材料科學與工程專業(yè)材料化學基礎實驗的改革與探索

范長嶺 李玉平 陳石林 何月德 尹斌 韓紹昌

摘要：實踐教學的質量直接關系著高等教育的水平。圍繞我?！恫牧峡茖W與工程》專業(yè)的材料化學基礎實驗，我們進行了一些有益的改革和探索，系統(tǒng)分析了改革的必要性、內容、特點及效果。這些改革緊密結合材料專業(yè)的特點，激發(fā)了學生的學習熱情和積極性，最終取得了一定的成效。

關鍵詞：材料科學與工程專業(yè)；材料化學基礎實驗；改革；探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）42-0127-02

實驗教學是高等學校培養(yǎng)本科生操作技能的重要途徑，但是從目前來看，實驗教學得不到有效的重視，但未來恰巧需要的是具有良好操作技能、解決實際問題的專業(yè)人才。為此，不少學者圍繞實驗教學開展了許多有益的探索[1-5]。近年來，我校圍繞《材料科學與工程》專業(yè)的材料化學基礎實驗也開展了一系列的改革和探索。

一、教學改革的必要性

湖南大學材料學科的發(fā)展歷史最遠可以追溯到20世紀初開辦的礦科、窯科和機械科，而材料科學與工程學院則成立于2000年底，具有“老學科、新學院”的特點。學院現(xiàn)有材料科學與工程專業(yè)、材料成型與控制兩個本科專業(yè)，其中材料科學與工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，而化學在材料專業(yè)中具有基礎性的地位，這是因為材料的方方面面都與化學知識密不可分。因此，不管是在過去幾年的教學實踐中，還是在學校最新的“2015版教學計劃”中，材料化學基礎都是進入大學階段的一年級新生的必修課程，主要涉及無機化學、有機化學、物理化學和分析化學等四大化學課程。與之相對應，學?；瘜W化工學院針對全校開設了“基礎操作化學實驗”，該課程為化學、化工、生物、醫(yī)學、材料等專業(yè)開設，主要實驗項目有：天平的使用方法及稱量、容器的校準、標準溶液的配制、滴定分析操作練習、酸堿滴定法測定混合堿中各組分的含量、熔點的測定、重結晶方法及其練習、蒸餾及沸點的測定等八個實驗項目。

上述項目重點在于教會學生掌握基礎操作知識，實驗項目之間聯(lián)系不強，是一個個獨立的個體實驗項目，對材料專業(yè)的針對性不強，不利于材料類專業(yè)學生的創(chuàng)新及綜合能力的培養(yǎng)，且與我們材料專業(yè)培養(yǎng)目標的要求有一定差距。

二、教學改革的探索

1.教學項目的改進。在“2015版教學計劃”中，我們圍繞該實驗課程進行了探索性的改革，以提高學生的專業(yè)認知度為出發(fā)點，以提高學生的實驗操作技能為根本，圍繞無機化學和分析化學這兩門課程的有關知識點，突出無機材料中關鍵組成元素的含量測定，讓學生更早接觸專業(yè)，了解專業(yè)，激發(fā)學生的專業(yè)興趣。

在實驗中我們開設了如下八個項目：化學實驗基本常識及安全守則、基本操作技能、標準溶液的配制及滴定分析、樣品的制備、溶液配制及顯色測定、多元素快速分析儀的使用、火焰光度法測定K2O和Na2O、經(jīng)典分光光度法測定Fe2O3。該門實踐教學課程要求學生以深刻領會光度分析的原理，牢固掌握無機材料中常見成分的快速分析方法為中心。材料化學基礎實驗課程的開設結合了材料科學與工程專業(yè)的實際，設立的實驗項目不再是獨立的、互相割裂的個體，而是形成了一個有機的整體，組成一個完整的實驗系列，前后緊密聯(lián)系，不可分割，具有較強的設計實驗的特點。

2.教學過程的開展。該門實驗課程要求學生以深刻領會光度分析原理的方法為中心，在學生進入實驗室動手實驗之前，指導教師重點講述化學實驗的一些基本常識及安全守則，讓他們對實驗內容事先有一個感性認識，然后對學生初步講解多元素快速分析儀的工作原理及使用方法，明確這門實踐課程的中心任務，即測定某種無機材料組成元素的含量，并通過查詢相關資料，最終鑒定出材料的類別。然后圍繞上述中心，讓學生循序漸進地學習和掌握基礎化學實驗的一些基本操作技能，比如電子分析天平的正確使用及稱量的不同方法，實驗化學試劑的分類，常用玻璃器皿的清洗、干燥及使用方法。接著學習掌握滴定分析的基本操作，在練習“酸堿滴定法”的基本操作過程中，學生重點掌握滴定管和移液管等容量儀器的使用方法以及熟悉甲基橙、酚酞等指示劑的使用和滴定終點的判斷。在上述基礎上，學生進一步練習及掌握用于多元素分析的混合標準溶液的配制方法，學習無機材料的粉碎及用四分法制備均勻粉狀樣品，并掌握高溫熔樣的實驗技能。緊接著學習溶液的顯色原理、重點掌握掩蔽劑的工作原理，并能根據(jù)不同的溶液離子，學會選擇適宜的掩蔽劑以及掌握顯色劑的顯色方法和實驗條件。最后每個實驗小組學生自主選擇某種無機材料，學會熟練操作使用多元素快速分析儀測定各種元素含量，通過查詢相關資料，鑒定出無機硅酸鹽材料的類別。最后，采用經(jīng)典的分光光度法測定其中Fe的國家標準方法。

三、教學改革的亮點

1.強調實驗的安全。近年來，安全事故在各大學實驗室常有發(fā)生，實驗室安全顯得十分重要。該門課程的授課對象又是剛從高中走入大學校門的新生，這些新生的安全意識不強、安全知識不夠。因此，為了切實保證學生的身心健康，提高其安全意識，使其順利完成實驗教學任務，我們設計了一次實驗室安全知識和安全防護的講座，讓學生在進行化學實驗時的安全意識、安全知識、防護措施等有了質的提高，從而保證學生不受傷害，順利完成學業(yè)。

2.評價方法的改革。由于有些實驗操作的過程較簡單，僅僅通過提高學生的操作技能，無法準確評價學生的實驗成績，除了傳統(tǒng)的考察學生的實驗預習情況，統(tǒng)計學生在實驗過程中的認真程度、實驗報告的撰寫外，我們還仔細考察了幾個重要實驗的實驗結果與標準數(shù)據(jù)的差別，將實驗結果的準確性引入學生成績的評價中，這樣就能更加全面地評價學生的實驗成績。

3.激發(fā)學生的興趣。原有的實驗教學項目主要采用的是常見的燒杯、容量瓶、移液管等器材，這些傳統(tǒng)的簡單條件，很難激發(fā)新一代大學生的興趣。為此，在制定教學用儀器設備的過程中，我們利用學校專業(yè)綜合改革的資金投入，購入在行業(yè)內廣泛使用的多元素快速分析儀，可以一次性放置48個發(fā)色杯，測量8個樣品的6種元素，不僅能手動加入各種掩蔽劑、樣品溶液、顯色劑，還能用儀器自動加入上述試劑，自動化程度很高。各種移取液體的操作，除了讓大家掌握吸量管、移液管等方法外，還購入一定數(shù)量的移液器（俗稱移液槍），讓大家開闊了視野，這就更加貼近現(xiàn)實，激發(fā)學生的興趣，從而提高實驗的熱情和認真程度。

除了采用自動化程度高的多元素快速分析儀測定各種無機材料中的Si、Al、Fe、Ti、K、Na、Ca、Mg等常見元素的含量外，還購入新型的分光光度計，引入了國家標準中經(jīng)典的分光光度法測定上述無機材料中的Fe元素的含量，不僅讓學生掌握經(jīng)典的分光光度法的相關原理，還能體會技術革新、儀器設備進步帶來的實驗準確性的提高，分析測試速度的加快，從而更加有效地激勵大家努力學好專業(yè)知識及做好實驗的積極性。

4.課程的專業(yè)亮點?！安牧匣瘜W基礎實驗”實踐課程強調以學生為中心，鼓勵他們用課堂上獲得的基礎理論知識緊密聯(lián)系本課程實踐，自主學習，在預習實驗講義過程中能善于發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱相關文獻資料去解決實驗當中遇到的問題。

該課程引入科研思維，即鑒定無機材料的類型，引導學生學會科學地思考方法，同時將以往的重復實驗改為與科研緊密結合的設計探索性實驗，在實驗教學中不斷增加開放度，放手讓學生積極思考，大膽嘗試和探索。這種由單一的、重復性的驗證性實驗向設計性、綜合性、探索性實驗轉變，既有舊知識地再現(xiàn)，也有新知識的產生，訓練了學生的科學研究素質，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，也提高了學生解決新問題的能力，以及后續(xù)獨立開展新實驗的科研能力。

四、教學改革的效果

實施效果表明，該實驗課程大大激發(fā)了學生對實驗的興趣，也提高了他們自主學習的能力。學生普遍反映，通過本實踐課程的學習，他們的理論知識聯(lián)系實際的能力、實踐動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力得到了顯著提高。這為他們創(chuàng)新能力的提高打下了有利的基礎。

參考文獻：

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