王衛(wèi)偉 李蛟 張華 孫武珠 叢日敏

摘要：結合前期課程建設經(jīng)驗，探討了如何建設滿足學生自主學習需要的材料測試類課程實驗項目，為進一步培養(yǎng)學生課程實踐能力、提高課程教學質量提供了一些新的思路。

關鍵詞：材料測試類課程；實驗教學改革；綜合設計型實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）30-0271-02

材料測試類課程以培養(yǎng)學生科學測試儀器的實際操作能力和測試數(shù)據(jù)的分析能力為目標，具有理論與實踐緊密聯(lián)系、實用性強的特點，在培養(yǎng)創(chuàng)新型材料工程人才中有著不可替代的作用。為提高教學效果，我們在材料測試類課程的教學過程中進行了多種教學方式改革，如混合式教學、考核方式改革、翻轉課堂等，通過改革教學模式，提高了學生學習的參與性，取得了顯著的效果。但是目前針對材料測試類課程的教學改革主要集中在課堂教學過程中[1，2]，對于實驗教學過程的改革和研究較少。如何在注重理論教學的同時，改革實驗教學過程，強化實驗教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)出既具有扎實的理論知識，又具有較強的實踐動手能力的高素質人才，是目前材料測試類課程實踐教育中亟待解決的問題。本文以一種測試方法（紫外-可見吸收光譜法）為例，建設“紫外-可見吸收光譜法在新能源開發(fā)和環(huán)境凈化中的應用”的綜合設計型實驗，探索材料測試類課程綜合設計型實驗項目的建設方法。以下分別從建設背景、建設內(nèi)容和建設條件三方面進行探討。

一、建設背景介紹

在紫外-可見吸收光譜法綜合設計型實驗項目建設過程中，我們首先應明確該方法的應用背景。由于化石能源儲量有限及其使用中帶來的環(huán)境污染，開發(fā)新型可再生的清潔能源成為關系人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重大課題。山東省新舊動能轉換重大工程也對新能源、新材料、新生產(chǎn)模式等發(fā)展提出了新的要求[3，4]。光催化劑可將太陽能轉化為氫能或碳氫燃料，提供新的清潔能源，還可以吸收太陽光，催化降解環(huán)境污染物。任何一種新型光催化劑的設計與開發(fā)均離不開必要的材料測試分析與表征。紫外-可見吸收光譜法是表征材料禁帶寬度的一種簡單常用的方法，而禁帶寬度是光催化劑對太陽光的利用能力和光催化降解污染物能力的關鍵因素。同時紫外-可見分光光度法是檢測溶液中各類污染物濃度的一種簡單方法，其檢測結果重復性好、精度高、使用成本低。可以說，紫外-可見吸收光譜是光催化劑設計開發(fā)的關鍵測試技術，是實現(xiàn)國家及省各級有關部門提出的新能源、新材料產(chǎn)業(yè)轉型升級目標的重要輔助手段。

紫外-可見分光光度法是材料專業(yè)學生必須掌握的一項專業(yè)技能。如何表征材料的禁帶寬度和如何精確檢測溶液中污染物濃度是新能源開發(fā)、環(huán)境凈化和污染物去除的首要問題。目前已有的實驗項目過于分散，只是集中在分光光度計的使用上，沒有強調如何利用該測試方法設計光催化材料和分析污染物濃度。前期教學過程中對多屆學生線上和線下問卷調查發(fā)現(xiàn)，學生希望在學習某種測試方法時，首先能夠明確該測試方法在實際科研和生產(chǎn)中的應用，即要求老師在教學過程中能夠結合實際問題，帶著問題講解；同時希望實驗內(nèi)容和過程中能夠引入與實際科研生產(chǎn)密切相關的實例。通過設計“紫外-可見吸收光譜法在新能源開發(fā)和環(huán)境凈化中的應用”綜合設計型實驗項目，可以使學生了解新能源開發(fā)和環(huán)境污染物處理的最新進展，系統(tǒng)學習如何操作分光光度計、精確選擇和控制測量條件、分析實驗結果并形成書面報告，在今后的科研和工作中，熟練利用分光光度計表征光催化劑的禁帶寬度和檢測各類污染物濃度，設計新型光催化劑。

二、建設內(nèi)容總結

1.設計實驗教學體系。系統(tǒng)梳理紫外-可見吸收光譜法需要掌握的課程知識體系，明確實驗教學目標，以基礎性與前沿性相結合為指導思想，為了使學生有一個循序漸進的學習過程，建立“四步法”的實驗教學體系，過程如下：（1）引入問題：引入實際科研生產(chǎn)的問題，明確紫外-可見吸收光譜法的用途，激發(fā)學生的興趣，引導學生進行思考，使其帶著問題進行實驗。（2）設計實驗流程：結合基本原理，思考為何紫外-可見吸收光譜法能夠解決該問題，使學生明確如何利用紫外-可見吸收光譜法解決該問題，設計實驗流程。（3）操作儀器：熟悉儀器各部分和儀器操作流程，能夠熟練操作儀器，明確儀器操作的注意事項。（4）分析譜圖：實驗的最終目的是從譜圖分析中，利用紫外-可見吸收光譜法解決實際問題。對得到的實驗數(shù)據(jù)和譜圖進行分析，同時思考能否解決最初的問題，還有哪些地方需要改進。

2.編寫實驗指導書。明確學生要掌握的知識點和內(nèi)容，根據(jù)“四步法”的實驗教學體系的要求，將實驗指導書分為：預習部分（包括引入的問題）、實驗部分（包括儀器操作流程、實際例子的實驗流程）、譜圖分析部分、練習案例部分。編寫各實驗環(huán)節(jié)的教學目標，明確知識的類別和認知過程要求，同時明確每一部分的使用方法。

3.修改實驗考核方法。為了激勵學生積極參與到實驗教學的各個環(huán)節(jié)中，需要強調實驗環(huán)節(jié)的過程性考核，重點考查實驗預習情況、實驗流程設計情況、實驗操作情況、譜圖分析情況和練習思考情況，分別設計對應的考核方法和分數(shù)，并鼓勵學生參與到考核過程中。

4.收集分析用案例?！白贤?可見吸收光譜法在新能源開發(fā)和環(huán)境凈化中的應用”綜合設計型實驗項目包括以下環(huán)節(jié)，即問題提出—基本原理復習和預習—儀器操作過程和影響因素—譜圖分析—如何解決實際問題—案例分析練習。整個流程中，紫外-可見吸收光譜譜圖分析用案例起到關鍵性的作用。通過引入實際問題讓學生明確該方法的用途，激發(fā)學生的學習興趣；復習紫外-可見吸收光譜法檢測基本原理，使學生明確如何利用紫外-可見吸收光譜解決實際問題，讓學生在面對實際問題時，掌握如何選擇合適的測試條件進行表征，并能夠對實驗譜圖進行正確和全面的分析，從而解決科學研究或生產(chǎn)實際中遇到的問題。

三、建設條件分析

1.實驗開展的基本設備。“紫外-可見吸收光譜法在新能源開發(fā)和環(huán)境凈化中的應用”綜合設計型實驗項目開展需要的儀器設備主要有紫外-可見分光光度計，是材料實驗室中常見的測試類儀器。

2.實驗開展的教師條件。指導教師應從事或者熟悉新能源開發(fā)和環(huán)境凈化方面的研究工作，熟練操作紫外-可見分光光度計，了解相關方面的最新科研進展，能夠收集和整理相關的譜圖等案例。教師需要不斷跟蹤該方面最新應用和研究進展，有利于將最新的研究進展引入實驗教學中，使學生的學習內(nèi)容緊跟發(fā)展前沿；指導教師需轉變教學理念，實驗過程不再是簡單的重復、演示，而是要把握知識體系的主干，為學生提供資料和討論問題，引導學生自主設計實驗流程。

3.實驗開展的學生條件。需要學生轉變思想，接受和適應新的實驗教學學習模式，讓學生的潛力和活力發(fā)揮出來。學生的實驗教學學習方式需要做出相應的改變：（1）過程化學習：實驗過程不再是簡單的走走過場，照著實驗指導書進行的重復性、驗證性的實驗，而是參與到實驗流程的設計中，認真思考紫外-可見吸收光譜法在實際科研和生產(chǎn)中的應用。（2）問題化學習：學生學會主動思考，提出問題，既有利于自己的深入思考，也能促進其他同學的學習。（3）個性化學習：不同學生會對知識點形成了自己的框架，引入問題后，學生可以根據(jù)自己的思考情況，設計實驗方案，學生有更多自由發(fā)揮的余地，體現(xiàn)個性。

總之，結合培養(yǎng)目標、生產(chǎn)和科研實際，建設材料測試類綜合設計型實驗有利于提高課程教學質量和鍛煉學生動手能力。引導學生充分利用綜合設計型實驗進行學習，這樣的學習不僅使學生具有極強的自主學習分析能力，同時也是對科研思維的一種訓練和引導，有利于學生今后獨立開展工作。

參考文獻：

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