材料测试类课程综合设计型实验项目建设探索

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　　摘要：结合前期课程建设经验，探讨了如何建设满足学生自主学习需要的材料测试类课程实验项目，为进一步培养学生课程实践能力、提高课程教学质量提供了一些新的思路。
　　关键词：材料测试类课程；实验教学改革；综合设计型实验
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）30-0271-02
　　材料测试类课程以培养学生科学测试仪器的实际操作能力和测试数据的分析能力为目标，具有理论与实践紧密联系、实用性强的特点，在培养创新型材料工程人才中有着不可替代的作用。为提高教学效果，我们在材料测试类课程的教学过程中进行了多种教学方式改革，如混合式教学、考核方式改革、翻转课堂等，通过改革教学模式，提高了学生学习的参与性，取得了显著的效果。但是目前针对材料测试类课程的教学改革主要集中在课堂教学过程中[1，2]，对于实验教学过程的改革和研究较少。如何在注重理论教学的同时，改革实验教学过程，强化实验教学环节，培养出既具有扎实的理论知识，又具有较强的实践动手能力的高素质人才，是目前材料测试类课程实践教育中亟待解决的问题。本文以一种测试方法（紫外-可见吸收光谱法）为例，建设“紫外-可见吸收光谱法在新能源开发和环境净化中的应用”的综合设计型实验，探索材料测试类课程综合设计型实验项目的建设方法。以下分别从建设背景、建设内容和建设条件三方面进行探讨。
　　一、建设背景介绍
　　在紫外-可见吸收光谱法综合设计型实验项目建设过程中，我们首先应明确该方法的应用背景。由于化石能源储量有限及其使用中带来的环境污染，开发新型可再生的清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。山东省新旧动能转换重大工程也对新能源、新材料、新生产模式等发展提出了新的要求[3，4]。光催化剂可将太阳能转化为氢能或碳氢燃料，提供新的清洁能源，还可以吸收太阳光，催化降解环境污染物。任何一种新型光催化剂的设计与开发均离不开必要的材料测试分析与表征。紫外-可见吸收光谱法是表征材料禁带宽度的一种简单常用的方法，而禁带宽度是光催化剂对太阳光的利用能力和光催化降解污染物能力的关键因素。同时紫外-可见分光光度法是检测溶液中各类污染物浓度的一种简单方法，其检测结果重复性好、精度高、使用成本低。可以说，紫外-可见吸收光谱是光催化剂设计开发的关键测试技术，是实现国家及省各级有关部门提出的新能源、新材料产业转型升级目标的重要辅助手段。
　　紫外-可见分光光度法是材料专业学生必须掌握的一项专业技能。如何表征材料的禁带宽度和如何精确检测溶液中污染物浓度是新能源开发、环境净化和污染物去除的首要问题。目前已有的实验项目过于分散，只是集中在分光光度计的使用上，没有强调如何利用该测试方法设计光催化材料和分析污染物浓度。前期教学过程中对多届学生线上和线下问卷调查发现，学生希望在学习某种测试方法时，首先能够明确该测试方法在实际科研和生产中的应用，即要求老师在教学过程中能够结合实际问题，带着问题讲解；同时希望实验内容和过程中能够引入与实际科研生产密切相关的实例。通过设计“紫外-可见吸收光谱法在新能源开发和环境净化中的应用”综合设计型实验项目，可以使学生了解新能源开发和环境污染物处理的最新进展，系统学习如何操作分光光度计、精确选择和控制测量条件、分析实验结果并形成书面报告，在今后的科研和工作中，熟练利用分光光度计表征光催化剂的禁带宽度和检测各类污染物浓度，设计新型光催化剂。
　　二、建设内容总结
　　1.设计实验教学体系。系统梳理紫外-可见吸收光谱法需要掌握的课程知识体系，明确实验教学目标，以基础性与前沿性相结合为指导思想，为了使学生有一个循序渐进的学习过程，建立“四步法”的实验教学体系，过程如下：（1）引入问题：引入实际科研生产的问题，明确紫外-可见吸收光谱法的用途，激发学生的兴趣，引导学生进行思考，使其带着问题进行实验。（2）设计实验流程：结合基本原理，思考为何紫外-可见吸收光谱法能够解决该问题，使学生明确如何利用紫外-可见吸收光谱法解决该问题，设计实验流程。（3）操作仪器：熟悉仪器各部分和仪器操作流程，能够熟练操作仪器，明确仪器操作的注意事项。（4）分析谱图：实验的最终目的是从谱图分析中，利用紫外-可见吸收光谱法解决实际问题。对得到的实验数据和谱图进行分析，同时思考能否解决最初的问题，还有哪些地方需要改进。
　　2.编写实验指导书。明确学生要掌握的知识点和内容，根据“四步法”的实验教学体系的要求，将实验指导书分为：预习部分（包括引入的问题）、实验部分（包括仪器操作流程、实际例子的实验流程）、谱图分析部分、练习案例部分。编写各实验环节的教学目标，明确知识的类别和认知过程要求，同时明确每一部分的使用方法。
　　3.修改实验考核方法。为了激励学生积极参与到实验教学的各个环节中，需要强调实验环节的过程性考核，重点考查实验预习情况、实验流程设计情况、实验操作情况、谱图分析情况和练习思考情况，分别设计对应的考核方法和分数，并鼓励学生参与到考核过程中。
　　4.收集分析用案例。“紫外-可见吸收光谱法在新能源开发和环境净化中的应用”综合设计型实验项目包括以下环节，即问题提出—基本原理复习和预习—仪器操作过程和影响因素—谱图分析—如何解决实际问题—案例分析练习。整个流程中，紫外-可见吸收光谱谱图分析用案例起到关键性的作用。通过引入实际问题让学生明确该方法的用途，激发学生的学习兴趣；复习紫外-可见吸收光谱法检测基本原理，使学生明确如何利用紫外-可见吸收光谱解决实际问题，让学生在面对实际问题时，掌握如何选择合适的测试条件进行表征，并能够对实验谱图进行正确和全面的分析，从而解决科学研究或生产实际中遇到的问题。
　　三、建设条件分析
　　1.实验开展的基本设备。“紫外-可见吸收光谱法在新能源开发和环境净化中的应用”综合设计型实验项目开展需要的仪器设备主要有紫外-可见分光光度计，是材料实验室中常见的测试类仪器。
　　2.实验开展的教师条件。指导教师应从事或者熟悉新能源开发和环境净化方面的研究工作，熟练操作紫外-可见分光光度计，了解相关方面的最新科研进展，能够收集和整理相关的谱图等案例。教师需要不断跟踪该方面最新应用和研究进展，有利于将最新的研究进展引入实验教学中，使学生的学习内容紧跟发展前沿；指导教师需转变教学理念，实验过程不再是简单的重复、演示，而是要把握知识体系的主干，为学生提供资料和讨论问题，引导学生自主设计实验流程。
　　3.实验开展的学生条件。需要学生转变思想，接受和适应新的实验教学学习模式，让学生的潜力和活力发挥出来。学生的实验教学学习方式需要做出相应的改变：（1）过程化学习：实验过程不再是简单的走走过场，照着实验指导书进行的重复性、验证性的实验，而是参与到实验流程的设计中，认真思考紫外-可见吸收光谱法在实际科研和生产中的应用。（2）问题化学习：学生学会主动思考，提出问题，既有利于自己的深入思考，也能促进其他同学的学习。（3）个性化学习：不同学生会对知识点形成了自己的框架，引入问题后，学生可以根据自己的思考情况，设计实验方案，学生有更多自由发挥的余地，体现个性。
　　总之，结合培养目标、生产和科研实际，建设材料测试类综合设计型实验有利于提高课程教学质量和锻炼学生动手能力。引导学生充分利用综合设计型实验进行学习，这样的学习不仅使学生具有极强的自主学习分析能力，同时也是对科研思维的一种訓练和引导，有利于学生今后独立开展工作。
　　参考文献：
　　[1]王莹，陈智慧，张帅.新能源材料专业《材料现代测试方法》教学改革与实践初探[J].教育教学论坛，2018，（25）：107-108.
　　[2]张雪辉，李之锋，陈颢，黎业生，李晓闲.“互联网+材料分析测试技术信息化教学”的探索与实践[J].高教学刊，2016，（15），87-88.
　　[3]公维才，王娴娴.新旧动能转换初探——以山东省为例[J].聊城大学学报：社会科学版，2018，（05）：117-122.
　　[4]张志勇.煤炭企业新旧动能转换的思考及对策[J].煤炭经济研究，2018，138（8）：36-41.
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