材料專業(yè)開放性設(shè)計實驗教學(xué)探索實踐

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了材料專業(yè)開放性設(shè)計實驗教學(xué)探索實踐范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要:為了使設(shè)計性實驗?zāi)軌蛘嬲岣邔W(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，設(shè)計性實驗必須在內(nèi)容上和課程組織上具備足夠的開放性。本文以具體實驗教學(xué)為例，從設(shè)計思路，教學(xué)實踐、教學(xué)效果等幾個方面對設(shè)計性開放實驗的教學(xué)實施進行了探討和研究。順利開展設(shè)計性開放實驗應(yīng)有三要素，一是開放的實驗主題，學(xué)生可自由的發(fā)揮同時能夠在教學(xué)實驗室完成;二是開放的實驗室以及指導(dǎo)教師彈性的工作時間;三是學(xué)生的書面和口頭輸出都要有。

關(guān)鍵詞:設(shè)計性;開放實驗;教學(xué)實踐

為了加快本科生教育，教育部提出了“新工科”和“六卓越一拔尖”計劃，其目的是引導(dǎo)高校全面優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，深化專業(yè)綜合改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能，讓學(xué)生忙起來、讓教學(xué)活起來、讓管理嚴起來，全面振興本科教育，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量［1－2］。眾所周知，2017年我國成功試飛自主研發(fā)的大型客機C919，其研發(fā)歷時7年，其中很重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是高性能復(fù)合材料的攻堅。目前C919的主體結(jié)構(gòu)有30%由高性能復(fù)合材料構(gòu)成，且該系列飛機下一代研發(fā)目標是將主體中復(fù)合材料的比例提升至50%?？梢?，材料相關(guān)的科技在我國各種“卡脖子”領(lǐng)域占有極為重要的作用，材料科學(xué)工程專業(yè)的新型人才的培養(yǎng)勢在必行［3］。材料科學(xué)與工程專業(yè)兼具理科和工科的特點，總體目標是要培養(yǎng)出既有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，又具有較強的工程實踐與創(chuàng)新能力、并有國際化視野的專業(yè)人才［4］。實驗教學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，材料分析是材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)。通過不同“材料合成－表征－應(yīng)用”全流程實驗項目的教學(xué)，學(xué)生能夠掌握和了解材料的各種合成方法、分析方法及相關(guān)應(yīng)用。一方面幫助學(xué)生鞏固理論對于鞏固學(xué)生理論知識，提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果，促進學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的基本素質(zhì)的形成;另一方面培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識去解決工程實踐問題的能力，引導(dǎo)他們養(yǎng)成科學(xué)求真的態(tài)度、嚴謹周密的作風(fēng)和團結(jié)協(xié)作的精神［5－6］。

然而，目前部分高校的實驗課模式是學(xué)生根據(jù)實驗方案按部就班的完成實驗，課本上對于實驗的原理步驟有詳細的解釋，在實驗開始前學(xué)生已基本知道了實驗結(jié)果［7－8］。為了使實驗教學(xué)充分發(fā)揮這些作用，部分高校逐步增加設(shè)計性實驗比例。然而，設(shè)計的內(nèi)容往往局限于實驗條件參數(shù)的設(shè)計即設(shè)計不同的合成條件或表征手段等等。同時，開放式實驗教學(xué)模式已經(jīng)成為我國教學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點，特別是在當今的高校實踐教學(xué)中，應(yīng)用型高等學(xué)校更為突出，都在探索一條適合本校的開放性實驗教學(xué)模式。然而，部分高校的開放性實驗僅限于一種管理模式，當一個綜合實驗需要較多課時，學(xué)生無法在正常的教學(xué)時間內(nèi)完成故而采用開放性實驗進行開展［8－9］。為了使設(shè)計性實驗和開放性實驗真正落到實處，有必要將設(shè)計性實驗與開放性實驗結(jié)合，打開思路，設(shè)置開放性設(shè)計實驗，設(shè)計性實驗必須在內(nèi)容上和課程組織上具備足夠的開放性。筆者所在的南方科技大學(xué)材料系面向大三學(xué)生開設(shè)了8個學(xué)分共126學(xué)時的《材料綜合實驗》課，此課程的主要目標就是要培養(yǎng)適應(yīng)新時代的新型的專業(yè)人才。為了充分調(diào)動學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，其內(nèi)容涵蓋了綜合性的、設(shè)計性的、開放性的大實驗，需要學(xué)生有更多的參與，更多的主動以及更多的合作討論等。依托于這門課程，筆者已經(jīng)對開放性設(shè)計實驗進行了探索和實踐。本文中，筆者以其中的一個實驗為例來進行說明如何開展開放性設(shè)計實驗教學(xué)。開放性設(shè)計實驗的內(nèi)容該包括文獻調(diào)研、選題，制定并修訂實驗方案、開展實驗收集實驗數(shù)據(jù)、改進實驗方案、再實驗以及實驗結(jié)果輸出(口頭報告和實驗報告)等部分。同時，在教學(xué)過程中同學(xué)之間的討論，教師的及時指導(dǎo)，非正常課時時間段內(nèi)的實驗室開放管理都是必備條件。

1實施設(shè)計性開放實驗教學(xué)的主要思路

為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，讓學(xué)生的手和腦都忙活起來，需要避免讓學(xué)生按部就班辦的完成實驗，因此需要精心設(shè)計和安排實驗內(nèi)容。首先這個實驗必須是設(shè)計性的，關(guān)于要做什么怎么做學(xué)生要有主動權(quán)，即學(xué)生需要自己制作實驗方案，而指導(dǎo)老師就需要給出一個有效的主題讓學(xué)生可以有條件的自由發(fā)揮。對于指導(dǎo)老師來說，需要給出一個有一定科研或工程應(yīng)用背景，且兼具趣味性的主題，讓全班同學(xué)可以并樂于設(shè)計出不同的實驗方案，并保證實驗方案能夠在教學(xué)實驗室里實施開展;對于學(xué)生來說，針對已有的主題來制作實驗方案，那么學(xué)生要做的只能是先確定做這個主題的哪一個方向(發(fā)現(xiàn)問題)，進行文獻調(diào)研(提出問題)，分小組及與指導(dǎo)老師討論(合作與協(xié)調(diào)能力)，進而確定方案開展實驗(解決問題)。在開展實驗的過程中，由于方案的差異性，不同學(xué)生進行材料合成的實驗步驟可能不一樣，那么實驗時間會不統(tǒng)一，因此開放性實驗條件應(yīng)該匹配進來。同時，任何設(shè)計性實驗的實驗過程與結(jié)果都是未知的，不可能一次就成功，同學(xué)們會進行多次的試錯，這個過程中需要學(xué)生再次文獻調(diào)研，需要老師及時的指導(dǎo)，修訂實驗方案，同時整理收集到的實驗數(shù)據(jù)，進行實驗結(jié)果的討論分析。如圖1給出了設(shè)計性開放實驗教學(xué)的主要內(nèi)容和一般流程。因此，要對當前的傳統(tǒng)實驗進行改革，設(shè)計性開放實驗是非常必要的。

2設(shè)計性開放實驗的實踐

在材料綜合課程大綱中有一項是電子顯微鏡SEM的操作與分析實驗，最開始的實驗方案是讓學(xué)生觀察幾種直接購買的固體粉末樣品，然后寫實驗報告分析數(shù)據(jù)。在這個過程中，由于SEM設(shè)備只有一臺，學(xué)生只能一個一個的排隊上機操作，很浪費時間且教學(xué)效果不好，學(xué)生興趣不大。因此，筆者對次實驗進行了改進，改為了一個設(shè)計性開放實驗，讓學(xué)生用這臺設(shè)備測試自己合成的樣品。筆者在開展設(shè)計性開放實驗的教學(xué)實踐中，設(shè)計的一個實驗主題是“多孔合金薄膜材料的合成及應(yīng)用研究”，規(guī)定實驗兩人一組，凡事有個商量能鍛煉合作能力，同時也規(guī)定合成出的材料是多孔的薄膜且至少含有兩種金屬，但不規(guī)定孔徑的大小與形貌，不規(guī)定金屬的種類，不規(guī)定合成方法，不規(guī)定應(yīng)用研究的方向。所以學(xué)生有很大的發(fā)揮空間，他們可以選擇合成大孔材料、微孔材料或介孔材料，可以選擇不同的金屬元素，可以用各種不同的合成方法如電化學(xué)、磁控濺射、溶膠凝膠、燒結(jié)法等等。因此，實驗主題的設(shè)計的選取原則如圖2所示，圓形圖案中的參數(shù)為可變量，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好來進行文獻調(diào)研，方形圖案中的參數(shù)為固定量，是限制范圍用的，讓學(xué)生在有條件的范圍內(nèi)自由發(fā)揮。拿到這個實驗主題以后，學(xué)生用了一周的時間來進行文獻調(diào)研，確定實驗方案。學(xué)生提交上來的實驗方案各不相同，隨后指導(dǎo)老師跟學(xué)生一一討論實驗方案的可行性，并著手準備原材料協(xié)助學(xué)生開展實驗等。授課對象是大三的學(xué)生，已經(jīng)具備基本的實驗技能，但是有些具體實驗具體情況下依然需要老師的指導(dǎo)，因此將此實驗進一步擴展為開放實驗，實驗指導(dǎo)老師基本需要隨時跟學(xué)生進行交流以保證試驗順利進行。經(jīng)過材料系四個班級的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)可以成功合成出多孔合金薄膜并進行應(yīng)用研究，還有部分同學(xué)沒有時間來完成這一部分實驗。在這個設(shè)計性開放實驗中，除書寫實驗報告外我們設(shè)計了一個實驗結(jié)果展示環(huán)節(jié)，也就是每個同學(xué)需要做一個15分鐘的報告，講述此實驗中是如何選題，如何確定實驗方案，如何開展實驗的，以及如何進行應(yīng)用研究或準備做何種應(yīng)用研究。在這一步，筆者也有小小創(chuàng)新，就是除了指導(dǎo)老師的提問之外，還要求每位學(xué)生在聽完別的同學(xué)的報告時至少要對一至兩位同學(xué)提出問題，提高學(xué)生課堂的參與度，能夠讓課堂活起來。

3實驗教學(xué)的效果

大部分學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)順利的完成了實驗，成功合成出了要求的多孔薄膜材料。每個同學(xué)都對自己合成的薄膜樣品進行了多次的SEM表征，看到孔的時候的喜悅和沒看到孔的時候的失落充滿了整個電鏡室。跟往屆學(xué)生觀察直接購買的粉末樣品現(xiàn)象比較，他們更投入更開心，因為樣品的差異，學(xué)生更好的掌握了SEM設(shè)備的操作技巧，知道了對于不同的樣品如何調(diào)節(jié)電鏡參數(shù)讓照片更漂亮。進行課程總結(jié)時候發(fā)現(xiàn)，學(xué)生制做的實驗方案各不相同，都閱讀了至少6片以上的英文論文，沒有一組同學(xué)采用了相同的主要參考論文，說明筆者選的主題是正確的，能夠培養(yǎng)學(xué)生文獻調(diào)研的能力。由于不是傳統(tǒng)的實驗，學(xué)生需要討論的地方比較多，因此課堂學(xué)習(xí)氣氛很濃烈。同時，在最后的口頭報告環(huán)節(jié)，學(xué)生總結(jié)了各自查閱的文獻，講述了各自的實驗流程，介紹了已經(jīng)做的應(yīng)用研究或準備做的應(yīng)用研究。外加同學(xué)之間相互提問，學(xué)生們可以學(xué)習(xí)到更多關(guān)于多孔材料相關(guān)的知識，可以涉獵更多的多空薄膜的合成方法，能夠從這個實驗課中能收獲很多。另外，南方科技大學(xué)的定位是世界一流大學(xué)，學(xué)生的實驗報告要求全英文書寫，通過這一個綜合實驗的訓(xùn)練，學(xué)生們的英語寫作能力也能得到提升。此外，本實驗教學(xué)改革的亮點成果之一，是有兩位同學(xué)用這個實驗課的實驗結(jié)果很順利的申請到了一個大創(chuàng)項目。亮點成果之二，是認真貫徹執(zhí)行了“新工科”及“六卓越一拔尖”的人才培養(yǎng)模式。

4結(jié)語

開展設(shè)計性開放實驗有幾個重要的因素需要注意，其一是要有一個好的主題，能夠調(diào)動學(xué)生的積極主動性，有充滿挑戰(zhàn)性;其二，開放性就要求指導(dǎo)老師要能夠“隨叫隨到”，讓學(xué)生有堅實的后盾，無后顧之憂;其三，除實驗報告輸出外，口頭報告的輸出也很重要的，學(xué)生相互學(xué)習(xí)，他山之石可以攻玉。實踐證明通過開展這個設(shè)計性開放實驗，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、科學(xué)創(chuàng)新的能力以及分析解決問題的綜合能力，使其能夠?qū)⑺鶎W(xué)的綜合實驗知識靈活運用以解決實際問題。

參考文獻

［1］鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動［J］．高等工科教育研究，2017(3):1－6.

［2］張晨，李澈.教育部印發(fā)“新時代高教40條”決定實施“六卓越拔尖”計劃2.0［J］．教書育人高教論壇，2018(12):35－35.

［3］王放，陳志謙.面向復(fù)合型人才培養(yǎng)的材料專業(yè)實踐教學(xué)改革研究［J］．西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(39):156－162.

［4］鄭舉功，陳泉水，劉曉東，等.材料專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與課程體系建設(shè)［J］．高等理科教育，2011(6):142－147.

［5］潘世墨.發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢深化教學(xué)改革［J］．高等教育研究，2001(5):78－81.

［6］李玉道，李德法，孫學(xué)振，等.實驗室開放存在的問題及解決方法探討［J］．實驗室科學(xué)，2019(5):150－153.

［7］秦惠潔，劉建民.實驗教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實踐與建議［J］．實驗室研究與探索，2000(5):11－14.

［8］陳華，孟繁晶，李云峰.材料工程綜合實驗教學(xué)改革探討［J］．高等教育研究，1998(4):54－55.

［9］孫文彬.開放性創(chuàng)新實驗教學(xué)改革與實踐［J］．實驗室研究與探索，2006(25):148－151.

作者：程化 盧周廣 葉飛 王海鷗 田顏清 單位：南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系