环境功能材料综合实验的教学改革探索

＊张弛 苏紫颖

（1.河海大学力学与材料学院 江苏 211100 2.上海市水利工程集团有限公司 上海 201600）

环境功能材料主要是指具有独特的物理、化学、生物性能，并具有一定环境净化效果的新型材料[1]，在当今环境矛盾日益突出的社会发展背景下备受关注。伴随着材料学科的不断发展，社会对材料专业学生的理论知识和实践能力有了更高的要求，专业化的实验课程进而成为必不可少的重要基础课程[2-4]。为了提高专业实验课程的教学质量、社会适用性以及与时俱进性，实验课程的改革探索日益得到重视，越来越多的教学工作者提出了新的改革研究及相应的优化[5-7]。然而，目前针对环境功能材料综合实验的教学改革仍较为稀缺，对该课程的教学改革探索尚待完善。

随着我国科技和经济的不断进步，各个基础学科也被同步推动发展。值得注意的是，交叉科学集分化与综合于一体，实现了学科的交互性和整体性的统一[8-10]。同时学科交叉隶属于新的科学前沿，通过不同学科的研究人员打破单一学术领域的界限，能够对瓶颈性问题进行综合性研究，极有可能带来新的重大突破，进而促使科学发生革命性变化，具有巨大的社会价值。在新的时代发展阶段里，我国仍需强化科学和技术的快速发展，故需进一步提倡学科交叉并注重交叉科学的发展。

材料科学和环境科学在我国经济发展和社会发展中占据着重要地位，故而国家新时代发展也推动了材料科学和环境科学的不断进步。其中，材料学科的形成是科学技术发展的结果，并且材料学科也是当代科学技术的发展基础[11]。而环境学科的形成是人类社会发展的结果，为环境污染的严重现实和社会的迫切需要所驱动，研究人类生存的环境质量及其保护与改善的科学[12]。一方面，不恰当地开发和使用材料导致了众多环境污染与能源浪费的现象，另一方面，材料又是解决许多环境及能源问题的关键技术。两种学科之间有着密切的关联，其交叉教学可以促进人才紧跟科学化建设的发展，同时也可以促进学生科学概念的不断完善。为了实现人才培养的与时俱进，材料学科和环境学科的交叉教学被提上日程。

材料学科的综合实验课程主要围绕着材料设计、制造、工艺优化及合理使用，而环境学科主要围绕着人类生存的环境质量及其保护与改善。随着人口的增长和工业的发展，各类环境问题不断爆发，人们逐渐认识到环境保护的重要性以及污染治理的迫切性[13-15]。材料学科的综合实验可研发并改进一系列新型环境功能材料，从而为各类环境的治理应用提供技术支持。其中，环境功能材料的提出进一步证实了二者之间的交互关系，即指对环境无害的并可应用于实际环境保护的功能材料[16-17]。因此，基于材料和环境之间的交互性密切关系，环境功能材料综合实验的教学改革对环境问题的解决也具有重大意义。

1.环境功能材料综合实验的教学现状

国内部分高校的材料科学与工程专业的实验课程包含了环境功能材料综合实验，综合实验课程所用讲义多数为自编的实验指导书，实验学时一般可设置为30学时，实验内容可以具体分为6个实验（即每个实验占5个学时），涉及环境功能材料的热烧结制备实验、环境功能材料的化学组成分析实验、环境功能材料的力学性能测定实验、环境功能材料（建筑材料类）的抗压强度测定实验、环境功能材料的电化学性能测定实验、环境功能材料的稳定性评估实验等内容。该课程作为一个基础实验课程，可使学生对所学的专业知识有一个整体了解和直接感知。通过该课程的学习，学生可从环境功能材料的设计、环境功能材料的制备和成型以及性能的检测全过程得到训练，提升综合运用专业知识的能力。然而，目前的环境功能材料综合实验仍存在着以下突出性的问题：

（1）综合实验教学的课程已经不能满足现在的专业培养目标要求。现有的环境功能材料综合实验课程缺乏跟随时代前沿性变化的动态调整机制。随着时代的发展，更多种类的环境功能材料逐渐出现，制备技术和环境应用也不断地发展，而目前的实验课程仅仅固定在之前的课本知识上，缺乏前沿性实验及环境功能材料的应用展望，并且现阶段的环境功能材料的实验模式较为固定，导致学生实验操作技能与现代社会专业要求略有脱节。

（2）综合实验教学的设备台数分布不均。环境功能材料综合实验需要依赖于大型实验仪器实施，而部分大型实验仪器由于仪器所需资金、仪器管理人力、材料反应时间的限制而出现数量匮乏问题，直接导致部分学生无法直接接触实验设备，限制了学生的课堂实践操作，最终影响了实验课程的教学效果。

（3）综合实验教学的创新性不够。现有的环境功能材料综合实验教学方法主要依赖于基础的课程内容，通过阅读环境功能材料综合实验指南书，依赖于老师对课程内容的解读和演示实施，导致学生按部就班、缺乏独立思考的能力和自由发挥的空间，进而降低了学生们在课堂讨论的积极性和参与度。

（4）综合实验的教学思路单一。学科交叉不仅能促进现代科学的进步，同时也能为课程教学提供新的方向。人才培养应紧跟科技发展的步伐，专业教育也应当与时俱进。然而现有的环境功能材料综合实验教学思路偏重于材料设计、制造、工艺优化的教授，而忽视了材料功能及合理使用的介绍，不能有效地对学生的“可持续发展”思想产生引导作用。

2.环境功能材料综合实验的改革措施

通过对实验课程的教学内容解析，主要提出以下几个方法来改善上述环境功能材料综合实验所面临的问题：

（1）更新教学内容：通过对教学内容的时代性思考，在课程教学中加入最新的环境功能材料研究进展和方向，例如，结合国家生态文明建设、“双碳”目标等政策导向和形势发展，引入“生态环境材料”“低碳环保材料”“新能源材料”的教学内容。此外，材料学科的综合实验课程可鼓励学生研发并改进一系列新型的环境功能材料，包括再生资源回收利用、节能减排、低碳发展、绿色发展、可持续发展等理念，从而为水体、空气、土壤等环境的治理应用提供技术支持。同时结合课程教学内容进行调整和改善，可以使得学生掌握综合实验课程所学知识的具体应用，进而使得专业培养与现代人才培养目标相吻合。

（2）调整实验时间：在经费、人力等实际客观条件的限制下，额外采购大型实验仪器的诉求难以落实，因此，采用错峰实验法使得实验时间的设置趋向自由化成为一种更切合实际且更为便捷的选择。首先对学生进行统一的基础培训，使学生掌握实验设备的运行原理和使用方法以及实验结果的分析原则和检测方法，然后将学生分为数组进行错峰预约实验时间和设备，保证每位同学有充足的时间参与至实验课程学习。

（3）改革教学模式：传统的教学模式主要是以老师为主体，通过老师对所要探究的实验内容进行示范和演绎，然后学生模仿实验过程，即进行机械性重复，缺乏对课程的自主性认识和深度思考。因此，建议首先将学生进行细化分组；然后在实验开始前通过小组讨论的方式初步拟定实验方案，并要求每位学生参与；最后通过老师讲解确定实验方案的可行性并自主开始试验。

（4）强化交叉教学：环境材料学是一门涉及环境、材料、自然、社会、技术、管理等诸多领域的交叉学科，主要内容可概括为两个方面[18-19]：一是探讨在材料的制备加工和使用过程中减少对人类生存环境的影响。二是探究如何通过材料的合成和应用以改善人类生存环境。建议将可持续发展和资源保护意识引入材料综合实验专业课程，帮助学生在今后的学习成长过程中树立可持续发展意识，利用自己所学到的材料知识以解决社会面临的环境问题，并积极鼓励学生开发利用环境友好性功能材料以实现环境污染的绿色修复；同时帮助学生拓宽学习思路，使学习专业培养方向与未来应用发展趋势相吻合。

环境功能材料综合实验课程实现了材料学科与环境学科的紧密结合，二者相辅相成，协同促进材料和环境的学科发展。科技的发展是一把双刃剑，正像材料的研发与环境的保护之间的关系。通过新材料的研发可实现快速高效的环境污染治理及修复，但新材料的研发和使用过程也可能会产生环境风险。现如今，部分高校已开设了环境材料学、环境功能材料、环境功能材料相关实验等课程[20-24]，将交叉教学应用于实际教学工作中（表1）。

表1 国内知名高校开设的环境材料学、环境功能材料、环境功能材料相关实验课程情况表

环境材料学的教学内容偏重于环境材料的基本概念及定义、影响因素、评价方法、意识形态等，即重视学生对环境材料的理论知识学习；环境功能材料的教学内容则偏重于环境材料的功能性、结构设计、技术应用等，即重视学生对环境材料的实际应用；而环境功能材料综合实验的教学内容侧重于环境材料的制备技术、组分分析、性能测定及评估等，即依托于环境材料学和环境功能材料的理论基础和应用展望，重视学生对环境材料的外在实践与内在思辨。无论是环境材料学、环境功能材料，还是环境功能材料综合实验，在提高学生对材料和环境的结合意识方面均做出了有益的尝试。

环境功能材料综合实验的交叉教学有助于材料学科和环境学科交互性知识在课程学习、实际生活应用、未来工作相结合，使学生在完成自身专业基础课程的基础上进一步了解目前所学专业领域的研究前沿和未来的发展趋势，有助于拓展学生专业思维，增强学生专业素质，从而为学生在将来的学习深造和工作发展奠定扎实基础和提供强有力支撑。

3.总结与展望

本文系统地分析了材料类专业关于开设环境功能材料综合实验教学方面所存在的问题，从实验的教学内容、教学设备、教学模式、教学交叉四个方面进行探究，并提出了相应的实验课程教学改革措施。通过教学改革措施的提出，促进学生积极地参与至实验课程，准确地掌握实验技巧和专业内容，最终激发学生的自主学习意识、积极创新能力以及环境可持续发展观念，进而提升实验课程教学的综合质量。以上问题和措施可能存在着一定的局限性，因此在后续的实施中仍需不断探索并实时改进。