《材料科学基础》实验教学改革的探索_周明.pdf

第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023材料科学基础 实验教学改革的探索周 明,王 茹,赵晓华(江苏大学材料科学与工程学院,江苏 镇江 212000)摘 要:当前的材料科学基础实验教学中存在着教学内容枯燥陈旧、所学知识抽象且与生产相脱节以及考核方式单一等问题。结合当代材料科学的发展和人才培养的方向,对实验教学的内容和形式提出了一些改进思想,并以本学院的实验教学为例,具体说明了如何从教学内容到考核方式进行改革。实践证明改革后的模式有利于提高学生自主思考能力和实际动手操作的技能,为材料科学基础实验教学的发展提供了新的思路。关键词:材料科学基础;实验教学;人才培养;改进思想中图分类号:G420 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0277-03 第一作者:周明(1985-),男,讲师,主要从事无机功能材料研究。Exploration on Reform of Experiment Teachingin Fundamentals of Materials ScienceZHOU Ming,WANG Ru,ZHAO Xiao-hua(College of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Jiangsu Zhenjiang 212000,China)Abstract:There are a serial of problems such as boring and old teaching content,abstract knowledge that does notconnect with production practice and single assessment form during experiment teaching of Fundamentals of MaterialsScience.Combing the development of modern material science and direction of personnel training,some improvementideas about the content and form of experimental teaching were put forward.The experiment teaching of our academy wasset as the example,the revolution from teaching content to assessment form was illustrated elaborately.The results showedthat the reform mode not only improved students ability of self-thinking,but also promoted their operation skills.A newway was provided for the development of experiment teaching of Fundamentals of Materials Science.Key words:Fundamentals of Materials Science;experimental teaching;personnel training;improvement ideas材料科学基础 是材料科学与工程专业的必修课,同时也是该专业的核心主干课程之一。材料科学基础 课程理论性强、知识点繁多且涉及面广,学生学习过程中普遍反映该课程难度大,很多知识点难以理解1-2。为了解决上述问题,很多高校在 材料科学基础 教学过程中也开设了对应各章节的实验,这些实验在一定程度上加深了学生对相关基础理论知识的理解,对 材料科学基础 的教学工作提供了很大的帮助。但是随着教学工作的深入,尤其现在高校提出创新性人才的培养目标,现今的材料科学基础实验内容已经不适应当前材料科学的发展。作者结合近些年的实验教学过程遇到的问题以及和学生的交流反馈,对 材料科学基础 的实验教学提出一些设想。1 实验教学过程中存在的问题2-51.1 实验内容陈旧枯燥且课时设计不合理现在的 材料科学基础 实验教学内容都是依据课程教学大纲设计,比如在“晶体结构和晶体对称性”的章节中中开设了“晶体相关结构的实验”,通过实际的晶体结构模型加深学生对晶体的微观结构和对称性的理解;在“固相反应”这一节中实验内容为以 Na2CO3和 SiO2为反应物来验证固相反应原理。这些实验对理论教学起到了很好的辅助作用,但是问题也很明显:首先这些实验内容过于陈旧,作者翻阅资料发现这些实验和 30 年前的实验教学内容大同小异,与此同时材料学科的发展日新月异,这些实验不能反映当代材料学科的发展动向,因此作者认为实验教学必须与时俱进,无论是教学内容和方式都应该有所改变;其次课时的设计也不是很合理,作者所在学院对于 材料科学基础 实验主要集中在前面的晶体结构和固相反应以及烧结部分,相应的内容很多也是理论讲解为主,对于晶体缺陷、熔体的结构和性能以及固体材料中的扩散等教学内容实验涉及到的很少,说明实验教学的覆盖面和课时安排需要进一步完善;除此之外,学生也反映实际的实验教学仍然是以理论知识为主,内容枯燥难懂,并没有达到通过实验加深学生对理论知识理解的目的。1.2 实验内容与实际的科研和生产脱节材料科学基础 作为材料学最重要的理论专业课之一,其目的是让学生通过该课程的学习掌握材料在研发和工业生产过程中所涉及到的科学原理,理解材料的微观结构和宏观性能之间的联系,该课程对应的实验教学目的应该是通过实例让学278 广 州 化 工2023 年 2 月生深入体会理论在实际中的应用。然而在实际教学中并没有达到预期效果,究其原因主要是现在实验教学内容里各个实验项目单独存在,开设的实验项目只是单纯为了与理论教学内容相对应,不同的实验项目之间缺乏连贯性,某个实验项目对于材料研发或生产的意义并没有说明。实际的实验教学往往出现教师讲述完实验原理和目的之后,学生只是单纯的按照要求完成做实验记录实验数据撰写实验报告这一过程,实验的具体意义和对材料宏观性能的影响教师并没有具体讲述,学生也没有深入思考。作者认为作为工科大学生而言,实验教学必须突出实验与新材料的研发以及实际生产之间的关系,这也是当前实验教学所欠缺的部分。1.3 考核方式单一且缺乏科学性当前学生期末实验成绩的评价一般是采取出勤率结合实验报告的形式,虽然也提出把实际的实验操作作为评价学生实验成绩的重要一环,但是本科生人数众多且课时有限,在实际教学过程很难客观评价不同学生的操作能力,学生对于实验课的投入主要集中在出勤率和实验报告的撰写上,一般出勤率高和实验报告撰写规范的学生可以获得高分,这就导致了学生对实验的实际操作缺乏热情,形成眼高手低的问题。动手操作的能力是实验教学重要组成部分,因此如何切实提高学生实验操作能力,科学的评价实验综合成绩是目前实验教学面临的主要问题。2 实验教学改进的设想方案针对上述的一系列问题结合这些年来的教学经验,作者对如何改善实验教学提出以下的几点想法。2.1 紧跟学科发展并优化实验内容众所周知现代材料科学的发展非常快,近年来不断涌现出各种新型功能材料,而如前面所述材料科学的相关实验教材却是几十年没有变化,显然跟不上材料学科的发展,因此教材也必须适应学科发展而改变。这以作者所在的江苏大学材料学院材料科学与工程专业为例(以下均简称我院材料工程专业),该专业前身为无机非金属材料科学与工程,开设的材料科学基础相关实验主要和陶瓷、玻璃等传统无机材料相关,如玻璃的析晶、陶瓷的吸水率和密度测定等。为适应学科发展,我院材料工程专业实行“大类招生”,专业研究主要集中于电子材料和新能源方向,专业课程也有所调整,以前的专业课如 无机材料工厂设计、无机材料工艺学 等已经不再开设,取而代之的是 半导体物理学、电化学 以及 新能源材料 等课程,因此相关实验课必须进行改革。开设的新的实验项目既要以材料科学基础的相关知识为理论指导,同时也要体现出当代材料发展的新方向。对此我们参考了文献资料自行编写了新的实验教材,该教材以目前新能源材料热点锂电池材料作为制备对象6,开设了一系列实验项目,这些项目覆盖了从原材料的制备到成品的性能表征(具体内容可见本文的第三节)。一方面,这些实验项目涉及到的基础理论为 材料科学基础 教学大纲中学生要求掌握的知识点;另一方面这些实验紧跟当前的科研热点,学生在实验过程中既巩固了所学的材料学相关理论又能了解当代材料学科的发展动态,可谓一举两得。2.2 采用多样化的授课方式传统的实验教学是利用黑板板书教学,然后对照仪器说明操作步骤,随着教学手段的优化,可以利用多媒体教学并采用PPT 讲稿,在讲述实验过程中穿插一些当前的新材料的应用,通过经典的科学视频形象说明先进的科学技术和材料学之间的联系,增加学生的感性认识同时激发学生对材料学的兴趣。近年来也出现一些新颖的教学方法,比如虚拟仿真技术教学。对于 材料科学基础 中比较复杂的三维相图部分,我院材料工程专业教师就采用虚拟仿真技术进行了授课,学生普遍反映效果很好7。2.3 建立更加客观科学的考核方式对于最终实验成绩的评价不能单纯的以出勤率和实验报告作为评价标准,可以以 4 5 个人为一个实验兴趣小组,采取分工合作的形式,包括做实验前查找与实验相关的文献报告,了解合成制备的样品性能的表征手段和意义,探索改变实验条件对合成样品的影响。实验操作时各小组成员分工合作,实验工作交替进行,保证每个人能够通过实验既能学到知识同时动手能力得到提升。实验报告设立几个开放性问题,没有标准答案,每人根据自身的实验情况如实回答,既杜绝了抄报告的现象,也提高了学生的思考能力8。2.4 加强师生互动和学术交流为了检测学生的学习效果,教师可以在实验过程中提问实验课所涉及的基础理论知识,实验结束后结合实验操作让学生提出自己对实验的一下看法,也可以定期开展班级教学交流,让学生自主发言,讨论如何实验教学可以达到更好的教学效果。本科生实验课学时有限,实验相应的设备也是国产为主,教师可以在教学过程中抽出时间向学生展示所做实验的相关课题的最新进展,有条件的可以请相关研究生讲述实验过程的注意事项,可以参观研究生的实验室,了解对应本科实验所接触的课题,培养学生的科研能力,为以后的进一步发展奠定基础。3 实验教学实例现以我院材料工程专业所新开设的实验为例来说明教学改革,我院材料工程专业开设新能源方向,因此我们选择锂电池这一目前材料领域研究比较热的材料为例,开设了一系列实验项目,具体的实验项目和学时数见表 1。表 1 锂电池实验项目Table 1 Lithium battery experimental project项目序号实验项目学时数1锂电池电极材料晶体结构模型22液相法制备锂电池正极材料前驱体23锂电池正极材料的制备24锂电池负极材料 Li4Ti5O12的制备25激光衍射法测定锂电池正负极材料的粒度及其分布26锂电池材料烧结性能表征27锂电池材料的组装38锂电池循环伏安性能测定29锂电池阻抗性能测定210锂电池恒流充放电性能测定2以上的实验项目的理论基础立足于 材料科学基础 课程,也紧跟当前材料学的研究热点,很好的体现了教学跟随学科发展的趋势;在实验硬件方面,我们也购买了最新的制备和测试设备,(主要的设备见表 2),这些设备保证了开设实验所第 51 卷第 3 期周明,等:材料科学基础 实验教学改革的探索279 需的条件,可以完整连贯地完成从原材料到器件的制备和表征,在实际实验教学中为了达到良好的教学质量,我们将学生分成几个小组,每组 3 4 人,合理分工,保证每个学生都能做到自己动手操作,书写实验报告时也会留有一些开放性问题,比如“你觉得实验