基于科研反哺教学的《材料综合实验》教学改革*

翟天亮，韦良强，吴 珊，牛延慧

(贵州师范学院化学与材料学院，贵州 贵阳 550018)

随着社会生产力水平的发展，全球科技创新进入密集活跃期，中国同样进入了产业转型的关键时刻[1]。科学研究对于产业升级、国家发展甚至人民生活水平都具有至关重要的影响。然而，在高等教育的课堂中存在科研与教学分离的情况[2]。随着国家创新驱动战略的实施，高校对人才培养中科技创新要素的重视程度不断增加[3]。高校培养具有“创新意识、创新精神、创新思维和创新能力”的高级人才，不仅需要基础实验项目来训练学生，更需要开发具有创新性和前沿性的综合性实验项目来提升学生的综合素质[4]。

《材料综合实验》是材料科学与工程本科专业的核心课程，是以《材料科学基础》、《材料化学》、《材料物理》等材料学专业课为基础，通过物理和化学手段运用实验技术与方法解决材料制备问题的实验课程。用于培养学生基础实验能力、实践动手能力、知识运用能力和科学思维能力。然而，目前材料学实验教学中存在实验项目僵化，实验内容与学科前沿脱离，实验知识陈旧等问题[5]。将科研成果运用于材料学实验课程改革，可以实现科研与教学的统一。本文以“导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”实验为例，探索了在科研反哺实验教学视角下的实验课程教学设计。

1 科研反哺教学在《材料综合实验》课程中实践的优势

材料科学与工程专业是注重理论与实践相结合的工科专业。该专业不仅要求学生具有坚实的专业知识，也要求学生具备扎实的实验技能以及创新能力。《材料综合实验》即是为培养学生的理论联系实际能力、动手操作能力和创新意识而开设的课程。这门课程涵盖了高分子材料、无机非金属材料和金属材料的合成与制备，也包含了材料结构表征、材料力学性能测试、电磁性能测试等材料测试与表征方法，同时要求学生对所得数据进行分析处理。该课程的授课内容与材料科学的科研内容相近。将科研成果进行提炼和总结，形成具有学科前沿理论内涵的实验设计对实验项目进行指导和综合分析，就可以起到科研反哺教学的效果。

2 科研成果在《材料综合实验》课程教学中的应用

随着课程建设和教学改革的稳步推进，《材料综合实验》课程授课团队教师在开展各自领域科研工作的同时注重科研成果的提炼和总结，已经将多项科研成果应用于实验项目的设计中。目前课程所设置的实验项目中有多个实验项目源自教师的科研成果，包括“导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”、“玻纤增强聚丙烯复合材料的注塑成型”、“新型吸附材料的制备及性能表征”、“光固化材料的制备及光引发剂活性及迁移稳定性性能测试实验”等实验项目。丰富了课程实验项目，并极大的改善了课程原来实验项目内容陈旧，演示型实验多综合型实验少的缺点。除了突出创新性和综合型的实验项目外，为了兼顾学科知识体系和课程特点，也保留了部分基础型的实验项目，使实验项目具有多层次性。

3 “导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”课程的实验课程教学设计

3.1 实验教学设计背景

聚氨酯被誉为“第五大塑料”。目前全球年产量为3000万吨左右，我国占全球产量的约45%，已成为世界最大的聚氨酯生产国和消费国。聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料中的最大品种，学习聚氨酯泡沫塑料的制备方法符合应用型材料科学相关专业本科生的培养要求。聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯基(-NHCOO-)结构单元的一类聚合物，由异氰酸酯与多元醇通过逐步聚合而来。作为重要的聚合物类型，聚合机理在《高分子化学》课程第二章缩聚与逐步聚合中已经学习过。水发泡法是制备聚氨酯泡沫塑料的常用方法，即利用水分子与异氰酸酯作用生成二氧化碳气体的反应作为发泡反应，并与聚氨酯分子的链增长反应和交联反应相配合完成聚氨酯泡沫塑料的合成[6]。碳纳米管是一种由碳原子形成的具有纳米尺寸的管状物。通过适当方式将碳纳米管均匀分散至聚合物基体中即可制备导电复合材料。

该实验项目授课教师在前期的科研中发现，通过简单的球磨分散法即可制备碳纳米管/聚氨酯泡沫导电复合材料。所得复合材料的导电性能具有典型的逾渗行为，符合逾渗理论模型。逾渗理论的核心思想是当系统的某一组分达到某一特定值时，系统的某些物理量的连续性会突然消失[7]。体现在导电复合材料中即表现为导电填料浓度达到某一浓度时，材料将发生从绝缘到导电的突变，这一浓度成为渗流阈值。而渗流阈值的高低，则受导电填料类型、分散状态、界面相容性、制备工艺等诸多因素的影响。

3.2 实验教学目标与设计思路

通过“导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”实验达到以下教学目标：(1)掌握聚氨酯链增长反应、发泡反应和交联反应的化学反应方程式；(2)掌握球磨机的工作原理和使用方法；(3)掌握材料体积电导率的测试方法；(4)了解聚合物基纳米复合材料的逾渗理论模型和渗流阈值的基本概念。

针对以上教学目标对实验课程进行教学设计，可概况为如下几个方面。预习环节：对于实验课程中涉及到已学习过或适合自学的知识，应布置在课前预习内容中。如教学目标(1)中包含的三种化学反应方程式，教学目标(2)中的球磨机工作原理，教学目标(4)中涉及到的碳纳米管的物性和渗流理论模型等。

讲解环节：在讲解环节中包含各类化学反应方程的精讲、学科前沿理论、实验原理、仪器操作和性能测试等方面内容。其中，在化学反应方程的讲解中应着重介绍发泡反应与链增长反应和交联反应的区别和联系，以及发泡过程中三者的配合关系。并引出发泡反应配方中其它组分的作用。在球磨机使用方法介绍中，应结合球磨机工作原理着重强调球磨法对纳米材料的剪切分散作用，并引出纳米填料分散状态对复合材料电学性能的影响。在逾渗理论模型讲解中应着重介绍在无规分散状态下，纳米导电填料在聚合物基体中导电通路的形成过程和影响因素。

实验实施环节：为了让学生可以通过分析实验数据更直观的理解逾渗理论和渗流阈值的概念，应至少设置4种碳纳米管含量。其中质量分数处于0.5%～1.0%碳纳米管含量范围的样品不少于2个。每个实验小组负责制备一种碳纳米管含量的样品。最后汇总所有样品的电导率，现场绘制碳纳米管含量-电导率曲线，观察曲线中是否存在电导率突变。突变处附近的碳纳米管含量即为渗流阈值。若不存在则需结合实验过程和现象分析存在的问题。

报告撰写环节：由于影响碳纳米管/聚氨酯泡沫复合材料的电导率的因素很多，因此需要让同学们在报告撰写环节针对实验中的关键步骤进行回顾和分析。列举可能对结果造成负面影响的操作。再根据自己小组的数据结合碳纳米管含量-电导率曲线简单阐述碳纳米管/聚氨酯泡沫复合材料的逾渗行为。在思考题的布置中应着重启发学生对影响电导率因素的思考。

实验评价环节：分为课堂表现和实验报告两个环节。其中课堂表现侧重与评价学生在实验过程中的操作规范性、动手积极性和团队协作能力。实验报告的评价则侧重于学生对实验数据的分析处理能力和思考题的回答情况。

3.3 实验教学过程设计

预习与讲解阶段：提前一周将“导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”实验预习任务布置给学生。需要预习的内容包括水发泡法制备聚氨酯泡沫塑料的化学反应式及反应原理，聚合物基导电纳米复合材料的基本概念以及参考书中关于导电逾渗行为及机理的章节[7]。同时布置思考题，如何测试导电纳米复合材料的渗流阈值。在课堂讲解过程中，着重讲解发泡机理与发泡过程控制方法、水发泡体系各组分的作用，经典逾渗理论模型以及体积电导率的测试方法。

实验实施阶段：根据上课人数将学生分成4个小组，每个小组分别负责制备碳纳米管含量为0.2%，0.5%，1.0%，1.5%，共4种不同含量的碳纳米管/聚氨酯泡沫复合材料，并测试所得材料的密度和体积电导率。根据前期科研结果，该复合材料的渗流阈值即在0.5～1.0 wt%之间。只要碳纳米管分散状态控制得当，即可通过测试复合材料电导率的方式得到复合材料的渗流阈值。

实验报告撰写阶段：本阶段要求学生首先对自己的实验操作过程进行回顾和分析。特别是可能影响到发泡反应和碳纳米管分散的关键步骤，若实验操作可能对实验造成负面影响则需要详细说明。其次，要求学生收集课堂上其他小组的实验数据并结合自己的数据进行分析。由于4中碳纳米管含量的复合材料由不同小组学生制备，在样品制备和电导率测试环节人为因素可能对实验结果造成较大影响。因此，需要完成如下思考题：(1)碳纳米管含量是否对复合材料的密度造成影响，为什么？(2)碳纳米管含量与复合材料体积电导率的关系如何，渗流阈值是多少？(3)实验过程中哪些操作和关键步骤会对复合材料的密度和电导率造成严重影响，为什么？

实验评价阶段：实验课程成绩由预习报告、实验操作(课堂表现)、实验结果、实验报告等部分组成。根据评价内容也可分为课堂表现和实验报告两个方面[8]。课堂表现除了观察学生的实验操作外，也要将学生提问、问题解决、团队协作、卫生情况等因素纳入考察范围。实验报告方面，重点考察学生预习、实验结果、问题分析和思考题回答情况。特别是通过思考题的回答，可以很好的判断实验课程是否达到预期效果。

4 实验教学效果优化

《材料综合实验》已在17、18、19级材料科学与工程专业共计160名学生中进行了科研反哺教学的探索和实践。学生对该课程的满意度评分呈明显上升趋势，分别为95.84，96.14和97.92，说明科研反哺教学实践取得了较好的效果。“导电聚氨酯泡沫的制备与性能表征”实验课程在实践过程中积累了宝贵经验。同时也发现了存在的问题，归纳如下：(1)理论模型难懂，学生短时间难以理解。(2)学生控制体系发泡过程能力较弱，存在操作不当导致发泡失败的情况。(3)实验时间较长，课程经常性超时。(4)泡沫材料电导率影响因素较多，综合各小组实验数据绘制的曲线往往没有规律。

实验教学优化建议如下：(1)弱化学术角度的理论模型讲解，换以通俗易懂的语言描述模型建立过程。(2)优化实验课堂时间分配，充分利用实验的等待时间进行理论讲解和实验操作说明。(3)课前试做实验必不可少。由于聚氨酯发泡过程对发泡体系的粘度具有高度敏感性，若体系粘度过高则无法获得均匀发泡的材料。课前应当通过试做实验检验当前配方能否获得正确发泡的材料。(4)与学生一起进行最后的发泡操作。由于学生对发泡过程不熟悉，无法辨别发泡反应是否已经开始，因此在发泡环节学生需要在教师的现场指导下完成发泡实验。

5 结 语

实践证明，以“科研反哺教学”的方式对《材料综合实验》进行的教学改革取得了较好的效果。在科研反哺实验教学视角下对实验课程进行教学设计不仅能够丰富实验项目解决实验项目内容陈旧的问题，还可以实现科研与教学在实验课程上的统一。通过这种方式，可以不断提高教师的教学质量与科研水平，促进教学与科研的互助相长和融合发展。科研成果在实验课程上的应用，一方面提升了实验课程的教学质量，同时也培养了学生的创新能力和团队协作意识。对培养应用型创新人才具有积极推动作用。