探究式教學在材料綜合實驗課程中的應用

摘" 要" 針對當前高校工科專業(yè)實驗課程傳統(tǒng)的填鴨式教學模式存在的問題，以“澆鑄法制備聚合物基導電納米復合材料及性能表征”實驗為例，運用探究式教學法對材料綜合實驗課程進行教學改革。通過本課程的教學實踐，可以培養(yǎng)學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作意識，為材料學實驗課程教學改革提供新案例和新思路。

關鍵詞" 探究式教學法；材料綜合實驗課程；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642.423" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）15-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.15.074

0" 引言

探究式教學法是以學生為主體，通過激發(fā)學生的積極性從而自主完成課程知識建構的教學方

式[1]。自20世紀80年代開始，我國的教育工作者就開始了探究式教學的研究和實踐。1981年，張熊飛[2]提出“誘思探究”的理念。2001年我國教育學家靳玉樂[3]在《探究教學論》中闡述了“探究式”教學及其實施方案。2003年，教育部將科學探究納入課程標準[4]。2014年發(fā)布的《教育部關于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務的意見》提出要推廣“自主、合作、探究”的學習方式。

近年來，國家越發(fā)重視創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。探究式教學法也開始出現(xiàn)在高校的教學改革研究中 [5]。河北地質(zhì)大學李敬敬[6]在《材料工藝學》的教學改革中運用了探究式教學法，提升了學生的學習興趣，取得了顯著的教學效果。湖北大學吳燦等[7]在納米材料合成與制備實驗課程中運用了探究式教學法，以提升學生思考問題、分析問題、解決問題的能力。

實驗課的傳統(tǒng)教學方式是按照既定的實驗步驟，在教師的演示和指導下，學生完成實驗操作、數(shù)據(jù)處理和結果分析等一系列實驗內(nèi)容，容易形成填鴨式的教學模式，難以激發(fā)學生主動學習的興趣。運用探究式教學法有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力，提高實驗課程教學質(zhì)量。本文以“澆鑄法制備聚合物基導電納米復合材料及性能表征”實驗為例，運用探究式教學法對材料綜合實驗課程進行教學改革。

1" 材料綜合實驗課程教學目標

材料綜合實驗是材料科學與工程本科專業(yè)的核心課程，重在培養(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。材料綜合實驗課程內(nèi)容包括材料合成與制備、測試與表征、數(shù)據(jù)處理與分析三個部分。

2" 探究式教學在材料綜合實驗課程教學中

的應用前景

開設材料綜合實驗的目的是讓學生“一站式”學習材料科學研究與生產(chǎn)的一般方法。從課程內(nèi)容設計上材料綜合實驗與科研相近。在此前的教學改革中，任課教師將自己的科研成果運用到實驗課的教學改革之中[8]。然而，這還無法起到激勵學生自主學習的目的。經(jīng)過教研室討論研究，筆者認為只要在教學設計上“退一步”，不要采用“最優(yōu)方案”作為授課內(nèi)容，而是把“如何取得最優(yōu)方案”作為教學目標，既發(fā)揮了科研成果在實驗項目上的優(yōu)勢，又有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力。因此，材料綜合實驗適合運用探究式教學法進行教學改革。

3" “澆鑄法制備聚合物基導電納米復合材

料及性能表征”實驗教學設計

3.1" 實驗教學設計背景

聚合物具有質(zhì)輕、價廉、性能優(yōu)越、易成型加工等優(yōu)點。然而，隨著科技的快速發(fā)展和市場需求的增加，聚合物原本的優(yōu)良性能在新興領域中卻成為了缺點。例如，由于聚合物具有電絕緣性，礦井中的塑料傳送帶和輸油管道會產(chǎn)生靜電積累，存在電火花引發(fā)爆炸的安全隱患。在電子信息領域，靜電積累會造成集成電路板的靜電擊穿。因此，通過適當?shù)姆椒▽щ娂{米粒子與聚合物進行混合制備具有導電性能的復合材料，對滿足工農(nóng)業(yè)以及國防的實際需求和推動材料科學的發(fā)展具有重要的理論意義和工程應用價值[9]。

球磨分散是利用球磨珠在高速旋轉下產(chǎn)生的強大剪切力對聚合物基體中的納米粒子進行均勻分散的一種方法。碳納米管（CNT）是一種納米級管狀碳材料，具有優(yōu)異的力學性能和導電性能。硅橡膠（PDMS）是由高分子量的線型聚有機硅氧烷分子交聯(lián)而成的橡膠態(tài)彈性體，具有優(yōu)異的力學性能、耐高低溫性能和耐腐蝕性能。本實驗采用球磨分散法將CNT分散至PDMS基體中制備CNT/PDMS導電復合材料。通過調(diào)節(jié)CNT含量、球磨轉速、球磨時間、溶劑含量探索CNT/PDMS復合材料的最佳制備工藝。

3.2" 實驗教學目標與設計思路

通過“澆鑄法制備聚合物基導電納米復合材料及性能表征”實驗達到以下教學目標：

1）掌握球磨法制備聚合物基納米復合材料的原理和一般方法；

2）掌握橡膠拉伸強度的測試方法；

3）掌握材料體積電導率的測試方法；

4）了解聚合物基導電復合材料電導率的影響因素及改進方法。

針對以上教學目標對實驗課程進行教學設計。在預習環(huán)節(jié)提煉出實驗課程中原理性內(nèi)容和基礎理論知識，編制預習文檔。

具體教學目標有：

1）行星式球磨機的工作原理及操作方法；

2）拉伸性能的測試原理及方法；

3）體積電導率的物理意義及測試方法等。

3.2.1" 講解環(huán)節(jié)

介紹學科前沿理論、實驗原理、儀器使用及操作、樣品性能測試等內(nèi)容。其中，在聚合物基導電復合材料力學和電學性能影響因素的講解中著重介紹納米填料分散狀態(tài)、分散方法對材料性能的影響，引申出復合材料電導率的影響因素和常見改進方法。在實驗方法介紹中，著重介紹球磨機工作原理和對材料的剪切分散作用。

3.2.2" 實驗實施環(huán)節(jié)

分為樣品制備和性能表征兩次實驗課。樣品制備課程中在基礎工藝的基礎上設置4個變量，每個變量包含4個水平值。學生3～4人一個小組，負責一個實驗變量中一個水平值下的樣品制備和表征工作。通過這種分組設計，將原本單一的實驗方法轉變?yōu)?6個條件不同又相互關聯(lián)的一組實驗方法。性能表征課程中，要對制備所得的材料進行拉伸性能和體積電導率測試。在學習完儀器操作、數(shù)據(jù)記錄和處理方法之后，每個小組分別測試各自樣品的拉伸強度和體積電導率。

3.2.3" 報告撰寫環(huán)節(jié)

實驗報告中應完整記錄材料的制備工藝、原料用量、測試方法和原始數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理部分應完整寫明數(shù)據(jù)處理過程和計算結果，并添加所在大組和四個大組的數(shù)據(jù)對比結果，總結4個變量對材料性能的影響規(guī)律。

3.2.4" 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)。課堂表現(xiàn)側重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?zhèn)戎卦u價學生對實驗數(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

3.3.1" 預習與講解階段

提前一周將實驗預習任務布置給學生。預習內(nèi)容包括行星式球磨機的工作原理及使用方法，橡膠拉伸強度測試方法，材料體積電導率測試方法，聚合物基導電納米復合材料的基本概念，導電逾滲行為及機理[9]。

布置思考題：材料制備工藝和配方中哪些因素會影響材料的拉伸強度和電導率？

在樣品制備實驗課程中重點講解行星式球磨機的工作原理和操作方法與注意事項，以及影響復合材料力學性能和電導率的因素。在性能表征課程中著重講解橡膠材料拉伸實驗方法、體積電導率測試方法和數(shù)據(jù)處理。

3.3.2" 實驗實施階段

材料科學與工程班學生人數(shù)為50人左右。將學生分為4個大組，每大組再分成4個小組，按表1安排實驗。以表1中大組一CNT含量的變量為例。一個實驗大組中的4個小組，分別負責0.4%、0.6%，0.8%和1.0%這4個CNT含量樣品的制備。其他實驗條件，如球磨轉速、球磨時間和溶劑含量按照基礎工藝參數(shù)進行實驗，即為600 rpm、120 min和50%。其他大組以此類推。

3.3.3" 實驗報告撰寫階段

要求學生回顧實驗操作過程進行回顧，對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。要細致討論本大組不同實驗條件下所得材料的性能變化趨勢。最后將匯總數(shù)據(jù)進行對比分析，針對制備工藝對材料性能影響的規(guī)律給出自己的解釋。

需要完成如下思考題。

1）采用球磨分散法制備復合材料時的加料順序是什么樣的，為什么要采用這種加料順序？

2）哪些因素對材料的拉伸強度影響顯著，哪些因素對導電性能影響顯著？

3）拉伸強度與導電性能的影響因素是否一致？

3.3.4" 實驗評價階段

實驗課程成績由預習報告、實驗操作、實驗結果、實驗報告等部分組成。實驗報告評價中考查實驗結果和分析、問題解決和思考題回答情況。

4" 實驗教學效果優(yōu)化

材料綜合實驗在探究式教學理念的指導下，已在18、19、20級材料科學與工程專業(yè)共計143名學生中進行了教學實踐。過去三年學生的滿意度分別為96.14、97.92和98.43，呈明顯上升趨勢。說明探究式教學實踐取得了較好的效果。

“澆鑄法制備聚合物基導電納米復合材料及性能表征”實驗項目在取得寶貴實踐經(jīng)驗的同時也發(fā)現(xiàn)了存在的問題：

1）個別變量下存在四個小組性能測試結果無明顯趨勢的情況；

2）學生樣品制備不熟練，存在樣品制備失敗的情況；

3）材料拉伸強度和電導率影響因素較多，各組實驗數(shù)據(jù)存在自相矛盾的情況。

實驗教學優(yōu)化建議：

1）增加對材料性能影響較弱的變量各水平值之間的差異；

2）優(yōu)化理論講解和實驗操作的時間分配；

3）加強針對易錯操作的講解，在學生實驗過程中全程跟蹤指導；

4）從理論和實踐兩方面出發(fā)，對異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因進行解釋。

5" 結束語

實踐證明，運用探究式教學法對材料綜合實驗進行教學改革取得了較好的效果，改變了以往工科實驗課程教學中由于實驗項目和操作流程的固定導致學生對實驗內(nèi)容缺乏新鮮感和興趣的現(xiàn)象。通過教學改革不僅能夠培養(yǎng)學生的自主學習能力，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作意識。有助于實驗課程教學質(zhì)量的提高和教師教學能力的提升，對培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才具有積極推動作用。

6" 參考文獻

[1] 吳瓊.探究式教學在高中生物教學中的應用[D].遼寧：

遼寧師范大學，2021.

[2] 張熊飛.誘思探究學科教學論[M].西安：陜西人民出

版社，2003.

[3] 靳玉樂.探究教學論[M].重慶：西南大學出版社，2001.

[4] 黃文婷.高中物理探究式教學開展現(xiàn)狀調(diào)查研究[D].

天津：天津師范大學，2021.

[5] 張芊，李芳，韓得滿，等.科研反哺教學用于創(chuàng)新人才

培養(yǎng)的應用研究與實踐[J].廣東化工，2017，44（11）：" " 307-308.

[6] 李敬敬.寶石專業(yè)《材料工藝學》探究式教學改革實

踐[J].廣州化工，2018，46（18）：145-147.

[7] 吳燦，蔣選豐.探究式教學法在“納米材料合成與制

備”實驗課程中的實踐[J].湖北理工學院學報，2023，

39（2）：54-58.

[8] 翟天亮，韋良強，吳珊，等.基于科研反哺教學的《材

料綜合實驗》教學改革[J].廣州化工，2022，50（18）：" " 245-247.

[9] 梁基照.高分子復合材料導電學[M].廣州：廣東科技

出版社，2019.

*項目來源：貴州師范學院博士項目（校2024067）。

作者簡介：翟天亮，博士，副教授。