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材料化學“自主開放”實驗教學模式的構建分析論文
一、傳統實驗教學模式的弊端
材料化學專業是化學與材料科學等多學科交叉領域中十分活躍的專業，近年來對促進科學及國民經濟的發展起到越來越重要的作用，成為21世紀化學發展中的重要學科。作為材料化學專業課程的重要組成部分——材料化學專業實驗，其目標不僅要訓練學生掌握材料化學常規的實驗方法和技能，培養學生敏銳的觀察和分析問題的能力，更重要的是培養學生嚴謹的科學態度、創新思維和綜合能力。所以，材料化學專業實驗教學是實施素質教育、促進知識向能力轉化的重要而有效的途徑，它可以更大程度地激發學生學習興趣，啟迪學習方法，培養觀察、思考、實踐、分析和解決問題的能力，是理論教學所不能替代的。目前，國內各高校開設的材料化學專業實驗主要包括材料化學綜合實驗、材料合成與制備實驗、材料結構與性能測試實驗等，所涉及的實驗內容主要是重復性的驗證性實驗。然而，陳舊的實驗內容和“照方抓藥”式實驗教學模式，不僅難以激發學生的興趣，而且學生處于被動的學習狀態，忽視了對學生自主學習、創新思維和能力的培養。“授之以魚，不如授之以漁”。因而，在教學過程中，除了基本的教學任務外，還應更多地涉及學習策略和學習方法，讓學生在“學會”的基礎上達到“會學”的目的。因此，構建以學生為主體的材料化學專業實驗教學模式，以適應新世紀對材料化學人才的需求是函待解決的問題。近幾年，各高校積極進行實驗教學改革，建立了多種化學實驗教學的新模式。黑龍江大學材料化學專業也推進了專業實驗課的教學改革，在“自主開放”專業實驗教學模式構建和實施上進行了有益的探索
二、“自主開放”實驗教學模式的內涵與特點
“自主開放”式專業實驗教學，即將部分科研成果轉化為本科實驗教學內容，學生以小組為單位，根據自身興趣、理解以及實驗室現有條件，綜合運用所學的知識，自主選題并設計實驗方案達到實驗目標。不同于傳統的化學基礎實驗和材料化學專業實驗，“自主開放式”專業實驗在內容編排上不僅緊密聯系材料化學領域的前沿熱點，而且本身是系統性、科學性的完整課程體系，具有探究性、新穎性、前沿性和應用性的特點，可激發學生的研學興趣。此外，在整個實驗實施過程中，學生是主體，指導教師引導學生探究問難、建立自主研學方法，能更好地從科學態度、實驗技能、發現分析和解決問題能力等多角度提升學生的綜合素質，使學生具有創新和實踐精神。“自主開放”專業實驗教學模式的構建主要包括三個部分：搭建“自主開放式”專業實驗平臺、設計實驗教學環節、建立多角度能力評定體系。
三、“自主開放”實驗教學平臺的搭建
“自主開放”式專業實驗教學依托于黑龍江大學材料化學專業實驗課程—材料加工與設計實驗。實驗平臺的搭建需考慮四方面問題：
（1）材料化學領域的研究熱點；
（2）實驗課題的多樣性、普適性、可操作性以及綜合性；
（3）材料化學專業實驗室現有儀器是否可以滿足合成實驗、物性表征以及性能測試的需求；
（4）本專業教師是否熟悉實驗內容、相關的合成方法和性能測試，從而有效地指導學生。
實驗室通過對現有實驗教學體系、教學內容、指導教師科研領域以及教學和科研儀器等進行梳理、整合，構建了以復合微球合成及性能測試為目標的開放式實驗平臺，其目的是讓學生理解材料的構效關系。該平臺涉及膠體微球、半導體氧化物和貴金屬納米粒子等多種材料的合成方法以及性能測試。利用這個平臺學生要獨立完成兩個系列實驗，并規定所合成的材料要具有指定的性能。實驗教材只給出各種膠體微球的性質、應用領域及相關機理，并列舉一些相關文獻；而各種材料的合成方法、性能表征、性能測試方法以及各種材料復合對性能影響均不體現。學生合成什么復合微球、如何合成、如何表征、如何測試性能，均需通過調研文獻、歸納總結和設計，并實施操作，從而充分體現“自主開放”式專業實驗的自主性、開放性和探究性。
四、“自主開放”實驗教學的實施策略
實驗教學順利進行的關鍵在于各個教學環節的細致籌劃、準備和緊密銜接。為此，在實驗平臺建成后，實驗指導教師根據專業實驗平臺設置的實驗內容，分組查閱文獻并歸納總結膠體微球（包括碳膠球、聚合物膠球以及無機氧化物膠球）、微球表面功能化、半導體氧化物以及貴金屬的合成方法。根據實驗方法準備了相關的藥品、儀器以及性能測試系統，并在學院測試平臺申請了材料表征，以確認實驗合成的產品物質結構和形貌。
“自主開放”專業實驗課的具體實施步驟主要山選題、文獻調研、設計實驗方案、實驗操作以及總結匯報五部分構成。開課前，實驗教師統一講解“自主開放”專業實驗的實驗目標、操作方式，提供文獻檢索范圍，并規定五個階段的截止時間。實驗組自主選擇所要合成的復合膠體微球、合成方法、物性表征和性能測試。在選題階段指導教師有意識地引導部分學生用不同的方法合成同種材料，或者用同種方法合成不同種材料，使各實驗組的課題具有一定的關聯性和交叉性。實驗組根據選題設計實驗方案。指導教師審核實驗設計的合理性、可行性及安全性，并檢查實驗所需儀器、試劑是否齊備等。通過實驗設計階段的討論，指導教師引導學生修改和完善實驗方案。實驗方案修正后，學生還需考慮實驗中涉及的藥品使用注意事項、儀器選擇及使用方法、操作步驟等問題。在整個實驗操作過程中，指導教師不僅監督學生操作的規范性和安全性，并給予及時的指導或幫助；而且隨著實驗的進行，根據實驗現象提出問題，啟迪學生獨立思考，提高分析和解決問題的能力。只有當學生在操作過程出現遺漏和錯誤時，指導教師才會提示學生并提供必要的講解。
課后學生不僅要提交系統的實驗報告，還要進行實驗總結匯報。各實驗組闡述本組實驗的設計理念、控制步驟、實驗結果以及實驗中的問題和經驗。通過總結交流，學生不僅可以系統地理解不同合成方法對同種材料性能的影響、不同材料性能差異的原因，加深對材料結構與性能之間關系的認知，而且可以了解多種合成方法、多種材料性能，大大拓展了學生的知識面和思維方法。同時，通過共同分享實驗成功的經驗或失敗的教訓，增強自我效能感，為今后從事課題研究打下基礎。
五、構建多角度“自主開放”實驗教學能力評價體系
不同于常規實驗課程的考核，“自主開放”實驗的考核重點不再局限于實驗操作規范、記錄翔實、報告完整，而是更重視對學生能力的考核與評價，因而加大了能力測評的權重（約占60%。指導教師根據實驗各個環節，如選題依據、實驗設計方案討論、文獻探討、課堂提問、具體實驗細節的酌量、實驗結果、實驗總結匯報和實驗報告質量等，對學生的實驗技能、自主研學、創新能力和科學思維等綜合能力進行評價。
經過三年的教學實踐，“自主開放”式實驗教學體系逐步完善，已經發展為材料化學專業特色教學模式，而且取得了理想的教學效果。學生們普遍反映這種“自主研學”、“開放選擇”式的實驗教學更具有趣味性、挑戰性和創造性，不僅極大地激發了學生自主學習的熱情和積極性，而且學生也從中掌握了從事科學研究的基本方法和途徑。這類系統的綜合性實驗，有利于學生將本科期間學習的化學專業基礎知識和實驗技能有機地結合起來，形成了更加完整和深入的認知。另外，學生具有無窮的潛力，在實驗過程中常常出現一些意想不到的結果，反過來也鞭策教師做更深入的探究。
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