基于科研反哺教學的《材料綜合實驗》教學改革*

翟天亮，韋良強，吳 珊，牛延慧

(貴州師范學院化學與材料學院，貴州 貴陽 550018)

隨著社會生產力水平的發(fā)展，全球科技創(chuàng)新進入密集活躍期，中國同樣進入了產業(yè)轉型的關鍵時刻[1]?？茖W研究對于產業(yè)升級、國家發(fā)展甚至人民生活水平都具有至關重要的影響。然而，在高等教育的課堂中存在科研與教學分離的情況[2]。隨著國家創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略的實施，高校對人才培養(yǎng)中科技創(chuàng)新要素的重視程度不斷增加[3]。高校培養(yǎng)具有“創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力”的高級人才，不僅需要基礎實驗項目來訓練學生，更需要開發(fā)具有創(chuàng)新性和前沿性的綜合性實驗項目來提升學生的綜合素質[4]。

《材料綜合實驗》是材料科學與工程本科專業(yè)的核心課程，是以《材料科學基礎》、《材料化學》、《材料物理》等材料學專業(yè)課為基礎，通過物理和化學手段運用實驗技術與方法解決材料制備問題的實驗課程。用于培養(yǎng)學生基礎實驗能力、實踐動手能力、知識運用能力和科學思維能力。然而，目前材料學實驗教學中存在實驗項目僵化，實驗內容與學科前沿脫離，實驗知識陳舊等問題[5]。將科研成果運用于材料學實驗課程改革，可以實現(xiàn)科研與教學的統(tǒng)一。本文以“導電聚氨酯泡沫的制備與性能表征”實驗為例，探索了在科研反哺實驗教學視角下的實驗課程教學設計。

1 科研反哺教學在《材料綜合實驗》課程中實踐的優(yōu)勢

材料科學與工程專業(yè)是注重理論與實踐相結合的工科專業(yè)。該專業(yè)不僅要求學生具有堅實的專業(yè)知識，也要求學生具備扎實的實驗技能以及創(chuàng)新能力?！恫牧暇C合實驗》即是為培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際能力、動手操作能力和創(chuàng)新意識而開設的課程。這門課程涵蓋了高分子材料、無機非金屬材料和金屬材料的合成與制備，也包含了材料結構表征、材料力學性能測試、電磁性能測試等材料測試與表征方法，同時要求學生對所得數(shù)據(jù)進行分析處理。該課程的授課內容與材料科學的科研內容相近。將科研成果進行提煉和總結，形成具有學科前沿理論內涵的實驗設計對實驗項目進行指導和綜合分析，就可以起到科研反哺教學的效果。

2 科研成果在《材料綜合實驗》課程教學中的應用

隨著課程建設和教學改革的穩(wěn)步推進，《材料綜合實驗》課程授課團隊教師在開展各自領域科研工作的同時注重科研成果的提煉和總結，已經將多項科研成果應用于實驗項目的設計中。目前課程所設置的實驗項目中有多個實驗項目源自教師的科研成果，包括“導電聚氨酯泡沫的制備與性能表征”、“玻纖增強聚丙烯復合材料的注塑成型”、“新型吸附材料的制備及性能表征”、“光固化材料的制備及光引發(fā)劑活性及遷移穩(wěn)定性性能測試實驗”等實驗項目。豐富了課程實驗項目，并極大的改善了課程原來實驗項目內容陳舊，演示型實驗多綜合型實驗少的缺點。除了突出創(chuàng)新性和綜合型的實驗項目外，為了兼顧學科知識體系和課程特點，也保留了部分基礎型的實驗項目，使實驗項目具有多層次性。

3 “導電聚氨酯泡沫的制備與性能表征”課程的實驗課程教學設計

3.1 實驗教學設計背景

聚氨酯被譽為“第五大塑料”。目前全球年產量為3000萬噸左右，我國占全球產量的約45%，已成為世界最大的聚氨酯生產國和消費國。聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料中的最大品種，學習聚氨酯泡沫塑料的制備方法符合應用型材料科學相關專業(yè)本科生的培養(yǎng)要求。聚氨酯是主鏈上含有重復氨基甲酸酯基(-NHCOO-)結構單元的一類聚合物，由異氰酸酯與多元醇通過逐步聚合而來。作為重要的聚合物類型，聚合機理在《高分子化學》課程第二章縮聚與逐步聚合中已經學習過。水發(fā)泡法是制備聚氨酯泡沫塑料的常用方法，即利用水分子與異氰酸酯作用生成二氧化碳氣體的反應作為發(fā)泡反應，并與聚氨酯分子的鏈增長反應和交聯(lián)反應相配合完成聚氨酯泡沫塑料的合成[6]。碳納米管是一種由碳原子形成的具有納米尺寸的管狀物。通過適當方式將碳納米管均勻分散至聚合物基體中即可制備導電復合材料。

該實驗項目授課教師在前期的科研中發(fā)現(xiàn)，通過簡單的球磨分散法即可制備碳納米管/聚氨酯泡沫導電復合材料。所得復合材料的導電性能具有典型的逾滲行為，符合逾滲理論模型。逾滲理論的核心思想是當系統(tǒng)的某一組分達到某一特定值時，系統(tǒng)的某些物理量的連續(xù)性會突然消失[7]。體現(xiàn)在導電復合材料中即表現(xiàn)為導電填料濃度達到某一濃度時，材料將發(fā)生從絕緣到導電的突變，這一濃度成為滲流閾值。而滲流閾值的高低，則受導電填料類型、分散狀態(tài)、界面相容性、制備工藝等諸多因素的影響。

3.2 實驗教學目標與設計思路

通過“導電聚氨酯泡沫的制備與性能表征”實驗達到以下教學目標：(1)掌握聚氨酯鏈增長反應、發(fā)泡反應和交聯(lián)反應的化學反應方程式；(2)掌握球磨機的工作原理和使用方法；(3)掌握材料體積電導率的測試方法；(4)了解聚合物基納米復合材料的逾滲理論模型和滲流閾值的基本概念。

針對以上教學目標對實驗課程進行教學設計，可概況為如下幾個方面。預習環(huán)節(jié)：對于實驗課程中涉及到已學習過或適合自學的知識，應布置在課前預習內容中。如教學目標(1)中包含的三種化學反應方程式，教學目標(2)中的球磨機工作原理，教學目標(4)中涉及到的碳納米管的物性和滲流理論模型等。

講解環(huán)節(jié)：在講解環(huán)節(jié)中包含各類化學反應方程的精講、學科前沿理論、實驗原理、儀器操作和性能測試等方面內容。其中，在化學反應方程的講解中應著重介紹發(fā)泡反應與鏈增長反應和交聯(lián)反應的區(qū)別和聯(lián)系，以及發(fā)泡過程中三者的配合關系。并引出發(fā)泡反應配方中其它組分的作用。在球磨機使用方法介紹中，應結合球磨機工作原理著重強調球磨法對納米材料的剪切分散作用，并引出納米填料分散狀態(tài)對復合材料電學性能的影響。在逾滲理論模型講解中應著重介紹在無規(guī)分散狀態(tài)下，納米導電填料在聚合物基體中導電通路的形成過程和影響因素。

實驗實施環(huán)節(jié)：為了讓學生可以通過分析實驗數(shù)據(jù)更直觀的理解逾滲理論和滲流閾值的概念，應至少設置4種碳納米管含量。其中質量分數(shù)處于0.5%～1.0%碳納米管含量范圍的樣品不少于2個。每個實驗小組負責制備一種碳納米管含量的樣品。最后匯總所有樣品的電導率，現(xiàn)場繪制碳納米管含量-電導率曲線，觀察曲線中是否存在電導率突變。突變處附近的碳納米管含量即為滲流閾值。若不存在則需結合實驗過程和現(xiàn)象分析存在的問題。

報告撰寫環(huán)節(jié)：由于影響碳納米管/聚氨酯泡沫復合材料的電導率的因素很多，因此需要讓同學們在報告撰寫環(huán)節(jié)針對實驗中的關鍵步驟進行回顧和分析。列舉可能對結果造成負面影響的操作。再根據(jù)自己小組的數(shù)據(jù)結合碳納米管含量-電導率曲線簡單闡述碳納米管/聚氨酯泡沫復合材料的逾滲行為。在思考題的布置中應著重啟發(fā)學生對影響電導率因素的思考。

實驗評價環(huán)節(jié)：分為課堂表現(xiàn)和實驗報告兩個環(huán)節(jié)。其中課堂表現(xiàn)側重與評價學生在實驗過程中的操作規(guī)范性、動手積極性和團隊協(xié)作能力。實驗報告的評價則側重于學生對實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力和思考題的回答情況。

3.3 實驗教學過程設計

預習與講解階段：提前一周將“導電聚氨酯泡沫的制備與性能表征”實驗預習任務布置給學生。需要預習的內容包括水發(fā)泡法制備聚氨酯泡沫塑料的化學反應式及反應原理，聚合物基導電納米復合材料的基本概念以及參考書中關于導電逾滲行為及機理的章節(jié)[7]。同時布置思考題，如何測試導電納米復合材料的滲流閾值。在課堂講解過程中，著重講解發(fā)泡機理與發(fā)泡過程控制方法、水發(fā)泡體系各組分的作用，經典逾滲理論模型以及體積電導率的測試方法。

實驗實施階段：根據(jù)上課人數(shù)將學生分成4個小組，每個小組分別負責制備碳納米管含量為0.2%，0.5%，1.0%，1.5%，共4種不同含量的碳納米管/聚氨酯泡沫復合材料，并測試所得材料的密度和體積電導率。根據(jù)前期科研結果，該復合材料的滲流閾值即在0.5～1.0 wt%之間。只要碳納米管分散狀態(tài)控制得當，即可通過測試復合材料電導率的方式得到復合材料的滲流閾值。

實驗報告撰寫階段：本階段要求學生首先對自己的實驗操作過程進行回顧和分析。特別是可能影響到發(fā)泡反應和碳納米管分散的關鍵步驟，若實驗操作可能對實驗造成負面影響則需要詳細說明。其次，要求學生收集課堂上其他小組的實驗數(shù)據(jù)并結合自己的數(shù)據(jù)進行分析。由于4中碳納米管含量的復合材料由不同小組學生制備，在樣品制備和電導率測試環(huán)節(jié)人為因素可能對實驗結果造成較大影響。因此，需要完成如下思考題：(1)碳納米管含量是否對復合材料的密度造成影響，為什么？(2)碳納米管含量與復合材料體積電導率的關系如何，滲流閾值是多少？(3)實驗過程中哪些操作和關鍵步驟會對復合材料的密度和電導率造成嚴重影響，為什么？

實驗評價階段：實驗課程成績由預習報告、實驗操作(課堂表現(xiàn))、實驗結果、實驗報告等部分組成。根據(jù)評價內容也可分為課堂表現(xiàn)和實驗報告兩個方面[8]。課堂表現(xiàn)除了觀察學生的實驗操作外，也要將學生提問、問題解決、團隊協(xié)作、衛(wèi)生情況等因素納入考察范圍。實驗報告方面，重點考察學生預習、實驗結果、問題分析和思考題回答情況。特別是通過思考題的回答，可以很好的判斷實驗課程是否達到預期效果。

4 實驗教學效果優(yōu)化

《材料綜合實驗》已在17、18、19級材料科學與工程專業(yè)共計160名學生中進行了科研反哺教學的探索和實踐。學生對該課程的滿意度評分呈明顯上升趨勢，分別為95.84，96.14和97.92，說明科研反哺教學實踐取得了較好的效果?！皩щ娋郯滨ヅ菽闹苽渑c性能表征”實驗課程在實踐過程中積累了寶貴經驗。同時也發(fā)現(xiàn)了存在的問題，歸納如下：(1)理論模型難懂，學生短時間難以理解。(2)學生控制體系發(fā)泡過程能力較弱，存在操作不當導致發(fā)泡失敗的情況。(3)實驗時間較長，課程經常性超時。(4)泡沫材料電導率影響因素較多，綜合各小組實驗數(shù)據(jù)繪制的曲線往往沒有規(guī)律。

實驗教學優(yōu)化建議如下：(1)弱化學術角度的理論模型講解，換以通俗易懂的語言描述模型建立過程。(2)優(yōu)化實驗課堂時間分配，充分利用實驗的等待時間進行理論講解和實驗操作說明。(3)課前試做實驗必不可少。由于聚氨酯發(fā)泡過程對發(fā)泡體系的粘度具有高度敏感性，若體系粘度過高則無法獲得均勻發(fā)泡的材料。課前應當通過試做實驗檢驗當前配方能否獲得正確發(fā)泡的材料。(4)與學生一起進行最后的發(fā)泡操作。由于學生對發(fā)泡過程不熟悉，無法辨別發(fā)泡反應是否已經開始，因此在發(fā)泡環(huán)節(jié)學生需要在教師的現(xiàn)場指導下完成發(fā)泡實驗。

5 結 語

實踐證明，以“科研反哺教學”的方式對《材料綜合實驗》進行的教學改革取得了較好的效果。在科研反哺實驗教學視角下對實驗課程進行教學設計不僅能夠豐富實驗項目解決實驗項目內容陳舊的問題，還可以實現(xiàn)科研與教學在實驗課程上的統(tǒng)一。通過這種方式，可以不斷提高教師的教學質量與科研水平，促進教學與科研的互助相長和融合發(fā)展。科研成果在實驗課程上的應用，一方面提升了實驗課程的教學質量，同時也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作意識。對培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才具有積極推動作用。