材料化学“自主开放”实验教学模式的构建

任志宇，陈志敏，李明霞

(黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150080)

摘要：文章针对传统实验教学模式不利于培养学生自主研学能力和创新思维的问题，从“自主开放”实验教学模式的内涵与特点出发，以黑龙江大学材料化学专业为例构建了“自主开放”实验教学模式，较为详细地阐述了“自主开放”实验教学模式的实施策略与相应的评价体系。

关键词：材料化学；实验教学；模式

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-41()7( 2015 )01-0001-02

一、传统实验教学模式的弊端

材料化学专业是化学与材料科学等多学科交叉领域中十分活跃的专业，近年来对促进科学及国民经济的发展起到越来越重要的作用，成为21世纪化学发展中的重要学科。作为材料化学专业课程的重要组成部分——材料化学专业实验，其目标不仅要训练学生掌握材料化学常规的实验方法和技能，培养学生敏锐的观察和分析问题的能力，更重要的是培养学生严谨的科学态度、创新思维和综合能力。所以，材料化学专业实验教学是实施素质教育、促进知识向能力转化的重要而有效的途径，它可以更大程度地激发学生学习兴趣，启迪学习方法，培养观察、思考、实践、分析和解决问题的能力，是理论教学所不能替代的。目前，国内各高校开设的材料化学专业实验主要包括材料化学综合实验、材料合成与制备实验、材料结构与性能测试实验等，所涉及的实验内容主要是重复性的验证性实验。然而，陈旧的实验内容和“照方抓药”式实验教学模式，不仅难以激发学生的兴趣，而且学生处于被动的学习状态，忽视了对学生自主学习、创新思维和能力的培养。“授之以鱼，不如授之以渔”。因而，在教学过程中，除了基本的教学任务外，还应更多地涉及学习策略和学习方法，让学生在“学会”的基础上达到“会学”的目的。因此，构建以学生为主体的材料化学专业实验教学模式，以适应新世纪对材料化学人才的需求是亟待解决的问题。近几年，各高校积极进行实验教学改革，建立了多种化学实验教学的新模式。黑龙江大学材料化学专业也推进了专业实验课的教学改革，在“自主开放”专业实验教学模式构建和实施上进行了有益的探索。

二、“自主开放”实验教学模式的内涵与特点

“自主开放”式专业实验教学，即将部分科研成果转化为本科实验教学内容，学生以小组为单位，根据自身兴趣、理解以及实验室现有条件，综合运用所学的知识，自主选题并设计实验方案达到实验目标。不同于传统的化学基础实验和材料化学专业实验，“自主开放式”专业实验在内容编排上不仅紧密联系材料化学领域的前沿热点，而且本身是系统性、科学性的完整课程体系，具有探究性、新颖性、前沿性和应用性的特点，可激发学生的研学兴趣。此外，在整个实验实施过程中，学生是主体，指导教师引导学生探究问难、建立自主研学方法，能更好地从科学态度、实验技能、发现分析和解决问题能力等多角度提升学生的综合素质，使学生具有创新和实践精神。“自主开放”专业实验教学模式的构建主要包括三个部分：搭建“自主开放式”专业实验平台、设计实验教学环节、建立多角度能力评定体系。

三、“自主开放”实验教学平台的搭建

“自主开放”式专业实验教学依托于黑龙江大学材料化学专业实验课程——材料加工与设计实验。实验平台的搭建需考虑四方面问题：(1)材料化学领域的研究热点；(2)实验课题的多样性、普适性、可操作性以及综合性；(3)材料化学专业实验室现有仪器是否可以满足合成实验、物性表征以及性能测试的需求；(4)本专业教师是否熟悉实验内容、相关的合成方法和性能测试，从而有效地指导学生。

实验室通过对现有实验教学体系、教学内容、指导教师科研领域以及教学和科研仪器等进行梳理、整合，构建了以复合微球合成及性能测试为目标的开放式实验平台，其目的是让学生理解材料的构效关系。该平台涉及胶体微球、半导体氧化物和贵金属纳米粒子等多种材料的合成方法以及性能测试。利用这个平台学生要独立完成两个系列实验，并规定所合成的材料要具有指定的性能。实验教材只给出各种胶体微球的性质、应用领域及相关机理，并列举一些相关文献；而各种材料的合成方法、性能表征、性能测试方法以及各种材料复合对性能影响均不体现。学生合成什么复合微球、如何合成、如何表征、如何测试性能，均需通过调研文献、归纳总结和设计，并实施操作，从而充分体现“自主开放”式专业实验的自主性、开放性和探究性。

四、“自主开放”实验教学的实施策略

实验教学顺利进行的关键在于各个教学环节的细致筹划、准备和紧密衔接。为此，在实验平台建成后，实验指导教师根据专业实验平台设置的实验内容，分组查阅文献并归纳总结胶体微球（包括碳胶球、聚合物胶球以及无机氧化物胶球）、微球表面功能化、半导体氧化物（如Ti02、Zn0、2r02等）以及贵金属的合成方法。根据实验方法准备了相关的药品、仪器以及性能测试系统，并在学院测试平台申请了材料表征，以确认实验合成的产品物质结构和形貌。

“自主开放”专业实验课的具体实施步骤主要由选题、文献调研、设计实验方案、实验操作以及总结汇报五部分构成。开课前，实验教师统一讲解“自主开放”专业实验的实验目标、操作方式，提供文献检索范围，并规定五个阶段的截止时间。实验组自主选择所要合成的复合胶体微球、合成方法、物性表征和性能测试。在选题阶段指导教师有意识地引导部分学生用不同的方法合成同种材料，或者用同种方法合成不同种材料，使各实验组的课题具有一定的关联性和交叉性。实验组根据选题设计实验方案。指导教师审核实验设计的合理性、可行性及安全性，并检查实验所需仪器、试剂是否齐备等。通过实验设计阶段的讨论，指导教师引导学生修改和完善实验方案。实验方案修正后，学生还需考虑实验中涉及的药品使用注意事项、仪器选择及使用方法、操作步骤等问题。在整个实验操作过程中，指导教师不仅监督学生操作的规范性和安全性，并给予及时的指导或帮助；而且随着实验的进行，根据实验现象提出问题，启迪学生独立思考，提高分析和解决问题的能力。只有当学生在操作过程出现遗漏和错误时，指导教师才会提示学生并提供必要的讲解。

课后学生不仅要提交系统的实验报告，还要进行实验总结汇报。各实验组阐述本组实验的设计理念、控制步骤、实验结果以及实验中的问题和经验。通过总结交流，学生不仅可以系统地理解不同合成方法对同种材料性能的影响、不同材料性能差异的原因，加深对材料结构与性能之间关系的认知，而且可以了解多种合成方法、多种材料性能，大大拓展了学生的知识面和思维方法。同时，通过共同分享实验成功的经验或失败的教训，增强自我效能感，为今后从事课题研究打下基础。

五、构建多角度“自主开放”实验教学能力评价体系

不同于常规实验课程的考核，“自主开放”实验的考核重点不再局限于实验操作规范、记录翔实、报告完整，而是更重视对学生能力的考核与评价，因而加大了能力测评的权重(约占600 )。指导教师根据实验各个环节，如选题依据、实验设计方案讨论、文献探讨、课堂提问、具体实验细节的酌量、实验结果、实验总结汇报和实验报告质量等，对学生的实验技能、自主研学、创新能力和科学思维等综合能力进行评价。

经过三年的教学实践，“自主开放”式实验教学体系逐步完善，已经发展为材料化学专业特色教学模式，而且取得了理想的教学效果。学生们普遍反映这种“自主研学”、“开放选择”式的实验教学更具有趣味性、挑战性和创造性，不仅极大地激发了学生自主学习的热情和积极性，而且学生也从中掌握了从事科学研究的基本方法和途径。这类系统的综合性实验，有利于学生将本科期间学习的化学专业基础知识和实验技能有机地结合起来，形成了更加完整和深入的认知。另外，学生具有无穷的潜力，在实验过程中常常出现一些意想不到的结果，反过来也鞭策教师做更深入的探究。