□景德镇陶瓷学院 舒凯征

材料类本科专业综合设计性实验的研究与实践

□景德镇陶瓷学院 舒凯征

本文介绍了在针对材料类本科专业开展的综合设计性实验教学中采取的教学方法与过程，并对如何保证及提升综合设计性实验教学效果进行了初步的探讨。

材料类本科专业；综合设计性实验；教学实践

化学是材料类本科专业学生的重要基础课，化学类课程的总学时在材料类本科专业教学中占有较大比重。同时，化学是一门以实验为基础建立起来的实践科学，化学实验是化学类课程教学的重要组成部分。随着社会的发展与进步，对本科毕业生理论知识、动手能力、创新意识和团队精神的要求也越来越高。传统的化学实验教学存在着实验课程体系设置欠科学、实验教学内容较陈旧、实验教学方法手段落后等缺陷[1]，已经无法满足对本科生进行全方位培养的需要。

综合设计性实验是指在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上，运用某一门课程或多门课程的综合知识，在给定实验目的、要求和实验条件，或指定实验仪器的情况下，由学生根据实验要求独立查阅资料、独立制订实验方案（包括实验原理、实验器具的选择、实验装置图设计、实验步骤的拟订等）并加以实现的实验[2]，它具有综合性、全面性、创新性等区别于传统实验教学的特点与优势。因此，越来越多的高校结合自身办学特色、专业优势及培养目标对学生开设综合设计性实验。

近年来，我们在针对材料类本科专业学生开展综合设计性实验方面进行了大量有益的尝试与实践，取得了较好的教学效果。

一、注重教研结合，优化实验项目

教学与科研是工科类专业本科教育中的两个重要方面，其中教学是基础，科研是对教学的辅助与促进。将本校最新、最前沿的科研成果加以提炼、简化，融入到本科教学中，一是有利于提高学生对专业知识的学习兴趣，扩大学生的知识面，丰富学生的知识结构；二是有利于培养学生理论联系实际的能力，帮助学生顺利进入毕业论文阶段学习，并为今后的研究生阶段学习或科研、生产工作打下良好的基础。同时，也可以将优秀的本科生吸收入各科研团队，提高科研团队的活力，优化科研团队的人员结构，促进科研团队的科研活动[3]。

我们在综合设计性实验的教学中，合理的融入了诸如“添加剂对陶瓷泥浆稳定性影响的研究”、“熔盐法制备钛酸铋钠无铅压电陶瓷”、“压电陶瓷表面化学镀铜及镀层研究”、“Ti-ZSM-5分子筛的合成及其光催化性能的研究”等提取自我校最新科研方向的内容。这些内容与实际生产、科研联系紧密，实验方法较传统化学实验新颖独特，使不少学生产生了浓厚的兴趣，在学校所规定的综合设计性实验周结束后还积极要求加入到各科研团队，对未能完成的实验项目进行深入的学习，极大地促进了教学与科研之间的良好互动。

以实验“熔盐法制备钛酸铋钠无铅压电陶瓷”为例，为满足本科实验教学的要求，在实验设计上，我们强调学生对实验原理、实验工艺、实验操作、相关测试技术的掌握以及工艺因素对实验结果的直观影响讨论，淡化对实验结果的进一步理论分析。要求学生掌握材料压电性能的形成机理，熟悉压电陶瓷常用的制备、烧结、极化工艺及相关仪器（行星式球磨机、压片机、程控箱式高温电阻炉、极化装置、准静态压电常数d33测量仪等）的操作，并能对实验结果加以初步的分析与讨论，比较校验工艺的优劣。实验所涉及的工艺复杂且工艺的实施对实验结果有着至关重要的影响，因此具有很强的综合性，对提高学生的实验操作技能有极大的促进作用。同时，组织学生在实验开始前集体讨论，确定实验方案，对实验全程采取整体设计、分组实施的办法，待实验结束后再组织学生进行对实验结果的讨论和总结，既兼顾了实验的设计性原则，又锻炼了学生的团队协作能力。

二、结合培养方向，合理安排实验

教育是分层次和对象的，因材施教是教育的基本原则。在综合设计性实验的教学中，我们采用的是分段式教学方法，即对本科学生在大一下学期、大二下学期与大四上学期分三次，共4周（低年级为1周，高年级为2周），开设综合设计性实验。其中，针对已修完无机化学课程的大一学生开设“用废易拉罐为原料制备氢氧化铝及其铝含量的测定”、“三氯化六氨合钴（Ⅲ）的制备与组成分析”、“去离子水的制备与水质分析”等以无机化合物制备与定性分析为主要内容的实验，旨在巩固基础实验中已经学习过的常用实验操作，并在实验中加入对实验方案确定、实验方案优劣比较、实验结果预期与校验等简单的讨论，引导学生初步从照搬标准实验流程“操作”实验向自己动手动脑“做”实验转变；针对已修完分析化学、物理化学课程的大二学生开设“瓷土原料的系统化学全分析”、“电动势法测定化学反应的△rGm、△rHm、△rSm”、“非化学计量化合物NaxWO3的制备与鉴定”等以实际应用与定量分析为主要内容的实验，着眼于基本化学原理的综合与灵活运用，加大学生自行设计实验的比重，强调实验细节与结果的分析与讨论，为学生进入高年级的学习打下坚实基础；针对已修完所有专业基础课，即将进入毕业论文环节的大四学生开设“硅酸锆结晶釉的制备”、“溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体”、“熔盐法制备钛酸铋钠无铅压电陶瓷”等与材料的生产、科研有着紧密关联的实验项目。基本上让学生自由设计、预期、实施、分析实验，仅关键步骤由指导教师把关，实验结束后对所得结论展开集体讨论和总结，初步具备了小型毕业论文的规模，为学生在后续的毕业论文环节做好铺垫。

通过上述分段式综合设计性实验与常规课程实验相结合的实验教学，学生在实验方法的掌握、学科思维的培养及动手能力的提高等方面都得到了充分的锻炼，专业学习的热情被极大调动，初步具备了主动分析问题、解决问题的能力，满足了材料类本科专业培养的要求。

三、改革教学模式，强调能力培养

传统的实验教学一般的教学模式为：首先，学生依据实验指导书上的内容预习实验，了解实验目的、掌握背景知识、熟悉实验流程；随后，指导教师对实验进行讲解；之后，学生按照指导书上的流程操作实验；最后，学生撰写实验报告。不难看出，在传统的实验教学中，由于在实验的立意、思路、流程、操作等方面处处有标准化的规定，学生往往处于被动接受知识的状态，容易按部就班的将实验教学过程无目的地走完。虽然传统实验教学模式在验证和巩固已学理论知识和实验操作技能等方面确实有一定的作用和意义，但学生的主观能动性受到了限制，掌握的知识零散，实验的目的性不强，难以得到多方位的锻炼。综合设计性实验的开展则恰恰是对传统实验教学的必要补充。在综合设计性实验中改革教学模式，强调对学生能力的多方面培养是最关键的问题。

在实验“瓷土原料的系统化学全分析”中，学生首先要了解瓷土原料是Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe等元素的复合氧化物，且其质量组成中以Si、Al为主，再选择合适的方式将瓷土中的各组分分离，进行分别测定。分离的方式既可以选择分析化学课程中讲述过的沉淀分离法，也可以选择气化分离法。两套方案实施的细节均由学生在教师的指导下预先集体讨论通过，其重点放在如何有效分离Si、Al及Si应如何富集上；Al、Ca、Mg的测定属于分析化学中配位滴定的内容，是学生已掌握的知识，但由于瓷土中三者的含量范围相差较大且无法分离，无法完全套用学生所做过的“Al3+的反滴定法测定”和“水的硬度测定”这两个独立的实验，学生还需要结合分析化学课程中“混合金属离子的分别测定”部分的内容对实验加以改进设计，重点放在滴定过程中如何有效排除杂质离子的影响上；Fe的测定则可以沿用实验“邻二氮杂菲分光光度法测定铁”。可以看出，该综合设计性实验中包含了分析化学课程中除氧化还原滴定分析外所有的分析方法，具有很强的综合性，同时，学生需要对实验过程预先思考、设计、分析、讨论，实验中所有需要的试剂由学生自行配制，其理论知识综合运用能力，实验设计能力、实验操作能力等均可以得到多方面的锻炼与提升，真正对实验做到了知其所以然。

四、结束语

综合设计性实验虽然有着许多传统实验所没有的优点，是相对先进的实验教学模式，已在国内各高校广泛开展，但其在提升对学生教学效果的同时也大大提高了对指导教师的要求。综合设计性实验要求指导教师具有更广的知识面，更扎实的理论功底，更强的组织协调能力和更大的精力投入。如果离开指导教师在实验过程中的耐心指导和精心组织，综合设计性实验就会完全背离课程设计的初衷，或者实验过程、实验结果与实验要求南辕北辙，或者学生照搬照做与传统实验无异。因此，提高实验技术人员的业务水平或吸收业务水平高的骨干教师到专业的实验技术队伍中来是保证综合设计性实验教学效果的关键所在。此外，实验室硬件条件的改善、开放式实验室的建立健全、实验项目的不断更新优化都是更好开展综合设计性实验的重要保障。

[1]朱晓霞，张勇，霍冀川，等.基于《化学综合设计实验》的教学方法研究[J].广州化工，2010，38（8）：273.

[2]梁兵.探析综合设计性实验对学生能力的培养[J].百色学院学报，2009，22（3）：62.

[3]杨琼，张来新，张卫星.化学综合设计实验的开设与学生能力培养[J].化工时刊，2010，24（6）：76.

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