材料化学综合实验教学改革的探索与实践

李美静 沈淑坤 陈建刚 胡道道

摘要：针对材料化学实验教学中存在的问题，结合具体教学实验，探讨了材料化学综合性设计实验教学改革的方法。实验课程教学改革以学生为主体，以解决实际问题为导向，以理论与创新相结合为原则，有助于大学生将基础学科无机化学、物理化学等融入材料化学、环境化学等应用学科中，能有效地提高学生对材料化学实验的学习兴趣和实验教学效果。

关键词：材料化学综合实验;教学改革;实验教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0127-02

本科实验教学强调由基础到创新、由理论到应用的模块化、多维度的实验教学体系，学生可以在实验中掌握更多的材料化学前沿动态，使学生对材料化学实验的学习兴趣和自主探索精神得到提高。培养学生的创新性能力，锻炼学生的动手能力，使实验教学真正成为培养学生实验技能及创新能力的重要环节和必要手段，从而达到提高学生综合素质和科研创新能力的目标[1]。

一、对实验教学内容进行改进

1.材料化学实验教学的多学科交叉要求。传统的材料化学实验通常是注重对某一基础学科的基本实验进行学习，这样往往不能培养学生将所学知识进行融会贯通的能力，从而使实验教学达不到理想的效果。因此，在材料化学综合实验中将基础学科如无机化学、物理化学等融入材料化学、环境化学等应用学科中，能有效地提高学生对材料化学实验的学习兴趣和实验教学效果。例如，在气相法制备TiO2-硅藻土复合材料及光催化性能演示实验设计中，学生通过学习二氧化钛及硅藻土材料的概念、结构特点及用途，掌握二氧化钛光催化机理，熟悉溶胶-凝胶反应机理、材料负载工作原理及其实验过程，掌握复合材料的光催化性能测试，了解新型功能复合材料在废水处理、甲醛吸附等环保领域的重要性。

2.材料化学实验教学的创新性和实用性要求。传统材料化学实验仅对实验本身进行要求，而忽视了对学生的创新能力的培养，以及实验所呈现的效果对实际生产生活的重要作用。因此，在材料化学实验中需注重其本身的创新性和实用性。例如，在气相法制备TiO2-硅藻土复合材料及光催化性能演示实验设计中，TiO2光催化剂在紫外光激发下可用来催化分解很多有机物，具有光催化效率高、吸收紫外线的能力强、表面活性大、分散性好等优点[2]。目前，二氧化钛材料（TiO2）被广泛应用于污水治理、室内空气净化等环境保护方面。但是，由于粉末TiO2粒径小，与靶向污染物的接触概率甚小，因此，需要将其固定在一定的载体上。而硅藻土具有独特的硅藻壳体，且表面为多孔结构，具有较低的密度、较强的吸附能力、化学稳定性好等优点，故广泛应用硅藻土作为固定粉末TiO2的载体。将TiO2-硅藻土结合起来制备的复合光催化材料既能通过TiO2在硅藻土内部及表面附着以解决TiO2使用后难以回收的难题，又可以利用基质硅藻土吸附能力强的特点将污染物吸附至其表面，增加其与催化剂的接触面积，进而有利于提高降解速率。材料化学综合实验的创新性和实用性要求有助于学生发散思维，将具有优势的各种材料进行恰当的复合，从而得到一种效果更为理想的复合材料。

3.材料化学实验教学的全面性要求。传统材料化学实验仅仅能让学生学习几种基本的表征手段，因此，在综合实验改革中应让学生学会使用多种有效的表征分析手段。例如，为了研究样品的表面形貌、微观结构等需对材料表面进行扫描电镜（SEM）分析;能量色散X射线光谱仪附件，即EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy），借助于EDX能谱分析进行简单的定性分析;紫外分光光度计的使用，等等。例如，在气相法制备TiO2-硅藻土复合材料及光催化性能演示实验设计中，采用紫外分光光度计测试TiO2-硅藻土复合材料光催化分解有机染料的效率，利用紫外分光光度计测量甲基橙的吸光度的变化，据此判断制备的TiO2-硅藻土复合材料是否具有光催化。这有利于学生自主使用不同的用于表征的大型仪器，从而使学生在掌握实验操作的基础上对大型仪器的使用也有了一定认识。

4.材料化学实验教学培养学生观察分析能力的要求。传统的材料化学实验学生只是进行简单的模拟，对实验现象相对应的实验原理、实验规律的总结能力欠佳，因此，实验教学改革需强调培养学生对实验现象相对应的实验原理进行解释说明、总结实验规律的能力。例如，在气相法制备TiO2-硅藻土复合材料及光催化性能演示实验设计中，由学生小组内进行实验并对得到的实验结果进行合理分析：经紫外光辐照后，TiO2-硅藻土复合材料开始催化降解甲基橙染料，由圖1可以看出，制备的TiO2-硅藻土复合催化剂能达到提高降解污染物速率的目的，且随光照时间的增加，降解率进一步提高，紫外光辐照40min后，甲基橙染料完全褪色。通过对复合材料的光降解模拟污染物的测试及现场观察甲基橙颜色蜕变，增加了学生对材料应用价值的认知，提高了学生对材料化学的科研兴趣。

二、对实验教学方法进行改进

对实验教学方式的改进尤为重要，在对本科生的实验教学中，采取学生在课前以小组为单位查阅大量文献资料，寻找最佳实验方法，小组内进行讨论，并与教师进行沟通，从而确定实验方法，进行实验。具体可以按如下方法进行：将学生分为六人一组进行搜集资料，讨论，归纳整理得到实验方案。接下来，首先集中讨论各个实验方案的优缺点，并指出本综合实验的实施方案，向学生强调实验中需要注意的安全事项。然后各组学生组内合作进行复合材料制备实验。例如，在气相法制备TiO2-硅藻土复合材料及光催化性能演示实验设计中，学生通过查阅资料可知，目前，国内材料化学综合实验教材中，关于制备TiO2光催化材料相关实验方法的教学内容主要有：溶胶-凝胶法[3]、水解法、机械力活化法、水解沉淀法等。通过对比分析得知气相溶胶-凝胶法为在硅藻土基质上固载二氧化钛的简易制备方法，该方法可操作性强，简便环保，并且易于得到所需的复合材料。小组合作的教学方式有利于每个学生充分参与到实验活动当中，并在这个过程充当一定的角色，有助于发挥学生的主观能动性。材料化学综合实验设计基本环节及学生与教师的主要任务如图2所示。

三、结束语

材料化学前沿的本科综合性实验旨在考查学生的创新思维和动手能力，实验有关过程包含复合材料的设计、合成与表征。在实验操作与样品表征过程中，有利于学生自主使用不同的用于表征的大型仪器，从而使学生在掌握实验操作的基础上对大型仪器的使用也有了一定认识。通过对制备的复合材料利用不同表征方法得到的结果进行系统分析，使学生充分理解材料设计的原理，巩固了材料化学中相关材料制备与表征的内容。

参考文献：

[1]常金荣，邝枣园，谭宇蕙，等.生物技术专业开放与自主实验教学模式初探[J].教育教学论坛，2018，（13）：155-156.

[2]陈万平.材料化学实验[M].北京：化学工业出版社，2017：84-85.

[3]云南大学材料学科实验教学教研室.材料物理与化学制备实验教程[M].北京：化学工业出版社，2015：17-22.