在本科《材料化学》实验课程模块中开展微型创新实验的设想

张佳楠 刘捷 刘应良

[摘 要] 目前，本科实验课程教学缺乏让学生认识课程核心问题的课程设计与教学方法。微型创新实验是指在课程中将几次实验设计为具有连续性的创新实验，而不是每节课只是独立的实验。旨在提高材料化学专业本科生对于前沿材料化学学科的认识，提升学生创新实践能力，模拟科研过程中连续性操作和分析的过程。

[关 键 词] 微型创新实验；公共平台实验；教学研究

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）25-0179-01

《材料化学》是通过对材料研究中出现的与化学有关的基本问题、基本概念、基本原理的阐述，其中包括材料的合成与制备、化学结构与性能、材料的化学与物理性质和材料的应用性能，结合四大材料（金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料）研究和制备中的实例，使学生从材料化学的基本层面出发，去认识和理解材料科学与工程中出现的基本化学问题，使学生建立大材料的概念，为新材料的研究与开发以及现有材料的选择和使用打下坚实的基础。然而，一方面授课学时有限，若重点不够突出，则在短时间内不能够激发学生的学习兴趣；另一方面学习该课程的学生已经修完《无机化学》《有机化学》《物理化学》等基本化学课程，而《材料化学》的实验课程设计极易与已学课程的实验课内容重复，造成学生学习兴趣下降、人力物力的浪费等问题。针对这些问题，笔者对材料化学实验课程的设计，结合自身教学实践体会提出在课内开展微型创新实验的一些设想和建议。

一、科学制订实验教学课程体系

所谓“科学制订实验教学课程体系”，是在课程中科学地反映学科的特殊功能，体现教学目的，有利于激发学生主动思考和积极互动，将学科中心思想贯穿于整个课程，通过设定主题、提出问题、安排任务或创设课题的形式体现出来。在实验课程选择上体现为，以“强化基础、注重能力、突出创新”为目标，在对学生基本理论和基本实验技能培养的基础上，选择近年来材料化学领域前沿学科的实验内容，弱化单纯的验证性实验内容，强化综合性和研究性实验项目。如引入“反相微乳液法制备纳米聚苯胺”在实验课程中，在学生认识了制备纳米材料的经典方法“反相微乳液法”的概念和基本操作的基础上，为了了解当前研究热点的高性能导电高分子“聚苯胺”，最终树立制备方法的选择对材料的形貌和性能具有至关重要的影响。

二、“分层次递进”模式展开课程

理科学生普遍学习能力强，但由于实践机会较少，动手能力和解决问题的能力相对较弱，我们认为学生掌握技能的过程是循序渐进的，尤其高年级学生，在具有一定知识储备的情况下，更加渴望具有独立完成一项科研的经历，然而由于上课时间受到限制，大学生创新实验能够给予的机会有限，所以将每个实验主题实验课程设置按照“分层次递进”模式展开，依次分为探索性基础实验、全面性综合实验与拓展性设计实验。

（一）探索性基础实验

针对一些简单的基础操作，如转速、控温、试剂用量和替换，学生可以自主选择改变条件，观察现象变化，完成实验。主要目的是让学生发挥主观能动性，启发他们在实验设计上的灵感，实现一定的实验目标。在实验讲义上，体现在某些方案和设计具有“可调性”，提高学生对知识的应用能力和实践能力，以及對学生团队合作能力的培养。如基础性实验“球形碳酸钙的仿生合成研究”，学生可以改变搅拌速度、加热温度，甚至可以尝试采用相同方法合成氧化铝、氧化硅等，通过观察产物的形态、验证方法的普适性，激发学生对实验的兴趣，充分理解实验背后的基础性知识和问题。

（二）全面性综合实验

针对较为复杂的实验体系进行综合性实验，主要目的是让学生完成材料合成、数据表证、分析、总结的全过程。让学生提前体验完整的科研过程，直观地看到自己的实验结果，比任何激发他们学习主动性的方法都有效。例如，综合性实验“单分散二氧化硅微球的合成与组装”，首先，学生验证经典Stober方法制备单分散二氧化硅微球，然后，同法探索制备不同直径的二氧化硅微球，并采用沉降蒸发法对各自制备的微球制备自组装薄膜。指导教师同时准备一系列自组装的单分散微球同学生进行对比并讲解，结合扫描电镜表征使学生进一步认识自组装的基本原理和方法，引导他们对类似材料和方法的关注。

（三）拓展性设计实验

主要目的是训练学生将知识灵活移用、融会贯通的能力。这类实验增加了“查阅相关文献资料”的环节，目的在于锻炼学生独立自主设计实验方案的能力。首先为学生提供一定数量的实验命题，学生根据自己的兴趣和愿望进行“超市采购型”选择，每个小组成员合作，共同设计出完整的实验讲义，包括实验原理、实验仪器与药品、实验步骤以及可能遇到的问题和解决方案。最后，根据实验设计情况和实际条件，安排在教学或科研实验室进行相关实验的实施。通过这样的锻炼，学生可以明确个人的兴趣目标，同时在专业实验方面逐渐树立起整体性、严谨性、灵活性的思维模式，有利于学生创新能力、综合思维能力以及科研协作能力的培养。