基于实践能力培养的接触角测量实验教学模式探索

来源:用户上传      作者:田玉　朱小龙　张立辉

　　摘要：物理学专业的培养目标是培养掌握物理学的基本理论与方法，具有良好的数学基础和实验技能，能在物理学或相关的学科技术领域中从事科研、教学、技术应用和管理工作的高素质应用型人才。文章以接触角测量实验教学为载体，阐述如何通过促进教学模式的转变，让学生在掌握基本的物理学知识的基础上，使动手能力、创新思维能力和团结协作精神得到培养。该作者重点探索了该实验教学模式，并综合科学研究对教学内容进行更新，有助于培养学生的实践能力和创新精神，提升科学素质。
　　关键词：接触角测量实验;实践能力;教学模式
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0374-02
　　 “近代物理实验”是为物理类专业高年级学生开设的一门综合性较强的基础实验课程。该课程不仅使学生掌握如何用实验方法观察物理现象、研究物理规律，更让学生了解近现代实验技术在许多科学研究领域与工程实践中的广泛应用;它有助于开阔学生的视野，培养学生理论联系实际、刻苦好学的钻研精神。我们在开设近代物理实验项目时，力争做到基础与应用并重，既考虑到现代应用研究的前沿性，又照顾到传统的训练题材。因此，在保证基础物理内容的同时，我们注重加强应用技术特别是光和材料方面的选题，以培养学生应用物理知识、开展创新思维和解决实际问题的能力。接触角测量实验就是我们结合学生创新能力的培养而吸收进来的综合创新实验范例之一。对于固体来说，当液滴接触其表面时，液滴会保持它部分的形状或者在固体表面铺展开来，从而形成一层薄的液膜。这一性质通常是通过测量接触角来描述的。当水滴在固体表面上所形成的接触接近0度时，这样的固体表面分别被称为超亲水表面;而当水滴在固体表面上所形成的接触角大于150度时，这样的固体表面分别被称为超疏水表面。材料表面的接触角的测量是衡量材料的润湿性能的重要方法。对于该实验的教学，笔者在重点分析传统实验教学模式的基础上，对培养实践能力的材料实验教学模式进行了细致的探索，并且取得了良好的教学效果。
　　一、传统实验教学内容的改革
　　对于传统的实验教学，教师一般遵循实验目的、原理、设备、内容、注意事项几个方面给学生讲解。对于接触角测量实验，同样需要把这些内容讲述给学生，然而我们采取的方法则是以专题报告的形式叙述。从接触角的概念、理论和应用讲起，在讲解过程中，穿插设备的介绍、使用和注意事项，同时在教学中融入与之相關的最新科学成果，紧跟现代科技和交叉学科的发展。在这种教学情况模式下，实验目的和原理学生则根据报告自己体会，不受固定的某一句话的局限，让学生自己开动脑筋去思考。
　　二、实验内容的多样性
　　对于接触角测量实验内容，我们安排的液体除了传统的水滴，还有乙醇、异丙醇和正丁醇等醇类同系物在涤纶片、金属片、聚乙烯薄片和玻璃片上的接触角的测定，同时还有不同浓度表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶液在固体表面的接触角的测定。实验内容相对较多，可选余地较大。在实验内容的安排上，针对水滴我们还安排了一些有趣的实验：测量植物叶片的接触角。在自然界中由于荷叶表面上覆盖的白色蜡状物质，使得荷叶上面的水珠在其上滚动，并最终留在荷叶的中部。用扫描电子显微镜观察，能看到荷叶的表面具有很多微小的凸起结构，其尺寸大概在微米级（10微米）左右，在凸起结构上面，又覆盖了不少纳米尺寸（200纳米）的凸起结构。这种粗糙结构的存在导致我们用手触摸荷叶时有凹凸不平的感觉。荷叶上表面特殊的微纳米微观结构致使气膜产生并存在于固体和液体的界面处，从而导致水滴不能浸润而达到超疏水效果。水滴在这样的表面很容易滚落，这种特殊的润湿现象被称为“荷叶效应”。依据这个现象，告诉学生可以采集一些植物的叶片，进行接触角测量实验，学生对该部分内容学习积极性极高。
　　三、注重学生协同、动手能力的培养
　　对于接触角测量实验，由于设备相对比较昂贵，往往安排两个学生一组进行实验。在开始做实验之前，学生依据实验内容，自己选取不同的液体和固体，进行液体在固体表面上所形成的静态接触角测量。在实验过程中，两个人要分工合作，一个同学准备液体，另一个同学准备固体，同时要处理固体表面，使其干净。由于实验室只准备了原材料，做实验的部分需要学生继续加工，比如溶液浓度的配置、所选固体界面的清洗、植物叶片的采摘等。这些实验的准备过程，大大提高了学生的动手能力和协调能力，对学生未来的继续深造和就业提供了扎实的实践基础。
　　四、注重学生科学素质的培养
　　科学素质是指能使人具有强烈的科学意识，能对科学产生强烈的热情，以致使他的思维方式和行为决策都能达到习惯性地沿着科学道路前进的品质，使他的生存和活动与时代的发展和科学的进步取得和谐一致。科学素质的内涵是科学知识、科学思想、科学方法、科学精神和科学态度等方面的综合反映。科学素质可以借助普通教育来培养，尤其是包括物理实验教学在内的理科教学。科学素质是一种非智力因素，其要素主要包括对科学研究的兴趣、情感、意志、作风等。通过接触角测量实验的开设，再结合学生的开放性实验项目和创新科研项目，学生表现出敢于不断探求真理的意识和坚持科学思想的勇气。因此，通过该实验的训练，目前学生已经能够自主地提出科学问题，创新思维明显提高。
　　五、引入科研，服务教学，提升学生
　　通过多年的教学经验与科研实践，笔者发现教学与科研相辅相成，在教学中渗透科学思维方法、科学品德与精神的教育，一方面丰富了教学内容，体现了教学精髓;另一方面提高了学生的科学素质及进行科学研究的能力。如果教师将自己的研究内容适时适当地与课堂教学内容相融合，一方面将会使学生的专业知识面得到拓宽，教学质量也得以提高;另一方面也更新了教学内容，充分体现教与学相互促进的作用。作为一名高校教师，始终牢记：不但要传授给学生理论知识，更要培养学生解决实际问题的能力。教师应积极引导学生关注科学前沿。对于工程材料来说，对水或其他的腐蚀性液滴的超疏水行为可以大大加强它们的抗腐蚀能力，延长其使用寿命。尤其对于海洋船舶工业来说，制备出具有超疏水能力的抗腐蚀能力的工程合金材料将会产生非常重要和深远的意义。因此，对于该实验的后期工作，可结合具体的设计实验方案，分析测定方法并进行实验，从而培养学生解决实际问题的能力。 　　总之，接触角测量实验教学的开展，除了让学生了解润湿性能的应用极为广泛之外，通过教学实践内容的改革，更是培养了学生的团队协作、动手能力、创新思维和科学素质。我们结合具体教学内容，对教学方法和手段进行改革，既使学生掌握其基本理论，又通过融入科学知识培养了学生的科学素质。当然，对于学生科学素质的培养，并不仅仅局限于物理学学科，其他各个学科领域有着更为丰富的内涵和作用，对于本文所涉及的方法和途径也起到借鉴作用。
　　参考文献：
　　[1]张立辉.近代物理实验[M].北京：科学出版社，2017.
　　[2]马心英.大学生科学素质培养初探[J].菏泽学院学报，2016，38（01）：130-133.
　　Research on the Experimental Teaching Mode of Contact Angle Measurement Based on Practical Ability Cultivation
　　TIAN Yu，ZHU Xiao-long，ZHANG Li-hui
　　（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan，Hubei  430056， China）
　　 Abstract：For the physics major，its training objective is to cultivate high-quality applied talents with good mathematical foundation and experimental skills，who can engage in scientific research，teaching，technical application and management in physics or related technical fields.This paper takes the experimental teaching of contact Angle measurement as the carrier，and through promoting the transformation of teaching mode，it enables students to cultivate practical ability，innovative thinking，solidarity and cooperation and other learning habits on the basis of mastering the basic knowledge of physics.The author focuses on the exploration of the experimental teaching mode，and updates the teaching content with comprehensive scientific research，so as to further cultivate students' practical ability and innovative spirit and improve their scientific quality.
　　 Key words：contact angle measurement experiment;practical ability;teaching mode
　　收稿日期：2019-06-18
　　基金项目：武汉市教育局教学研究项目“計算物理教学改革与实践”，项目编号：2015060
　　作者简介：田玉（1979-），女，副教授，博士，研究方向：半导体材料与器件。
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