材料科學(xué)與工程專業(yè)特色開放實驗教學(xué)體系的構(gòu)建
——以西南林業(yè)大學(xué)為例

徐開蒙， 陳太安， 康昆勇， 鄭云武， 秦永劍， 鄭志鋒*

(西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

教學(xué)管理

材料科學(xué)與工程專業(yè)特色開放實驗教學(xué)體系的構(gòu)建
——以西南林業(yè)大學(xué)為例

徐開蒙， 陳太安， 康昆勇， 鄭云武， 秦永劍， 鄭志鋒*

(西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

從國家“一帶一路”重大發(fā)展戰(zhàn)略和云南省地方重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)出發(fā)，探索林業(yè)高等院校材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新應(yīng)用型人才特色的開放實驗教學(xué)體系。通過循序漸進的實驗教學(xué)體系、便捷開放的實驗管理體系以及團隊考核制實驗效果評價體系的構(gòu)建，致力于形成多層次、階梯狀、開放便捷高效的實驗教學(xué)新體系，為新形勢下培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實、創(chuàng)新實踐能力突出的材料科學(xué)與工程專業(yè)人才提供新的思路。

材料科學(xué)與工程；特色開放；教學(xué)體系；構(gòu)建

創(chuàng)新是一個時代國家和地區(qū)的核心競爭力，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是我國經(jīng)濟實現(xiàn)跨越式發(fā)展、縮小與世界發(fā)達國家之間差距和保持國家持續(xù)競爭力的關(guān)鍵因素。材料、信息和能源并稱為現(xiàn)代文明的“三大支柱”，材料科學(xué)與工程專業(yè)強調(diào)對材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝和性能之間相互關(guān)系的深入理解與掌握，為材料設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)。由于該專業(yè)具有基礎(chǔ)性強、涉及面寬、知識更新快等特點[1]，故培養(yǎng)的學(xué)生除了要掌握扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識和基本技能之外，還應(yīng)著重強調(diào)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力。在國家實施“一帶一路”重大發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，云南省憑借區(qū)位與資源優(yōu)勢將進一步成為云南與周邊地區(qū)深化交流合作的重要平臺。同時，在全國高等教育逐漸由精英化向大眾化過渡以及新材料產(chǎn)業(yè)成為云南省大力打造的八大重點產(chǎn)業(yè)之一的背景下，材料科學(xué)與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)和輸送將對云南省甚至西南地區(qū)未來的經(jīng)濟增長和產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到重要的支撐作用。

目前，在全國林業(yè)高等院校中僅有南京林業(yè)大學(xué)、中南林業(yè)科技大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)成功開設(shè)了材料科學(xué)與工程專業(yè)。西南林業(yè)大學(xué)(以下簡稱我校)作為西部地區(qū)唯一一所獨立設(shè)置的林業(yè)高等院校，在西南地區(qū)的高等農(nóng)林院校里首個設(shè)立材料科學(xué)與工程專業(yè)，我校材料科學(xué)與工程專業(yè)瞄準我省新材料的產(chǎn)業(yè)定位，結(jié)合西南地區(qū)生物質(zhì)資源種類和數(shù)量豐富等優(yōu)勢，著力培養(yǎng)具有自身特色的材料科學(xué)與工程創(chuàng)新應(yīng)用型人才。在專業(yè)建設(shè)過程中，以常被忽略的實驗教學(xué)建設(shè)為著眼點和出發(fā)點，改善傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗內(nèi)容及評價方式單一呆板、實驗教學(xué)方法落后、實驗室管理混亂且開放力度不足等短板[2-4]，以學(xué)校材料類專業(yè)現(xiàn)有的實驗教學(xué)條件為依托，高效整合并優(yōu)化資源，深化課程基礎(chǔ)實驗教學(xué)，加強綜合實驗?zāi)芰τ?xùn)練，注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)，根據(jù)新形勢下材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)的目標要求，構(gòu)建材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)知識技能和綜合創(chuàng)新能力提升實驗室，即“課程基本知識、專業(yè)綜合、設(shè)計創(chuàng)新”三層次實驗教學(xué)體系，不同實驗教學(xué)體系下設(shè)立相應(yīng)的課程群結(jié)構(gòu)，致力于形成多層次、階梯狀、開放便捷高效的實驗教學(xué)新體系。

1 構(gòu)建循序漸進多層次實驗教學(xué)體系

我校材料科學(xué)與工程專業(yè)根據(jù)學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段對基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識的掌握程度和材料類專業(yè)知識模塊，從培養(yǎng)方案制定的源頭出發(fā)，在培養(yǎng)方案的實驗課程中設(shè)置基礎(chǔ)驗證及認知性實驗教學(xué)體系、綜合性專業(yè)實驗教學(xué)體系、特色創(chuàng)新設(shè)計性實驗教學(xué)體系的三層次實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，突出強化實驗學(xué)分總量，并合理配置三層次實驗教學(xué)體系所對應(yīng)學(xué)分在總實驗教學(xué)學(xué)分中所占的比例。

基礎(chǔ)驗證及認知性實驗教學(xué)體系服務(wù)于公共性基礎(chǔ)理論課程的實驗教學(xué)，占實驗教學(xué)學(xué)分的40%，鍛煉學(xué)生對基本儀器設(shè)備的使用能力，了解實驗室的基本規(guī)則，加深學(xué)生在課堂上所學(xué)理論知識的印象，驗證材料學(xué)理論知識的相關(guān)定理和基本概念；綜合性專業(yè)實驗教學(xué)體系獨立于專業(yè)理論課程的平臺實驗教學(xué)，包括課程設(shè)計、材料設(shè)計與制備綜合實驗，占實驗教學(xué)學(xué)分的40%，該層次實驗教學(xué)體系不但要求學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識和多種實驗原理來設(shè)計實驗方案，還要求學(xué)生能運用已有知識去分析和解決問題[5]，在實驗教學(xué)體系中起到承上啟下的作用；設(shè)計創(chuàng)新實驗教學(xué)體系服務(wù)于學(xué)生自主設(shè)計創(chuàng)新的平臺實驗教學(xué)，如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、畢業(yè)設(shè)計(論文)等，占實驗教學(xué)學(xué)分的20%，該層次實驗體系主要針對基礎(chǔ)扎實且創(chuàng)新潛力突出的學(xué)生，通過創(chuàng)新性實驗開展，激發(fā)學(xué)生潛在的自主學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力主動探索學(xué)習(xí)，充分體驗科學(xué)研究的過程和樂趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究習(xí)慣和探究精神[6-8]。不同的課程群由對應(yīng)的教師團隊組成實驗教學(xué)小組，對于各層次實驗教學(xué)體系，采取進入下一層次體系前必須完成上一層次體系的培養(yǎng)方式，嚴格把關(guān)，實行考試(考核)制度，使學(xué)生在實驗課程中踏實走穩(wěn)每一步。

目前，我?；A(chǔ)驗證及認知性實驗教學(xué)體系所對應(yīng)的課程群由6名經(jīng)驗豐富的基礎(chǔ)部老師組成，課程群內(nèi)容包括物理課程群實驗和化學(xué)課程群實驗兩部分，物理課程群實驗包括大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)實驗、材料物理實驗、材料力學(xué)實驗、高分子物理實驗和物理化學(xué)實驗，化學(xué)課程群實驗包括無機及分析化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、材料化學(xué)實驗、高分子化學(xué)實驗和化工原理實驗。綜合性專業(yè)實驗教學(xué)體系所對應(yīng)的課程群由6名不同年齡層次和職稱的材料專業(yè)教師和實驗教師組成，課程群包括材料模具和結(jié)構(gòu)綜合實驗、材料表面與界面綜合實驗、材料成型加工及設(shè)備綜合實驗、材料測試與現(xiàn)代分析方法綜合實驗等。特色創(chuàng)新設(shè)計性實驗教學(xué)體系課程群由4名不同研究方向的高級職稱學(xué)科帶頭人及其團隊教師組成，課程群內(nèi)容包括生物基化學(xué)品材料制備與特性表征創(chuàng)新實驗、生物基碳纖維材料制備與特性表征創(chuàng)新實驗、生物基納米復(fù)合薄膜制備及表征創(chuàng)新實驗、生物基泡沫碳制備及表征創(chuàng)新實驗等。

另外，教師作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要因素之一，自身的專業(yè)素質(zhì)及專業(yè)知識的不斷深入也極為重要。為此我院經(jīng)常組織教師參加行業(yè)相關(guān)的各種學(xué)術(shù)或行業(yè)研討會、展覽會，以搭建信息交流平臺，讓教師把握行業(yè)最新動態(tài)。為提高教師的學(xué)術(shù)水平，我院每周三組織學(xué)術(shù)講座、學(xué)術(shù)研討等活動，讓各領(lǐng)域教師的研究內(nèi)容能夠通過學(xué)科交叉增強創(chuàng)新點，同時學(xué)院還根據(jù)政府對西部地區(qū)人才支援的安排定期派出骨干教師到發(fā)達國家科研院所進修或開展合作研究等交流活動使教師緊跟行業(yè)發(fā)展步伐，通過不斷交流學(xué)習(xí)增強自身的創(chuàng)新能力。

2 構(gòu)建便捷開放實驗管理體系

在上述三層次實驗課程群結(jié)構(gòu)中，第一層次的基礎(chǔ)驗證及認知性實驗課程模塊由基礎(chǔ)部教師統(tǒng)一安排在公共基礎(chǔ)物理實驗室和公共基礎(chǔ)化學(xué)實驗室進行。對于第二、第三層次的綜合性專業(yè)實驗課程群和創(chuàng)新設(shè)計性實驗群，構(gòu)建“培訓(xùn)-授權(quán)-上機-維護-傳遞”的便捷開放化實驗管理體系，開展綜合性、創(chuàng)新性實驗，使學(xué)生積極主動地獲取知識并激發(fā)創(chuàng)新潛能，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與綜合分析能力，這是培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型高素質(zhì)綜合性人才的基礎(chǔ)，所培養(yǎng)出的學(xué)生具備夯實的基礎(chǔ)理論知識、較強的創(chuàng)新能力、突出的工程實踐應(yīng)用能力和深厚的后續(xù)拓展學(xué)習(xí)潛能。

將材料學(xué)科的多臺儀器設(shè)備按照材料科學(xué)與工程專業(yè)特點進行設(shè)備群分類，主要可分為材料合成與制備、材料分析與表征及材料特性修飾與評價三類設(shè)備群，對符合相關(guān)要求的學(xué)生開放。材料成型與制備實驗室包含單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機、注塑機、雙輥開煉機、密煉機、平板硫化機、萬能制樣機、高速混合機、球磨機、馬弗爐、反應(yīng)釜、管式爐、高溫炭化爐、熔融紡絲儀和靜電紡絲儀等設(shè)備群；材料分析與表征實驗室包含示差掃描量熱儀(DSC)、熱重分析儀(TG)、動態(tài)熱機械分析儀(DMA)、維卡軟化點測試、熔融指數(shù)儀、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)、液相色譜儀(LC)、元素分析儀、掃描電鏡(SEM)等設(shè)備群；材料特性修飾與評價實驗室包括X射線剖面密度儀(XRD)、轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)流變儀，表面接觸角測定儀、表面張力儀、電導(dǎo)率儀、等離子體表面處理儀、色差分析儀、紫外光老化儀等設(shè)備群。

材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生可自主選擇自己感興趣且必要的材料合成與制備、分析與表征及特性修飾與評價等設(shè)備進行學(xué)習(xí)培訓(xùn)，學(xué)院每月安排專職實驗教師或?qū)W科專業(yè)老師在三大類設(shè)備群中對學(xué)生進行1～2次規(guī)范化培訓(xùn)，并制定相應(yīng)的規(guī)章制度及合格標準，學(xué)生通過培訓(xùn)和考核并獲得相應(yīng)資格授權(quán)(擬頒發(fā)合格證書)后即可對其開放。同時，為高效管理和使用綜合性專業(yè)實驗室和創(chuàng)新設(shè)計性實驗室，我院對這兩類實驗室采用了預(yù)約制管理機制，通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約模式，實行實驗室預(yù)約和狀況查詢，以解決某個實驗室開放時段沒有學(xué)生做實驗，而另一實驗室開放時段學(xué)生做實驗的人數(shù)又大大超過實驗室能夠承受極限的問題，高效合理配置設(shè)備資源。在開放期間，學(xué)生要與相關(guān)專業(yè)老師和實驗老師一起維護好設(shè)備使其正常運轉(zhuǎn)。

3 構(gòu)建團隊考核制實驗效果評價體系

針對上述三層次實驗教學(xué)體系，我院構(gòu)建了新的實驗效果評價體系。對于第一層次的基礎(chǔ)驗證及認知性實驗課程模塊，自由組建2～4人的小團隊，基礎(chǔ)部教師針對不同類型的物理化學(xué)類實驗對各組進行打分，各組組員分數(shù)的平均值即為該小組的最終分數(shù)。對于在第一層次實驗效果評價中分數(shù)排名在本專業(yè)前80%的同學(xué)可順利進入第二層次綜合性專業(yè)實驗課程群的學(xué)習(xí)。而剩下20%的同學(xué)則需不斷地重復(fù)練習(xí)實驗課程教學(xué)內(nèi)容，達到第一層次實驗效果評價90分以上者方可進入第二層次實驗學(xué)習(xí)。類似地，為保障創(chuàng)新性實驗課程群的高效順利開展，由第二層次綜合性實驗課程進入到第三層次的創(chuàng)新性實驗課程則需要學(xué)生在第二層次實驗效果評價中分數(shù)排名本專業(yè)前30%。

在便捷開放實驗管理體系的基礎(chǔ)上，學(xué)生可充分發(fā)揮主觀能動性鍛煉自己的創(chuàng)新實驗?zāi)芰?，?chuàng)新實驗?zāi)芰κ且粋€動態(tài)持續(xù)過程，其效果的評價應(yīng)是多方面的，為提高學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質(zhì)，我院材料科學(xué)與工程專業(yè)構(gòu)建了團隊負責(zé)制的實驗效果評價體系。在學(xué)院內(nèi)部成立實驗效果評價工作小組，從我院木材科學(xué)與工程系及工程系、林產(chǎn)化工系、高分子材料與工程系各選撥2名教師進入該工作小組。在實驗效果評定中，特別針對第三層次的綜合創(chuàng)新性實驗，將團隊教師與學(xué)生的成績捆在一起，并實行權(quán)重因子的配比。團隊帶頭人、組長和學(xué)生成員可按1∶3∶6的權(quán)重因子進行配置。團隊帶頭人對創(chuàng)新實驗方向和擬開展的內(nèi)容進行全局把握，團隊組長進行過程監(jiān)督和管理，負責(zé)具體實驗方案制定，實驗進程的監(jiān)督、反饋和交流，并負責(zé)安排好各位成員保質(zhì)保量地開展實驗。

考核小組通過對實驗開展的創(chuàng)新程度、實驗投入程度、文獻查找能力、數(shù)據(jù)分析水平及實驗成果展示等五個方面的評價對各項創(chuàng)新性實驗進行綜合評分。①創(chuàng)新程度由實驗效果評價工作小組進行評價(共10分)，對于原始創(chuàng)新的實驗給予8～10分的評分，對于集成創(chuàng)新給予4～8分的評分，對于普通創(chuàng)新給予1～4分的評分；②實驗投入程度按照實驗過程中的小組討論記錄次數(shù)和內(nèi)容進行評價(共10分)，實驗開展過程中小組討論根據(jù)討論內(nèi)容記錄和次數(shù)按每次1分計，指導(dǎo)教師現(xiàn)場指導(dǎo)按每次2分計，需附上圖片或視頻資料；③文獻查找能力按照與創(chuàng)新性實驗開展的相關(guān)性及全面性進行評價(共20分)，相關(guān)英文文獻查找每篇1分，中文文獻每篇0.5分；④數(shù)據(jù)分析水平按照學(xué)生作圖清晰度和邏輯性進行評價(共20分)，采用專業(yè)軟件作圖10分起評，采用普通辦公軟件作圖5分起評；⑤實驗成果展示根據(jù)所取得的全部實驗成果進行羅列依次打分(共40分)，團隊成員(教師或?qū)W生)以第一作者身份發(fā)表一般期刊論文或授權(quán)實用新型專利按2分/項計，核心期刊或授權(quán)發(fā)明專利按5分/項計，發(fā)表SCI期刊按每篇10分乘以影響因子計。

此實驗效果評價體系一方面鼓勵團隊各成員發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的團隊精神，在實驗實施過程中相互配合，相互協(xié)調(diào)，以獲得更高的分數(shù)，另一方面對學(xué)生的自主性、團隊協(xié)調(diào)性和創(chuàng)新能力進行培養(yǎng)和鍛煉。以實驗方案的合理性、創(chuàng)新性、實驗態(tài)度為主要依據(jù)的規(guī)范考核制度，注重學(xué)生在實驗教學(xué)各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，從而總體提高實驗教學(xué)效果。另外，在實驗過程中采用“傳、幫、帶”的方式，對同一課題或相近課題實行高年級同學(xué)積極帶動低年級同學(xué)入門、提高，最后達到能夠獨立操作的程度。

4 結(jié)束語

在“中國制造2025”及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的新形勢下，為滿足新時期西南地區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)和對材料學(xué)科專業(yè)人才的發(fā)展需求，對材料科學(xué)與工程專業(yè)的創(chuàng)新實踐要提高到一個的高度，西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)主動融入國家發(fā)展戰(zhàn)略，以學(xué)校材料類專業(yè)現(xiàn)有的實驗教學(xué)條件為依托，深化課程基礎(chǔ)實驗教學(xué)、加強綜合實驗?zāi)芰τ?xùn)練、注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，根據(jù)材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)的目標要求，構(gòu)建材料科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)知識技能和綜合創(chuàng)新能力提升實驗室，強調(diào)掌握基礎(chǔ)知識到專業(yè)知識，再到自主創(chuàng)新，使畢業(yè)生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力等得到全面提升，從而培養(yǎng)出能緊跟時代步伐前行的新一代人才。

[1] 曾冬梅，陳飛，馮文然，等.材料科學(xué)與工程專業(yè)核心課程群建設(shè)探究[J].教育教學(xué)論壇，2016(4)：185-186.

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[8] 鐘麗輝，戴正權(quán)，李莎，等.基于理論研究型和實驗工程實踐型的數(shù)字信號處理課程改革[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2017，45(2)：49-53.

(責(zé)任編輯 王琦)

Construction of Characteristic Experimental Teaching Systemof Materials Science and Engineering Major——Taking Southwest Forestry University for Example

XU Kai-meng， CHEN Tai-an， KANG Kun-yong，ZHENG Yun-wu， QING Yong-jian， ZHENG Zhi-feng*

(College of Materials and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

On the basis of the national development strategy of “the Belt and Road” and the local key development industries in Yunnan province，an experimental teaching system with innovative application-type talent characteristics of the materials science and engineering major of forestry colleges and universities is explored，through the construction of a step-by-step experimental teaching system，a convenient and open experiment management system and a team evaluation system-based experimental result evaluation system，a multi-level，ladder-shaped，open，convenient and efficient experimental teaching system is formed，providing thoughts for cultivating the talents of the material sciences and engineering specialty that have solid basic knowledge and outstanding innovative practical ability in the new situation.

material science and engineering；characteristic and open；teaching system；construction

2017-03-30

西南林業(yè)大學(xué)教育科學(xué)研究項目(YB201614)

徐開蒙(1986-)，男，云南昆明人，西南林業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事生物基復(fù)合材料的研究，E-mail：xukm007@163.com。

*通訊作者：鄭志鋒(1975-)，男，福建福安人，西南林業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事生物質(zhì)能源與材料的研究，E-mail：Zhengzhifeng666@163.com。

TS612；G710

A

2095-2953(2017)09-0047-04