引导者而非灌输者的作用。在很多本科高校的实验教学中,由于教师担心学生对相关理论知识的掌握并不是十分透彻,为了保障实验的顺利进行,所以每次做实验时都进行大量细致而烦琐的讲解,导致大量时间的浪费[1]；另外,当学生在实验过程中遇到问题时,为了不影响实验的进度,个别教师倾向于直接告诉学生解决方案,而不是去引导、启发学生自行解决,导致学生对实验过程、实验原理理解不深刻、不透彻。对实验过程中的异常情况缺乏行之有效的处理手段,不利于培养学生独立思考和解决问题的能力。

其次,部分大学生的实验习惯和实践动手能力有待提升。除了高校教师需要注意掌控整体实验教学进度,作为教学主体的大学生更是需要端正实验态度及注意提高自己的动手能力。实验过程中,教师给学生讲解正确规范的实验操作是培养大学生良好科研习惯的第一步,也是使学生终生受益的重要教学环节[5],然而相当一部分学生不以为然,不能理解教师的良苦用心；另外,由于实验设备的数量有限,很多情况下实验教学都是分组进行,容易导致部分学生混在实验小组中充当“南郭先生”,实验前不愿预习、实验中不愿动手,实验报告也是应付了事。

此外,实验课程的设置需要进一步优化。合理的课程设置是实验教学改革的一个重要问题。在校学生反映实验任务繁重,几乎每门专业课都有课程实验,而且部分实验存在操作重复现象,有些实验的思路设计落后实际工业发展水平,存在实验设备陈旧等问题。这类实验对学生专业能力的培养意义不大,在学生课业繁忙的情况下还容易导致学生的逆反心理。合理的实验教学内容是保证课程实验教学效果的关键,也是有效培养学生综合素质的关键。

2 构建高校“教”与“学”机制

建立并遵循高校“教”与“学”机制是保证课程实验教学效果的关键[6-8]。美国著名学者布鲁巴克曾提出:“最精湛的教学艺术, 遵循的最高标准就是让学生自己提问题。”[9]在课程实验教学过程中,任课教师应彻底摒弃实验教学是以传授和验证知识为目标的旧观念,增加实验的综合性、设计性和创新性,增强学生在课程实验实施过程中的参与度,充分发挥“教”与“学”的互动,从而激发学生的主动性和积极性。

为了提高“无机材料科学与性能实验”的教学质量,我们根据无机非金属材料行业目前的发展状况,新开设了“水泥浆体水化过程中pH的测定”“水泥浆体水化过程中黏度的测定”和“陶瓷浆体ζ-电位的测定”3个课程实验,并致力于在其实施过程中构建并遵循高效“教”与“学”机制。

首先,保证每个学生都参与“设计实验体系-探讨可能出现的问题-提出应对方案-拟定实验步骤-分工协作-分析总结”这一完整的研究过程。根据实验设备的数量确定合理的分组数目,并把分组的主动权交给学生；然后引导学生运用已掌握的专业基础知识、结合实验讲义、查阅相关资料，提出具体设计思路和拟定实验方案。克服了学生可能只是观测实验或验证实验的老问题,充分调动学生的主观能动性。

其次,在“无机材料科学与性能”的实验教学过程中增加“课前提问”和“实验操作考核”环节。在开始讲课前随机选取每个实验小组的部分学生进行有关实验的基本思路、实验设备的操作原理及注意事项等课前提问,通过学生的回答掌握其对理论部分的整体理解程度,将个别课前预习效果太差的学生安排到下一轮的实验分组,从而在督促学生保证实验预习效果的基础上合理安排实验时间。

由于“陶瓷浆体ζ-电位的测定”实验正好需要运用在“水泥水化过程中pH值的测定”实验中掌握的实验方法和技能,我们选择将“陶瓷浆体ζ-电位的测定”实验中高岭土—水的pH值测定作为实验考试,学生需独立进行操作。实验过程中指导教师进行巡视,观察学生的操作水平,并对每个学生的实验结果进行评分。这不仅有利于加强学生将所学内容与实际应用相结合的意识,也可以促使学生在实验过程中互相监督,充分调动每个学生对实验的参与性。

在实验教学过程中,特别注意培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力:

(1) 在“水泥水化过程中pH值的测定”实验中,有学生提出,每隔固定时间测试水泥浆体的pH值时,是否停止磁力搅拌会影响测试数值的疑问,据此顺势引导学生自发组织做分组对比实验。

(2) 在“陶瓷浆体ζ-电位的测定”实验过程中,学生在向注入水或待测样品的比色皿中插入十字标或电极时常常出现气泡,影响ζ-电位测试的准确性,而工程师建议的轻弹赶气泡方法并不理想且耗时很长,对此问题，有学生在实验过程中发现，通过调整比色皿中溶液的加入量可有效避免这一现象的出现。

(3) “水泥浆体水化过程中黏度的测定”是3个实验中最富挑战性、也是最有利于学生开拓思路的实验,学生可根据自己的兴趣点,通过改变转子类型、转子型号、转速及浆体水灰比等一系列实验参数,设计不同实验体系下水泥水化过程中黏度变化规律的测试,从而充分理解转子类型/型号/转速的选取原则,并结合水泥加入速度等实验细节，摸索出控制扭矩范围在60%～70%的最佳参数组合。这个过程中每个学生的测试数值,都有可能影响整体变化规律的科学性与准确性,因此对于提高学生的团体协作能力以及充分掌握非牛顿流体的特性，都具有重要意义。

3 提高实验教学效果的其他方案

要保证大学生课程实验的教学效果,有效锻炼学生的工程实践与创新能力等综合素质,不仅要遵循高校“教”与“学”相结合的实验教学机制,还应该注意以下几个方面[10-12]:

(1) 材料科学与工程课程实验教学的“与时俱进”。“无机材料科学与性能实验”作为材料科学与工程专业无机非金属材料方向的重要实验课程,应面向工程与生产实际相结合,在实验内容、实验方法及实验设备等方面都要与行业现有发展水平密切联系。注意实验教学设备的维护和更新,并积极引入新的实验手段,真正使学生学有所用。

(2) 建立全方位多层次的综合考评机制。实验教学之所以常常流于形式,主要由于实验课程的成绩评价标准比较片面,很难反映实验教学的实施效果。学生的实验报告只能作为学生课程实验成绩考核的一个方面,学生在具体实验过程中的参与程度及其在实验小组中的团队协作表现都应纳入考评。比如,实验预习情况、课堂纪律、实验操作的规范性等方面应该和实验报告一起列入综合评定基础成绩的衡量范围,与此同时,也应该通过实验操作的抽考,对实验过程中能否发现问题、提出问题和解决问题,实验报告分析中是否有自己的独立思考与见解等方面来评定成绩。

(3) 培养学生严谨实验、规范操作的习惯。大学实验教学是养成学生良好习惯的重要平台,不仅实验过程中所用主要仪器设备(梅特勒台式PH计SevenCompact系列S220多参数测试仪、博勒飞DV2T型旋转式黏度计、JS94H型微电泳仪)的使用要严格遵循操作规程并按要求填写实验记录,实验中用过的药品也要及时归位,烧杯、试管及玛瑙研钵等使用完毕后也要及时清洗干净,而且实验结束后应自觉清理实验台并打扫实验室卫生。良好的实验室操作习惯是学生科学素养的重要体现,规范操作习惯的养成会使学生受益终生。

4 结语

通过“水泥浆体水化过程中pH的测定”“水泥浆体水化过程中黏度的测定”和“陶瓷浆体ζ-电位的测定”3个课程实验, 将“教”与“学”作为一对有机体贯穿于整个实验教学中,充分提高了学生的积极主动性、参与度、动手实践能力、团队协作能力、分析问题和解决问题的能力。在教育改革的大趋势下,学生的动手能力和自主学习能力成为衡量教育质量的重要指标之一,我们保持教学思维的与时俱进,不断更新适合现阶段行业发展水平的教学方法,确保学生在实验教学过程中培养扎实的专业基础和良好的科研素质,才能使其在走向工作岗位后真正成长为材料行业的中流砥柱。

References)

[1] 黄庆斌.高校本科实验教学存在的问题及改进措施探究[J].教育界,2015(3): 125-125,127.

[2] 朱玲玲,叶国田,周颖,等.材料类专业大学生创新实验项目的实践与思考[J].实验技术与管理,2013,30(5):178-180.

[3] 曾树洪,唐明星.应用型地方本科院校创新实验室的建设与管理模式探索[J].实验技术与管理,2015,32(7):16-18,29.

[4] 赵秀芬,刘树堂.高校本科实验教学现状分析及改进措施[J].考试周刊,2009(28): 206.

[5] 孙会芳,刘占广,张爱群.高校大学生动手能力浅析[J].中国科技信息,2007(17): 263-264.

[6] 王晓萍,刘向东,刘旭.课程实验在工程创新人才培养中的作用及实践探索[J].中国大学教学,2012(1):74-76.

[7] 王荣华.推进课程共享与教学改革全面提升大学教学质量[J].通讯世界,2015(10): 218-219.

[8] 王堃,蒋建新,朱莉伟,等.植物纤维化学课程实验的思考与改革[J].中国现代教育装备,2012(13):69-71,79.

[9] 徐海伟,高珊珊,李永红,等.实验教学与大学生创新能力培养[J].中国中医药现代远程教育,2011(13):22-23.

[10] 沈元华.基础物理实验教学的“与时俱进”:复旦大学物理实验课程改革介绍[J]. 大学物理,2002(12):42-44.

[11] 刘静,何静,王波.“天然化合物结构分析技术”课程实验教学改革的思考[J].中国林业教育,2015(3):46-49.

[12] 邓华锋,李建林,王乐华,等.提高土木工程专业课程实验教学水平的思考[J].高等建筑教育,2015(1):119-122.

Discussion on teaching of Experiments for Inorganic Materials Science and Properties course

Zhu Lingling, Zhou Ying, Wu Xuemei, Xin Rongsheng, Sun Chunhui, Ye Guotian

(School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Taking the “Determination of pH value on cement paste hydration process,” “Determination of the viscosity on cement paste hydration process,” and “Determination of Zeta-potential value of the ceramic slurry” experiments as examples, the current teaching situation and issues of the Experiments for Inorganic Materials Science and Properties are fully analyzed and discussed. The interaction between “teaching” and “learning” runs through the whole experiment teaching process, and the quality of experimental teaching is significantly improved by the optimization of designing experimental content, construction of efficient “teaching” and “learning” mechanism, reform of evolution mode and emphasis on forming scientific habits, which is not only beneficial to mobilizing the students’ initiative and enthusiasm for scientific research, but also helpful to improve their scientific research quality.

inorganic nonmetallic materials; course experiment; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.047

2016-08-07

2014年度河南省高等教育教学改革省级研究项目(2014SJGLX120)；2014年度郑州大学优秀青年教师发展基金项目(1421320048)； 2015年度NSFC-河南人才培养联合基金项目(U1504526)

朱玲玲(1983—),女,山东淄博,博士,讲师,主要研究方向为无机非金属材料的制备与应用.

E-mail：llzhu@zzu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)2-0183-03