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材料科學(xué)與材料化學(xué)基礎(chǔ)實驗探討論文
摘要：實踐教學(xué)的質(zhì)量直接關(guān)系著高等教育的水平。圍繞我�！恫牧峡茖W(xué)與工程》專業(yè)的材料化學(xué)基礎(chǔ)實驗，我們進(jìn)行了一些有益的改革和探索，系統(tǒng)分析了改革的必要性、內(nèi)容、特點及效果。這些改革緊密結(jié)合材料專業(yè)的特點，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，最終取得了一定的成效。
關(guān)鍵詞：材料科學(xué)與工程專業(yè)；材料化學(xué)基礎(chǔ)實驗；改革；探索
實驗教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)本科生操作技能的重要途徑，但是從目前來看，實驗教學(xué)得不到有效的重視，但未來恰巧需要的是具有良好操作技能、解決實際問題的專業(yè)人才。為此，不少學(xué)者圍繞實驗教學(xué)開展了許多有益的探索[1-5]。近年來，我校圍繞《材料科學(xué)與工程》專業(yè)的材料化學(xué)基礎(chǔ)實驗也開展了一系列的改革和探索。
一、教學(xué)改革的必要性
湖南大學(xué)材料學(xué)科的發(fā)展歷史最遠(yuǎn)可以追溯到20世紀(jì)初開辦的礦科、窯科和機(jī)械科，而材料科學(xué)與工程學(xué)院則成立于20xx年底，具有“老學(xué)科、新學(xué)院”的特點。學(xué)院現(xiàn)有材料科學(xué)與工程專業(yè)、材料成型與控制兩個本科專業(yè)，其中材料科學(xué)與工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，而化學(xué)在材料專業(yè)中具有基礎(chǔ)性的地位，這是因為材料的方方面面都與化學(xué)知識密不可分。因此，不管是在過去幾年的教學(xué)實踐中，還是在學(xué)校最新的“20xx版教學(xué)計劃”中，材料化學(xué)基礎(chǔ)都是進(jìn)入大學(xué)階段的一年級新生的必修課程，主要涉及無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)等四大化學(xué)課程。與之相對應(yīng)，學(xué)校化學(xué)化工學(xué)院針對全校開設(shè)了“基礎(chǔ)操作化學(xué)實驗”，該課程為化學(xué)、化工、生物、醫(yī)學(xué)、材料等專業(yè)開設(shè)，主要實驗項目有：天平的使用方法及稱量、容器的校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制、滴定分析操作練習(xí)、酸堿滴定法測定混合堿中各組分的含量、熔點的測定、重結(jié)晶方法及其練習(xí)、蒸餾及沸點的測定等八個實驗項目。上述項目重點在于教會學(xué)生掌握基礎(chǔ)操作知識，實驗項目之間聯(lián)系不強，是一個個獨立的個體實驗項目，對材料專業(yè)的針對性不強，不利于材料類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新及綜合能力的培養(yǎng)，且與我們材料專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求有一定差距。
二、教學(xué)改革的探索
1.教學(xué)項目的改進(jìn)。在“20xx版教學(xué)計劃”中，我們圍繞該實驗課程進(jìn)行了探索性的改革，以提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知度為出發(fā)點，以提高學(xué)生的實驗操作技能為根本，圍繞無機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)這兩門課程的有關(guān)知識點，突出無機(jī)材料中關(guān)鍵組成元素的含量測定，讓學(xué)生更早接觸專業(yè)，了解專業(yè)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣。在實驗中我們開設(shè)了如下八個項目：化學(xué)實驗基本常識及安全守則、基本操作技能、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及滴定分析、樣品的制備、溶液配制及顯色測定、多元素快速分析儀的使用、火焰光度法測定K2O和Na2O、經(jīng)典分光光度法測定Fe2O3。該門實踐教學(xué)課程要求學(xué)生以深刻領(lǐng)會光度分析的原理，牢固掌握無機(jī)材料中常見成分的快速分析方法為中心。材料化學(xué)基礎(chǔ)實驗課程的開設(shè)結(jié)合了材料科學(xué)與工程專業(yè)的實際，設(shè)立的實驗項目不再是獨立的、互相割裂的個體，而是形成了一個有機(jī)的整體，組成一個完整的實驗系列，前后緊密聯(lián)系，不可分割，具有較強的設(shè)計實驗的特點。
2.教學(xué)過程的開展。該門實驗課程要求學(xué)生以深刻領(lǐng)會光度分析原理的方法為中心，在學(xué)生進(jìn)入實驗室動手實驗之前，指導(dǎo)教師重點講述化學(xué)實驗的一些基本常識及安全守則，讓他們對實驗內(nèi)容事先有一個感性認(rèn)識，然后對學(xué)生初步講解多元素快速分析儀的工作原理及使用方法，明確這門實踐課程的中心任務(wù)，即測定某種無機(jī)材料組成元素的含量，并通過查詢相關(guān)資料，最終鑒定出材料的類別。然后圍繞上述中心，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)和掌握基礎(chǔ)化學(xué)實驗的一些基本操作技能，比如電子分析天平的正確使用及稱量的不同方法，實驗化學(xué)試劑的分類，常用玻璃器皿的清洗、干燥及使用方法。接著學(xué)習(xí)掌握滴定分析的基本操作，在練習(xí)“酸堿滴定法”的基本操作過程中，學(xué)生重點掌握滴定管和移液管等容量儀器的使用方法以及熟悉甲基橙、酚酞等指示劑的使用和滴定終點的判斷。在上述基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步練習(xí)及掌握用于多元素分析的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制方法，學(xué)習(xí)無機(jī)材料的粉碎及用四分法制備均勻粉狀樣品，并掌握高溫熔樣的實驗技能。緊接著學(xué)習(xí)溶液的顯色原理、重點掌握掩蔽劑的工作原理，并能根據(jù)不同的溶液離子，學(xué)會選擇適宜的掩蔽劑以及掌握顯色劑的顯色方法和實驗條件。最后每個實驗小組學(xué)生自主選擇某種無機(jī)材料，學(xué)會熟練操作使用多元素快速分析儀測定各種元素含量，通過查詢相關(guān)資料，鑒定出無機(jī)硅酸鹽材料的類別。最后，采用經(jīng)典的分光光度法測定其中Fe的國家標(biāo)準(zhǔn)方法。
三、教學(xué)改革的亮點
1.強調(diào)實驗的安全。近年來，安全事故在各大學(xué)實驗室常有發(fā)生，實驗室安全顯得十分重要。該門課程的授課對象又是剛從高中走入大學(xué)校門的新生，這些新生的安全意識不強、安全知識不夠。因此，為了切實保證學(xué)生的身心健康，提高其安全意識，使其順利完成實驗教學(xué)任務(wù)，我們設(shè)計了一次實驗室安全知識和安全防護(hù)的講座，讓學(xué)生在進(jìn)行化學(xué)實驗時的安全意識、安全知識、防護(hù)措施等有了質(zhì)的提高，從而保證學(xué)生不受傷害，順利完成學(xué)業(yè)。
2.評價方法的改革。由于有些實驗操作的過程較簡單，僅僅通過提高學(xué)生的操作技能，無法準(zhǔn)確評價學(xué)生的實驗成績，除了傳統(tǒng)的考察學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)情況，統(tǒng)計學(xué)生在實驗過程中的認(rèn)真程度、實驗報告的撰寫外，我們還仔細(xì)考察了幾個重要實驗的實驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差別，將實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性引入學(xué)生成績的評價中，這樣就能更加全面地評價學(xué)生的實驗成績。
3.激發(fā)學(xué)生的興趣。原有的實驗教學(xué)項目主要采用的是常見的燒杯、容量瓶、移液管等器材，這些傳統(tǒng)的簡單條件，很難激發(fā)新一代大學(xué)生的興趣。為此，在制定教學(xué)用儀器設(shè)備的過程中，我們利用學(xué)校專業(yè)綜合改革的資金投入，購入在行業(yè)內(nèi)廣泛使用的多元素快速分析儀，可以一次性放置48個發(fā)色杯，測量8個樣品的6種元素，不僅能手動加入各種掩蔽劑、樣品溶液、顯色劑，還能用儀器自動加入上述試劑，自動化程度很高。各種移取液體的操作，除了讓大家掌握吸量管、移液管等方法外，還購入一定數(shù)量的移液器（俗稱移液槍），讓大家開闊了視野，這就更加貼近現(xiàn)實，激發(fā)學(xué)生的興趣，從而提高實驗的熱情和認(rèn)真程度。除了采用自動化程度高的多元素快速分析儀測定各種無機(jī)材料中的Si、Al、Fe、Ti、K、Na、Ca、Mg等常見元素的含量外，還購入新型的分光光度計，引入了國家標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)典的分光光度法測定上述無機(jī)材料中的Fe元素的含量，不僅讓學(xué)生掌握經(jīng)典的分光光度法的相關(guān)原理，還能體會技術(shù)革新、儀器設(shè)備進(jìn)步帶來的實驗準(zhǔn)確性的提高，分析測試速度的加快，從而更加有效地激勵大家努力學(xué)好專業(yè)知識及做好實驗的積極性。
4.課程的專業(yè)亮點�！安牧匣瘜W(xué)基礎(chǔ)實驗”實踐課程強調(diào)以學(xué)生為中心，鼓勵他們用課堂上獲得的基礎(chǔ)理論知識緊密聯(lián)系本課程實踐，自主學(xué)習(xí)，在預(yù)習(xí)實驗講義過程中能善于發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料去解決實驗當(dāng)中遇到的問題。該課程引入科研思維，即鑒定無機(jī)材料的類型，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會科學(xué)地思考方法，同時將以往的重復(fù)實驗改為與科研緊密結(jié)合的設(shè)計探索性實驗，在實驗教學(xué)中不斷增加開放度，放手讓學(xué)生積極思考，大膽嘗試和探索。這種由單一的、重復(fù)性的驗證性實驗向設(shè)計性、綜合性、探索性實驗轉(zhuǎn)變，既有舊知識地再現(xiàn)，也有新知識的產(chǎn)生，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，也提高了學(xué)生解決新問題的能力，以及后續(xù)獨立開展新實驗的科研能力。
四、教學(xué)改革的效果
實施效果表明，該實驗課程大大激發(fā)了學(xué)生對實驗的興趣，也提高了他們自主學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生普遍反映，通過本實踐課程的學(xué)習(xí)，他們的理論知識聯(lián)系實際的能力、實踐動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力得到了顯著提高。這為他們創(chuàng)新能力的提高打下了有利的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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