材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

李美靜 沈淑坤 陳建剛 胡道道

摘要：針對(duì)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合具體教學(xué)實(shí)驗(yàn)，探討了材料化學(xué)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方法。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革以學(xué)生為主體，以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，以理論與創(chuàng)新相結(jié)合為原則，有助于大學(xué)生將基礎(chǔ)學(xué)科無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等融入材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等應(yīng)用學(xué)科中，能有效地提高學(xué)生對(duì)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0127-02

本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新、由理論到應(yīng)用的模塊化、多維度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中掌握更多的材料化學(xué)前沿動(dòng)態(tài)，使學(xué)生對(duì)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和自主探索精神得到提高。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性能力，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能及創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)和必要手段，從而達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)和科研創(chuàng)新能力的目標(biāo)[1]。

一、對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)

1.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多學(xué)科交叉要求。傳統(tǒng)的材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常是注重對(duì)某一基礎(chǔ)學(xué)科的基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣往往不能培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通的能力，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)不到理想的效果。因此，在材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)中將基礎(chǔ)學(xué)科如無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等融入材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等應(yīng)用學(xué)科中，能有效地提高學(xué)生對(duì)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)二氧化鈦及硅藻土材料的概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途，掌握二氧化鈦光催化機(jī)理，熟悉溶膠-凝膠反應(yīng)機(jī)理、材料負(fù)載工作原理及其實(shí)驗(yàn)過(guò)程，掌握復(fù)合材料的光催化性能測(cè)試，了解新型功能復(fù)合材料在廢水處理、甲醛吸附等環(huán)保領(lǐng)域的重要性。

2.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性和實(shí)用性要求。傳統(tǒng)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)僅對(duì)實(shí)驗(yàn)本身進(jìn)行要求，而忽視了對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的效果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)生活的重要作用。因此，在材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)中需注重其本身的創(chuàng)新性和實(shí)用性。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，TiO2光催化劑在紫外光激發(fā)下可用來(lái)催化分解很多有機(jī)物，具有光催化效率高、吸收紫外線的能力強(qiáng)、表面活性大、分散性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，二氧化鈦材料（TiO2）被廣泛應(yīng)用于污水治理、室內(nèi)空氣凈化等環(huán)境保護(hù)方面。但是，由于粉末TiO2粒徑小，與靶向污染物的接觸概率甚小，因此，需要將其固定在一定的載體上。而硅藻土具有獨(dú)特的硅藻殼體，且表面為多孔結(jié)構(gòu)，具有較低的密度、較強(qiáng)的吸附能力、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用硅藻土作為固定粉末TiO2的載體。將TiO2-硅藻土結(jié)合起來(lái)制備的復(fù)合光催化材料既能通過(guò)TiO2在硅藻土內(nèi)部及表面附著以解決TiO2使用后難以回收的難題，又可以利用基質(zhì)硅藻土吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)將污染物吸附至其表面，增加其與催化劑的接觸面積，進(jìn)而有利于提高降解速率。材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和實(shí)用性要求有助于學(xué)生發(fā)散思維，將具有優(yōu)勢(shì)的各種材料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膹?fù)合，從而得到一種效果更為理想的復(fù)合材料。

3.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面性要求。傳統(tǒng)材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)僅僅能讓學(xué)生學(xué)習(xí)幾種基本的表征手段，因此，在綜合實(shí)驗(yàn)改革中應(yīng)讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用多種有效的表征分析手段。例如，為了研究樣品的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等需對(duì)材料表面進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析;能量色散X射線光譜儀附件，即EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy），借助于EDX能譜分析進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性分析;紫外分光光度計(jì)的使用，等等。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，采用紫外分光光度計(jì)測(cè)試TiO2-硅藻土復(fù)合材料光催化分解有機(jī)染料的效率，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)量甲基橙的吸光度的變化，據(jù)此判斷制備的TiO2-硅藻土復(fù)合材料是否具有光催化。這有利于學(xué)生自主使用不同的用于表征的大型儀器，從而使學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上對(duì)大型儀器的使用也有了一定認(rèn)識(shí)。

4.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生觀察分析能力的要求。傳統(tǒng)的材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)生只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)能力欠佳，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革需強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行解釋說(shuō)明、總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的能力。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由學(xué)生小組內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理分析：經(jīng)紫外光輻照后，TiO2-硅藻土復(fù)合材料開始催化降解甲基橙染料，由圖1可以看出，制備的TiO2-硅藻土復(fù)合催化劑能達(dá)到提高降解污染物速率的目的，且隨光照時(shí)間的增加，降解率進(jìn)一步提高，紫外光輻照40min后，甲基橙染料完全褪色。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的光降解模擬污染物的測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)觀察甲基橙顏色蛻變，增加了學(xué)生對(duì)材料應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)知，提高了學(xué)生對(duì)材料化學(xué)的科研興趣。

二、對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改進(jìn)尤為重要，在對(duì)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采取學(xué)生在課前以小組為單位查閱大量文獻(xiàn)資料，尋找最佳實(shí)驗(yàn)方法，小組內(nèi)進(jìn)行討論，并與教師進(jìn)行溝通，從而確定實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體可以按如下方法進(jìn)行：將學(xué)生分為六人一組進(jìn)行搜集資料，討論，歸納整理得到實(shí)驗(yàn)方案。接下來(lái)，首先集中討論各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出本綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中需要注意的安全事項(xiàng)。然后各組學(xué)生組內(nèi)合作進(jìn)行復(fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)。例如，在氣相法制備TiO2-硅藻土復(fù)合材料及光催化性能演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過(guò)查閱資料可知，目前，國(guó)內(nèi)材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教材中，關(guān)于制備TiO2光催化材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)內(nèi)容主要有：溶膠-凝膠法[3]、水解法、機(jī)械力活化法、水解沉淀法等。通過(guò)對(duì)比分析得知?dú)庀嗳苣z-凝膠法為在硅藻土基質(zhì)上固載二氧化鈦的簡(jiǎn)易制備方法，該方法可操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)便環(huán)保，并且易于得到所需的復(fù)合材料。小組合作的教學(xué)方式有利于每個(gè)學(xué)生充分參與到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)當(dāng)中，并在這個(gè)過(guò)程充當(dāng)一定的角色，有助于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本環(huán)節(jié)及學(xué)生與教師的主要任務(wù)如圖2所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

材料化學(xué)前沿的本科綜合性實(shí)驗(yàn)旨在考查學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)有關(guān)過(guò)程包含復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、合成與表征。在實(shí)驗(yàn)操作與樣品表征過(guò)程中，有利于學(xué)生自主使用不同的用于表征的大型儀器，從而使學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上對(duì)大型儀器的使用也有了一定認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)制備的復(fù)合材料利用不同表征方法得到的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，使學(xué)生充分理解材料設(shè)計(jì)的原理，鞏固了材料化學(xué)中相關(guān)材料制備與表征的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]常金榮，鄺棗園，譚宇蕙，等.生物技術(shù)專業(yè)開放與自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探[J].教育教學(xué)論壇，2018，（13）：155-156.

[2]陳萬(wàn)平.材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017：84-85.

[3]云南大學(xué)材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)教研室.材料物理與化學(xué)制備實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：17-22.