綜合性實驗教學(xué)改革探索與實踐

耿紅霞， 蔣小林

(清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084)

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綜合性實驗教學(xué)改革探索與實踐

耿紅霞， 蔣小林

(清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084)

以鋰電池為主線，設(shè)計了綜合性、創(chuàng)新性實驗教學(xué)項目，讓學(xué)生掌握各個實驗之間的系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性，不僅可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性，還可以應(yīng)用所學(xué)的知識分析問題和解決問題，培養(yǎng)和增強了學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，從而有利于新世紀高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

綜合性實驗教學(xué)； 鋰電池； 創(chuàng)新能力

0 引 言

綜合性實驗教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，是實施高等教育的一種有效方式，是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。不僅使學(xué)生深入系統(tǒng)的掌握理論知識，帶著好奇的眼光初步了解探索科學(xué)研究領(lǐng)域，培養(yǎng)動手能力，還可通過專業(yè)綜合創(chuàng)新實驗的訓(xùn)練增加學(xué)生對科研領(lǐng)域中先進課題實驗技能、原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景的認知，系統(tǒng)掌握科學(xué)前沿問題所涉及的實驗知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和能力，增強學(xué)生的科學(xué)探索與創(chuàng)新精神，提高綜合實踐能力，應(yīng)用所學(xué)的理論知識指導(dǎo)實驗，使理論與實踐有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決科學(xué)問題的能力，夯實學(xué)生邁向科研學(xué)術(shù)或者新科技領(lǐng)域的堅實道路，為高科技領(lǐng)域人才的培養(yǎng)提供重要的支撐，對于培養(yǎng)的高層次、高素質(zhì)、多樣化、創(chuàng)新人才具有重要的意義。

按照高質(zhì)量人才創(chuàng)新培養(yǎng)模式的要求，設(shè)立專門的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)實驗的同時，通過創(chuàng)新探究性實驗的增設(shè)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和自主性，提高學(xué)生的觀察判斷、思維分析和理論實踐的綜合能力[1-3]。

1 綜合性實驗教學(xué)的改革創(chuàng)新思路和方法

1.1 實驗教學(xué)的創(chuàng)新思路

為了積極響應(yīng)和執(zhí)行《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化改革全面推進素質(zhì)教育的決定》中提出的“抓緊建立更新教學(xué)內(nèi)容的機制，加強課程的綜合性和實踐性，重視實驗課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力”的重要精神，面向新世紀創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心需求，設(shè)計創(chuàng)新性的實驗教學(xué)課程，實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗課程由“驗證型”、“參與型”向“開放型”、“開發(fā)型”轉(zhuǎn)變,搭建具備基礎(chǔ)實驗和自我創(chuàng)新型實驗條件的具有綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新設(shè)計型的實驗平臺，促進學(xué)生知識、思維、能力和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展[4]。

1.2 綜合性實驗教學(xué)的改革方法

依據(jù)實驗教學(xué)的培養(yǎng)計劃和目標，為了給學(xué)生創(chuàng)造自由創(chuàng)新的空間，培養(yǎng)學(xué)生獨立綜合實踐能力，發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新思維，掌握解決實際工程問題的科學(xué)方法，有必要建立一個區(qū)別于基礎(chǔ)實驗的綜合性、系統(tǒng)性實驗，既可以滿足實驗教學(xué)的不同層次目的，還可以使實驗教學(xué)和理論教學(xué)緊密結(jié)合，促使學(xué)生帶著實際科學(xué)問題做實驗，用理論指導(dǎo)實驗，用實驗驗證理論，使兩者成為一個有機的整體，在實踐中讓學(xué)生深刻體會這一點。我們以鋰電池為主線，設(shè)計了綜合性實驗教學(xué)項目、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及流程。比如，先向?qū)W生展示各種商品化的鋰電池，再讓學(xué)生觀察拆卸我們實驗室自己制作的鋰電池，了解其結(jié)構(gòu)和原理，待學(xué)生有了興趣和研究的動力后，通過提出一系列的問題如“你所知道的鋰電池都用在什么領(lǐng)域場合？為什么鋰電池的續(xù)航能力隨著技術(shù)的進步越來越好？”隨著提問問題的深入和學(xué)生的認真思考，讓學(xué)生認識到為什么要做這一系列的實驗項目，了解所涉及的實驗內(nèi)容，從而讓學(xué)生充分了解整個教學(xué)實驗的各實驗的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、必然性及重要性，激發(fā)學(xué)生進行綜合創(chuàng)新的興趣和積極主動性，積累知識的同時，應(yīng)用所學(xué)的知識進行實踐創(chuàng)新，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力和測試分析各種性能的實踐能力，從而達到高素質(zhì)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)目標。

2 綜合性實驗教學(xué)的內(nèi)容

2.1 綜合性實驗教學(xué)的設(shè)計原則

綜合性、創(chuàng)新性實驗教學(xué)不同于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，傳統(tǒng)的教學(xué)實驗大多數(shù)是驗證性的簡單實驗，內(nèi)容單一死板，各個實驗之間的聯(lián)系較少，缺乏系統(tǒng)性和綜合性。而綜合性實驗教學(xué)所涉及的實驗?zāi)繕耸亲畲蟪潭鹊陌l(fā)揮學(xué)生的潛在能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立動腦能力和動手能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的綜合素質(zhì)，設(shè)計的教學(xué)實驗具有創(chuàng)新和發(fā)展性，注重各個實驗之間的聯(lián)系，切實注意實驗知識點的連貫性、系統(tǒng)性、整體性和綜合性，使得學(xué)生在現(xiàn)有的實驗知識層面上，可以通過查閱有關(guān)的文獻資料或者和老師的溝通交流等途徑獲得新的實驗知識和實驗技能，在進行實驗的同時學(xué)習(xí)新的實驗知識和實驗技能，從而達到學(xué)生綜合素質(zhì)和實驗技能的整體提升[5-8]。

2.2 綜合性實驗教學(xué)內(nèi)容

先向?qū)W生展示各種商品化的鋰電池，再讓學(xué)生觀察拆卸我們實驗室自己制作的鋰電池，了解其結(jié)構(gòu)和原理，用萬用表測量鋰電池的電壓，并讓有電的電池帶動二極管工作，學(xué)生會興趣盎然的動手操作，然后我們提出問題“你所以知道的鋰電池都用在什么領(lǐng)域場合？為什么鋰電池的續(xù)航能力隨著技術(shù)的進步越來越好？”讓學(xué)生帶著這些問題思考究竟是什么因素決定了鋰電池的性能，鋰電池的構(gòu)成部分主要是什么？在現(xiàn)有的知識體系里，學(xué)生會回答鋰電池的組成部分是正極、負極和電解質(zhì)材料等。那么指導(dǎo)老師抓住一個組成部分，比如電解質(zhì)材料，緊接著向?qū)W生提問電解質(zhì)材料有哪些類型？其中無機固體電解質(zhì)的優(yōu)勢是什么？以及怎么制造無機固體電解質(zhì)？又有哪些測試表征手段？通過這一系列的提問，讓學(xué)生認識到為什么要做這一系列的實驗項目，了解所涉及的實驗內(nèi)容，從而讓學(xué)生充分了解整個教學(xué)實驗的各實驗的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、必然性及重要性，可以使學(xué)生系統(tǒng)的掌握鋰電池基礎(chǔ)理論知識、鋰電池制造的實驗技術(shù)和性能測試技能，以及組成鋰電池材料(電極和電解質(zhì)等)的制備和性能表征，充分調(diào)動學(xué)生進行創(chuàng)新性實驗的積極性。

根據(jù)上面提出的問題和實驗室現(xiàn)有條件，綜合型實驗教學(xué)項目共包括5個實驗課題，即鋰電池材料的觀察和拆卸；電解質(zhì)材料的制備；XRD實驗；SEM實驗；電性能測試實驗。然后指導(dǎo)老師先介紹鋰電池的基礎(chǔ)知識，包括鋰電池領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景、先進課題實驗技能和原理，讓學(xué)生系統(tǒng)了解鋰電池科學(xué)前沿問題所涉及的實驗知識體系。例如，通過豐富的資料讓學(xué)生了解多姿多彩的鋰電池世界，引導(dǎo)學(xué)生從材料科學(xué)的角度解釋鋰離子電池的續(xù)航能力為什么越來越強大？同時讓學(xué)生對一塊鋰電池的“誕生”過程有個深入的了解，進一步引導(dǎo)學(xué)生對鋰電池材料的微觀世界進行探究和思考。然后說明本實驗教學(xué)項目的研究意義、目的及整個實驗內(nèi)容安排和教學(xué)時間流程，以及實驗過程中注意事項和安全問題，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)的文獻資料，了解掌握鋰電池材料的相關(guān)知識、制備技術(shù)和表征方法等。通過介紹讓學(xué)生對該實驗教學(xué)課題的研究內(nèi)容、研究方法和相關(guān)實驗技術(shù)以及現(xiàn)代表征分析設(shè)備有個初步的了解和認識。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生充分發(fā)揮自主能動性，從查閱參考文獻、設(shè)計實驗方案，獨立操作儀器設(shè)備、解決實驗過程中所遇到的問題和失敗、實驗數(shù)據(jù)整理和討論、以及實驗報告的撰寫都是讓他們獨立進行，在實際訓(xùn)練中培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題、解決問題的能力，綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[9-13]。

3 綜合實驗的教學(xué)效果

綜合性實驗教學(xué)項目的設(shè)立從科學(xué)問題的提出引出實驗的目的、內(nèi)容以及整個實驗流程，使學(xué)生產(chǎn)生思考和探索的濃厚興趣，有目的的查閱文獻資料，獨立操作現(xiàn)代儀器設(shè)備完成實驗，并獨立整理和分析實驗結(jié)果，總結(jié)實驗規(guī)律，不僅學(xué)習(xí)掌握了豐富的理論和實驗知識，還掌握了現(xiàn)代分析測試技術(shù)，培養(yǎng)了工程意識和獨立解決問題的能力。可以使學(xué)生很容易的理解所學(xué)的知識的系統(tǒng)化，關(guān)聯(lián)化，真正了解科學(xué)實驗的全過程以及知識的系統(tǒng)性、連貫性和綜合性，將所學(xué)知識系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，綜合運用理論和實驗知識獨立自主的解決實際科學(xué)問題和工程問題，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合創(chuàng)新思維和能力，同時對學(xué)生主動探索科學(xué)世界的鉆研精神有很大的鍛煉和提升，得以訓(xùn)練的科研精神和創(chuàng)造能力無論在以后的工作中還是學(xué)術(shù)研究中都非常有益。

綜合性實驗教學(xué)改革是以整體優(yōu)化為目標的，根據(jù)高校人才培養(yǎng)目標要求，按學(xué)科專業(yè)對實驗教學(xué)內(nèi)容和課程體系進行優(yōu)化整合，做到實驗教學(xué)和理論教學(xué)的相互協(xié)調(diào)促進，完善了實驗教學(xué)的知識結(jié)構(gòu)，豐富了實驗內(nèi)容，使綜合實驗教學(xué)更科學(xué)，更系統(tǒng)[14-16]。

4 結(jié) 語

綜合性實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新，不僅增加豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容和項目，在符合高等教育培養(yǎng)高科技人才的要求下，使學(xué)生充分地更大限度地利用實驗室的設(shè)備儀器進行實驗研究，增加了實驗教學(xué)的內(nèi)容和方法，極大的調(diào)動了學(xué)生進行實踐創(chuàng)新的積極性，激發(fā)主動實驗研究的鉆研精神和實際能力，提高了學(xué)生對專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣，全面鞏固和掌握了所學(xué)的實驗和理論知識。實踐證明，綜合性實驗教學(xué)的創(chuàng)新性改革取得了良好的教學(xué)效果，綜合性實驗教學(xué)改革是進行高水平創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的好方法。

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Research and Practice of Comprehensive Experimental Teaching

GENGHong-xia,JIANGXiao-lin

(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A comprehensive and creative experimental course was designed in terms of lithium battery. It makes the students understand and master the systematicness and necessity of the entire project. The teaching reform can not only improve the interests of the students’ creativity, but also help them to analyze and resolve the questions encountered during the experiments effectively. It can train and improve the comprehensive practice and innovative abilities of students, so it is very important to cultivate qualified scientific and technical talents in the new century.

comprehensive experimental teaching； lithium battery； creative ability

2014-06-23

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(51202122)

耿紅霞(1977-)，女，山東菏澤人，博士，工程師，主要從事材料科學(xué)、實驗力學(xué)方面的研究與教學(xué)工作。

Tel.：13581652190;E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0147-03