材料專業(yè)開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐*

程 化，盧周廣，葉 飛，王海鷗，田顏清

(南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系，廣東 深圳 510085)

為了加快本科生教育，教育部提出了“新工科”和“六卓越一拔尖”計(jì)劃，其目的是引導(dǎo)高校全面優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，深化專業(yè)綜合改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能，讓學(xué)生忙起來、讓教學(xué)活起來、讓管理嚴(yán)起來，全面振興本科教育，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-2]。眾所周知， 2017年我國(guó)成功試飛自主研發(fā)的大型客機(jī)C919，其研發(fā)歷時(shí)7年，其中很重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是高性能復(fù)合材料的攻堅(jiān)。目前C919的主體結(jié)構(gòu)有30%由高性能復(fù)合材料構(gòu)成，且該系列飛機(jī)下一代研發(fā)目標(biāo)是將主體中復(fù)合材料的比例提升至50%?？梢?，材料相關(guān)的科技在我國(guó)各種“卡脖子”領(lǐng)域占有極為重要的作用，材料科學(xué)工程專業(yè)的新型人才的培養(yǎng)勢(shì)在必行[3]。材料科學(xué)與工程專業(yè)兼具理科和工科的特點(diǎn)，總體目標(biāo)是要培養(yǎng)出既有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，又具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力、并有國(guó)際化視野的專業(yè)人才[4]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，材料分析是材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)。通過不同“材料合成-表征-應(yīng)用”全流程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，學(xué)生能夠掌握和了解材料的各種合成方法、分析方法及相關(guān)應(yīng)用。一方面幫助學(xué)生鞏固理論對(duì)于鞏固學(xué)生理論知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的基本素質(zhì)的形成；另一方面培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)去解決工程實(shí)踐問題的能力，引導(dǎo)他們養(yǎng)成科學(xué)求真的態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)周密的作風(fēng)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神[5-6]。然而，目前部分高校的實(shí)驗(yàn)課模式是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案按部就班的完成實(shí)驗(yàn)，課本上對(duì)于實(shí)驗(yàn)的原理步驟有詳細(xì)的解釋，在實(shí)驗(yàn)開始前學(xué)生已基本知道了實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7-8]。

為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分發(fā)揮這些作用，部分高校逐步增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例。然而，設(shè)計(jì)的內(nèi)容往往局限于實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)的設(shè)計(jì)即設(shè)計(jì)不同的合成條件或表征手段等等。同時(shí)，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)成為我國(guó)教學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，特別是在當(dāng)今的高校實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)用型高等學(xué)校更為突出，都在探索一條適合本校的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。然而，部分高校的開放性實(shí)驗(yàn)僅限于一種管理模式，當(dāng)一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)需要較多課時(shí)，學(xué)生無法在正常的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成故而采用開放性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開展[8-9]。

為了使設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)真正落到實(shí)處，有必要將設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與開放性實(shí)驗(yàn)結(jié)合，打開思路，設(shè)置開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必須在內(nèi)容上和課程組織上具備足夠的開放性。筆者所在的南方科技大學(xué)材料系面向大三學(xué)生開設(shè)了8個(gè)學(xué)分共126學(xué)時(shí)的《材料綜合實(shí)驗(yàn)》課， 此課程的主要目標(biāo)就是要培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代的新型的專業(yè)人才。為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，其內(nèi)容涵蓋了綜合性的、設(shè)計(jì)性的、開放性的大實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生有更多的參與，更多的主動(dòng)以及更多的合作討論等。依托于這門課程，筆者已經(jīng)對(duì)開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。本文中，筆者以其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)為例來進(jìn)行說明如何開展開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容該包括文獻(xiàn)調(diào)研、選題，制定并修訂實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案、再實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出(口頭報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告)等部分。同時(shí)，在教學(xué)過程中同學(xué)之間的討論，教師的及時(shí)指導(dǎo)，非正常課時(shí)時(shí)間段內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室開放管理都是必備條件。

1 實(shí)施設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要思路

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓學(xué)生的手和腦都忙活起來，需要避免讓學(xué)生按部就班辦的完成實(shí)驗(yàn)，因此需要精心設(shè)計(jì)和安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須是設(shè)計(jì)性的，關(guān)于要做什么怎么做學(xué)生要有主動(dòng)權(quán)，即學(xué)生需要自己制作實(shí)驗(yàn)方案，而指導(dǎo)老師就需要給出一個(gè)有效的主題讓學(xué)生可以有條件的自由發(fā)揮。對(duì)于指導(dǎo)老師來說，需要給出一個(gè)有一定科研或工程應(yīng)用背景，且兼具趣味性的主題，讓全班同學(xué)可以并樂于設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)方案，并保證實(shí)驗(yàn)方案能夠在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里實(shí)施開展；對(duì)于學(xué)生來說，針對(duì)已有的主題來制作實(shí)驗(yàn)方案，那么學(xué)生要做的只能是先確定做這個(gè)主題的哪一個(gè)方向(發(fā)現(xiàn)問題)，進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研(提出問題)，分小組及與指導(dǎo)老師討論(合作與協(xié)調(diào)能力)，進(jìn)而確定方案開展實(shí)驗(yàn)(解決問題)。在開展實(shí)驗(yàn)的過程中，由于方案的差異性，不同學(xué)生進(jìn)行材料合成的實(shí)驗(yàn)步驟可能不一樣，那么實(shí)驗(yàn)時(shí)間會(huì)不統(tǒng)一，因此開放性實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)該匹配進(jìn)來。同時(shí)，任何設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果都是未知的，不可能一次就成功，同學(xué)們會(huì)進(jìn)行多次的試錯(cuò)，這個(gè)過程中需要學(xué)生再次文獻(xiàn)調(diào)研，需要老師及時(shí)的指導(dǎo)，修訂實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)整理收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論分析。如圖1給出了設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容和一般流程。因此，要對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)是非常必要的。

圖1 開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容Fig.1 Main contents of the opening and designing experimental teaching

2 設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

在材料綜合課程大綱中有一項(xiàng)是電子顯微鏡SEM的操作與分析實(shí)驗(yàn)，最開始的實(shí)驗(yàn)方案是讓學(xué)生觀察幾種直接購(gòu)買的固體粉末樣品，然后寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，由于SEM設(shè)備只有一臺(tái)，學(xué)生只能一個(gè)一個(gè)的排隊(duì)上機(jī)操作，很浪費(fèi)時(shí)間且教學(xué)效果不好，學(xué)生興趣不大。因此，筆者對(duì)次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改為了一個(gè)設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生用這臺(tái)設(shè)備測(cè)試自己合成的樣品。筆者在開展設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題是“多孔合金薄膜材料的合成及應(yīng)用研究”，規(guī)定實(shí)驗(yàn)兩人一組，凡事有個(gè)商量能鍛煉合作能力，同時(shí)也規(guī)定合成出的材料是多孔的薄膜且至少含有兩種金屬，但不規(guī)定孔徑的大小與形貌，不規(guī)定金屬的種類，不規(guī)定合成方法，不規(guī)定應(yīng)用研究的方向。所以學(xué)生有很大的發(fā)揮空間，他們可以選擇合成大孔材料、微孔材料或介孔材料，可以選擇不同的金屬元素，可以用各種不同的合成方法如電化學(xué)、磁控濺射、溶膠凝膠、燒結(jié)法等等。因此，實(shí)驗(yàn)主題的設(shè)計(jì)的選取原則如圖2所示，圓形圖案中的參數(shù)為可變量，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好來進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，方形圖案中的參數(shù)為固定量，是限制范圍用的，讓學(xué)生在有條件的范圍內(nèi)自由發(fā)揮。拿到這個(gè)實(shí)驗(yàn)主題以后，學(xué)生用了一周的時(shí)間來進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，確定實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生提交上來的實(shí)驗(yàn)方案各不相同，隨后指導(dǎo)老師跟學(xué)生一一討論實(shí)驗(yàn)方案的可行性，并著手準(zhǔn)備原材料協(xié)助學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)等。

圖2 開放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主題的選取Fig.2 How to select of the topic of opening and designing experiments

授課對(duì)象是大三的學(xué)生，已經(jīng)具備基本的實(shí)驗(yàn)技能，但是有些具體實(shí)驗(yàn)具體情況下依然需要老師的指導(dǎo)，因此將此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步擴(kuò)展為開放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師基本需要隨時(shí)跟學(xué)生進(jìn)行交流以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。經(jīng)過材料系四個(gè)班級(jí)的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)可以成功合成出多孔合金薄膜并進(jìn)行應(yīng)用研究，還有部分同學(xué)沒有時(shí)間來完成這一部分實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)中，除書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告外我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示環(huán)節(jié)，也就是每個(gè)同學(xué)需要做一個(gè)15分鐘的報(bào)告，講述此實(shí)驗(yàn)中是如何選題，如何確定實(shí)驗(yàn)方案，如何開展實(shí)驗(yàn)的，以及如何進(jìn)行應(yīng)用研究或準(zhǔn)備做何種應(yīng)用研究。在這一步，筆者也有小小創(chuàng)新，就是除了指導(dǎo)老師的提問之外，還要求每位學(xué)生在聽完別的同學(xué)的報(bào)告時(shí)至少要對(duì)一至兩位同學(xué)提出問題，提高學(xué)生課堂的參與度，能夠讓課堂活起來。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

大部分學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利的完成了實(shí)驗(yàn)，成功合成出了要求的多孔薄膜材料。每個(gè)同學(xué)都對(duì)自己合成的薄膜樣品進(jìn)行了多次的SEM表征，看到孔的時(shí)候的喜悅和沒看到孔的時(shí)候的失落充滿了整個(gè)電鏡室。跟往屆學(xué)生觀察直接購(gòu)買的粉末樣品現(xiàn)象比較，他們更投入更開心，因?yàn)闃悠返牟町?，學(xué)生更好的掌握了SEM設(shè)備的操作技巧，知道了對(duì)于不同的樣品如何調(diào)節(jié)電鏡參數(shù)讓照片更漂亮。

進(jìn)行課程總結(jié)時(shí)候發(fā)現(xiàn)，學(xué)生制做的實(shí)驗(yàn)方案各不相同，都閱讀了至少6片以上的英文論文，沒有一組同學(xué)采用了相同的主要參考論文，說明筆者選的主題是正確的，能夠培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研的能力。由于不是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要討論的地方比較多，因此課堂學(xué)習(xí)氣氛很濃烈。同時(shí)，在最后的口頭報(bào)告環(huán)節(jié)，學(xué)生總結(jié)了各自查閱的文獻(xiàn)，講述了各自的實(shí)驗(yàn)流程，介紹了已經(jīng)做的應(yīng)用研究或準(zhǔn)備做的應(yīng)用研究。外加同學(xué)之間相互提問，學(xué)生們可以學(xué)習(xí)到更多關(guān)于多孔材料相關(guān)的知識(shí)，可以涉獵更多的多空薄膜的合成方法，能夠從這個(gè)實(shí)驗(yàn)課中能收獲很多。另外，南方科技大學(xué)的定位是世界一流大學(xué)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求全英文書寫，通過這一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生們的英語寫作能力也能得到提升。

此外，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的亮點(diǎn)成果之一，是有兩位同學(xué)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很順利的申請(qǐng)到了一個(gè)大創(chuàng)項(xiàng)目。亮點(diǎn)成果之二，是認(rèn)真貫徹執(zhí)行了“新工科”及“六卓越一拔尖”的人才培養(yǎng)模式。

4 結(jié) 語

開展設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)重要的因素需要注意，其一是要有一個(gè)好的主題，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性，有充滿挑戰(zhàn)性；其二，開放性就要求指導(dǎo)老師要能夠“隨叫隨到”，讓學(xué)生有堅(jiān)實(shí)的后盾，無后顧之憂；其三，除實(shí)驗(yàn)報(bào)告輸出外，口頭報(bào)告的輸出也很重要的，學(xué)生相互學(xué)習(xí)，他山之石可以攻玉。實(shí)踐證明通過開展這個(gè)設(shè)計(jì)性開放實(shí)驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、科學(xué)創(chuàng)新的能力以及分析解決問題的綜合能力，使其能夠?qū)⑺鶎W(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)知識(shí)靈活運(yùn)用以解決實(shí)際問題。