材料專業(yè)開放性設(shè)計實驗教學探索實踐
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摘要:為了使設(shè)計性實驗?zāi)軌蛘嬲岣邔W生的綜合能力和創(chuàng)新意識，提高學生的學習積極性和主動性，設(shè)計性實驗必須在內(nèi)容上和課程組織上具備足夠的開放性。本文以具體實驗教學為例，從設(shè)計思路，教學實踐、教學效果等幾個方面對設(shè)計性開放實驗的教學實施進行了探討和研究。順利開展設(shè)計性開放實驗應(yīng)有三要素，一是開放的實驗主題，學生可自由的發(fā)揮同時能夠在教學實驗室完成;二是開放的實驗室以及指導(dǎo)教師彈性的工作時間;三是學生的書面和口頭輸出都要有。
關(guān)鍵詞:設(shè)計性;開放實驗;教學實踐
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)學生學習興趣和潛能，讓學生忙起來、讓教學活起來、讓管理嚴起來，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年我國成功試飛自主研發(fā)的大型客機C919，其研發(fā)歷時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。目前C919的主體結(jié)構(gòu)有30%由高性能復(fù)合材料構(gòu)成，且該系列飛機下一代研發(fā)目標是將主體中復(fù)合材料的比例提升至50%?？梢?，材料相關(guān)的科技在我國各種“卡脖子”領(lǐng)域占有極為重要的作用，材料科學工程專業(yè)的新型人才的培養(yǎng)勢在必行［3］。材料科學與工程專業(yè)兼具理科和工科的特點，總體目標是要培養(yǎng)出既有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，又具有較強的工程實踐與創(chuàng)新能力、并有國際化視野的專業(yè)人才［4］。實驗教學是材料科學與工程專業(yè)教學的重要環(huán)節(jié)，材料分析是材料科學研究的基礎(chǔ)。通過不同“材料合成－表征－應(yīng)用”全流程實驗項目的教學，學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。一方面幫助學生鞏固理論對于鞏固學生理論知識，提高學生對課程的學習效果，促進學生發(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)學生運用理論知識去解決工程實踐問題的能力，引導(dǎo)他們養(yǎng)成科學求真的態(tài)度、嚴謹周密的作風和團結(jié)協(xié)作的精神［5－6］。
然而，目前部分高校的實驗課模式是學生根據(jù)實驗方案按部就班的完成實驗，課本上對于實驗的原理步驟有詳細的解釋，在實驗開始前學生已基本知道了實驗結(jié)果［7－8］。為了使實驗教學充分發(fā)揮這些作用，部分高校逐步增加設(shè)計性實驗比例。然而，設(shè)計的內(nèi)容往往局限于實驗條件參數(shù)的設(shè)計即設(shè)計不同的合成條件或表征手段等等。同時，開放式實驗教學模式已經(jīng)成為我國教學領(lǐng)域的一個研究熱點，特別是在當今的高校實踐教學中，應(yīng)用型高等學校更為突出，都在探索一條適合本校的開放性實驗教學模式。然而，部分高校的開放性實驗僅限于一種管理模式，當一個綜合實驗需要較多課時，學生無法在正常的教學時間內(nèi)完成故而采用開放性實驗進行開展［8－9］。為了使設(shè)計性實驗和開放性實驗真正落到實處，有必要將設(shè)計性實驗與開放性實驗結(jié)合，打開思路，設(shè)置開放性設(shè)計實驗，設(shè)計性實驗必須在內(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材料系面向大三學生開設(shè)了8個學分共126學時的《材料綜合實驗》課，此課程的主要目標就是要培養(yǎng)適應(yīng)新時代的新型的專業(yè)人才。為了充分調(diào)動學生積極性，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，其內(nèi)容涵蓋了綜合性的、設(shè)計性的、開放性的大實驗，需要學生有更多的參與，更多的主動以及更多的合作討論等。依托于這門課程，筆者已經(jīng)對開放性設(shè)計實驗進行了探索和實踐。本文中，筆者以其中的一個實驗為例來進行說明如何開展開放性設(shè)計實驗教學。開放性設(shè)計實驗的內(nèi)容該包括文獻調(diào)研、選題，制定并修訂實驗方案、開展實驗收集實驗數(shù)據(jù)、改進實驗方案、再實驗以及實驗結(jié)果輸出(口頭報告和實驗報告)等部分。同時，在教學過程中同學之間的討論，教師的及時指導(dǎo)，非正常課時時間段內(nèi)的實驗室開放管理都是必備條件。
1實施設(shè)計性開放實驗教學的主要思路
為了調(diào)動學生的學習主動性，讓學生的手和腦都忙活起來，需要避免讓學生按部就班辦的完成實驗，因此需要精心設(shè)計和安排實驗內(nèi)容。首先這個實驗必須是設(shè)計性的，關(guān)于要做什么怎么做學生要有主動權(quán)，即學生需要自己制作實驗方案，而指導(dǎo)老師就需要給出一個有效的主題讓學生可以有條件的自由發(fā)揮。對于指導(dǎo)老師來說，需要給出一個有一定科研或工程應(yīng)用背景，且兼具趣味性的主題，讓全班同學可以并樂于設(shè)計出不同的實驗方案，并保證實驗方案能夠在教學實驗室里實施開展;對于學生來說，針對已有的主題來制作實驗方案，那么學生要做的只能是先確定做這個主題的哪一個方向(發(fā)現(xiàn)問題)，進行文獻調(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)，進而確定方案開展實驗(解決問題)。在開展實驗的過程中，由于方案的差異性，不同學生進行材料合成的實驗步驟可能不一樣，那么實驗時間會不統(tǒng)一，因此開放性實驗條件應(yīng)該匹配進來。同時，任何設(shè)計性實驗的實驗過程與結(jié)果都是未知的，不可能一次就成功，同學們會進行多次的試錯，這個過程中需要學生再次文獻調(diào)研，需要老師及時的指導(dǎo)，修訂實驗方案，同時整理收集到的實驗數(shù)據(jù)，進行實驗結(jié)果的討論分析。如圖1給出了設(shè)計性開放實驗教學的主要內(nèi)容和一般流程。因此，要對當前的傳統(tǒng)實驗進行改革，設(shè)計性開放實驗是非常必要的。
2設(shè)計性開放實驗的實踐
在材料綜合課程大綱中有一項是電子顯微鏡SEM的操作與分析實驗，最開始的實驗方案是讓學生觀察幾種直接購買的固體粉末樣品，然后寫實驗報告分析數(shù)據(jù)。在這個過程中，由于SEM設(shè)備只有一臺，學生只能一個一個的排隊上機操作，很浪費時間且教學效果不好，學生興趣不大。因此，筆者對次實驗進行了改進，改為了一個設(shè)計性開放實驗，讓學生用這臺設(shè)備測試自己合成的樣品。筆者在開展設(shè)計性開放實驗的教學實踐中，設(shè)計的一個實驗主題是“多孔合金薄膜材料的合成及應(yīng)用研究”，規(guī)定實驗兩人一組，凡事有個商量能鍛煉合作能力，同時也規(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、磁控濺射、溶膠凝膠、燒結(jié)法等等。因此，實驗主題的設(shè)計的選取原則如圖2所示，圓形圖案中的參數(shù)為可變量，學生可以根據(jù)自己的喜好來進行文獻調(diào)研，方形圖案中的參數(shù)為固定量，是限制范圍用的，讓學生在有條件的范圍內(nèi)自由發(fā)揮。拿到這個實驗主題以后，學生用了一周的時間來進行文獻調(diào)研，確定實驗方案。學生提交上來的實驗方案各不相同，隨后指導(dǎo)老師跟學生一一討論實驗方案的可行性，并著手準備原材料協(xié)助學生開展實驗等。授課對象是大三的學生，已經(jīng)具備基本的實驗技能，但是有些具體實驗具體情況下依然需要老師的指導(dǎo)，因此將此實驗進一步擴展為開放實驗，實驗指導(dǎo)老師基本需要隨時跟學生進行交流以保證試驗順利進行。經(jīng)過材料系四個班級的教學實踐發(fā)現(xiàn)，部分同學可以成功合成出多孔合金薄膜并進行應(yīng)用研究，還有部分同學沒有時間來完成這一部分實驗。在這個設(shè)計性開放實驗中，除書寫實驗報告外我們設(shè)計了一個實驗結(jié)果展示環(huán)節(jié)，也就是每個同學需要做一個15分鐘的報告，講述此實驗中是如何選題，如何確定實驗方案，如何開展實驗的，以及如何進行應(yīng)用研究或準備做何種應(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，還要求每位學生在聽完別的同學的報告時至少要對一至兩位同學提出問題，提高學生課堂的參與度，能夠讓課堂活起來。
3實驗教學的效果
大部分學生在規(guī)定的時間內(nèi)順利的完成了實驗，成功合成出了要求的多孔薄膜材料。每個同學都對自己合成的薄膜樣品進行了多次的SEM表征，看到孔的時候的喜悅和沒看到孔的時候的失落充滿了整個電鏡室。跟往屆學生觀察直接購買的粉末樣品現(xiàn)象比較，他們更投入更開心，因為樣品的差異，學生更好的掌握了SEM設(shè)備的操作技巧，知道了對于不同的樣品如何調(diào)節(jié)電鏡參數(shù)讓照片更漂亮。進行課程總結(jié)時候發(fā)現(xiàn)，學生制做的實驗方案各不相同，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)學生文獻調(diào)研的能力。由于不是傳統(tǒng)的實驗，學生需要討論的地方比較多，因此課堂學習氣氛很濃烈。同時，在最后的口頭報告環(huán)節(jié)，學生總結(jié)了各自查閱的文獻，講述了各自的實驗流程，介紹了已經(jīng)做的應(yīng)用研究或準備做的應(yīng)用研究。外加同學之間相互提問，學生們可以學習到更多關(guān)于多孔材料相關(guān)的知識，可以涉獵更多的多空薄膜的合成方法，能夠從這個實驗課中能收獲很多。另外，南方科技大學的定位是世界一流大學，學生的實驗報告要求全英文書寫，通過這一個綜合實驗的訓練，學生們的英語寫作能力也能得到提升。此外，本實驗教學改革的亮點成果之一，是有兩位同學用這個實驗課的實驗結(jié)果很順利的申請到了一個大創(chuàng)項目。亮點成果之二，是認真貫徹執(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)計性開放實驗有幾個重要的因素需要注意，其一是要有一個好的主題，能夠調(diào)動學生的積極主動性，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”，讓學生有堅實的后盾，無后顧之憂;其三，除實驗報告輸出外，口頭報告的輸出也很重要的，學生相互學習，他山之石可以攻玉。實踐證明通過開展這個設(shè)計性開放實驗，能夠培養(yǎng)學生的實踐動手能力、科學創(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的綜合實驗知識靈活運用以解決實際問題。
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作者：程化 盧周廣 葉飛 王海鷗 田顏清 單位：南方科技大學材料科學與工程系
