材料化學(xué)專業(yè)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的探索

王靜靜 黃秀兵 楊洲 高鴻毅 孫建林

[摘 要] 實驗教學(xué)是當前高校教學(xué)模式的重要方法，是培養(yǎng)本科生創(chuàng)新意識、實踐能力和創(chuàng)造能力的重要手段。結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)的特點，從強化科研反哺教學(xué)政策的引導(dǎo)、鼓勵科研資源向?qū)嶒灲虒W(xué)開放、倡導(dǎo)不同崗位教師聯(lián)合指導(dǎo)和帶動學(xué)生參加各級獎項的申報四個方面提出了“以研哺教、以賽促學(xué)”的長效作用機制。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)研究;實驗教學(xué);科技競賽;培養(yǎng)模式

[基金項目] 2018年度國家自然科學(xué)基金項目“導(dǎo)熱增強型相變儲能材料的構(gòu)筑及性能研究”（51802016）;2014年度北京市人才培養(yǎng)共建項目“發(fā)揮國家級實驗教學(xué)示范中心作用，完善材料虛擬實驗建設(shè)、推廣與應(yīng)用實踐研究”（GJ201403）;2016年度北京市人才培養(yǎng)共建項目“實驗教學(xué)示范中心與虛擬仿真實驗教學(xué)中心相互融合協(xié)同發(fā)展”（2016GJ2）;2019年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費“蓄/傳熱一體化相變儲能材料的設(shè)計制備與性能研究”（FRF-TP-19-001A2）

[作者簡介] 王靜靜（1988—），女，安徽亳州人，博士，北京科技大學(xué)材料國家級實驗教學(xué)示范中心工程師，主要從事材料化學(xué)實驗研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）08-0084-04? ?[收稿日期] 2020-09-10

實驗教學(xué)是當前高校教學(xué)模式的重要方法，是培養(yǎng)本科生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要手段，在高校學(xué)科建設(shè)和本科人才培養(yǎng)中起到了重要作用[1，2]。材料化學(xué)是從化學(xué)的角度研究材料的設(shè)計、制備、組成、結(jié)構(gòu)、表征、性質(zhì)和應(yīng)用的一門科學(xué)，它兼具材料科學(xué)和化學(xué)學(xué)科的特性，旨在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握材料科學(xué)、化學(xué)工程、化學(xué)等學(xué)科知識與實驗技能。本專業(yè)是將專業(yè)基礎(chǔ)理論用于實際工作的橋梁，其實驗教學(xué)更是培育材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)工作者必不可少的教學(xué)組成部分。

近年來，針對材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生采取的實驗教學(xué)模式與化學(xué)專業(yè)本科生基本一致。教學(xué)方式大多依托于理論課程開設(shè)，實驗教學(xué)主要采用的是先由教師進行講解，強調(diào)實驗注意事項，再由學(xué)生操作的模式，導(dǎo)致學(xué)生對實驗提不起興趣，僅是按部就班進行操作。實驗教學(xué)內(nèi)容和方式相對比較單一，缺乏一定的自主性、創(chuàng)新性與趣味性，學(xué)生的興趣及主動性不能得到充分的挖掘與發(fā)揮，致使學(xué)生在實踐動手能力、分析和解決問題能力及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)方面相對薄弱[3，4]。另外，本專業(yè)本科生所了解的材料制備方法和表征手段大部分停留在課堂和書本上，很多學(xué)生在本科畢業(yè)論文（設(shè)計）時才開始接觸具體的材料合成和表征設(shè)備，實驗操作能力差，將理論知識應(yīng)用到實際操作中的能力不足，自主創(chuàng)新能力更為薄弱。在本科生的培養(yǎng)過程中缺乏較系統(tǒng)的科研規(guī)范訓(xùn)練，在近幾年指導(dǎo)本科畢業(yè)論文撰寫的過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在論文科學(xué)用語、語句邏輯、數(shù)據(jù)整理及表述、圖表制作、文獻調(diào)研等方面存在明顯的不足，致使部分的畢業(yè)論文存在科學(xué)素養(yǎng)不夠強、分析解決問題能力比較弱等問題。

為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、實踐能力和合作精神的材料化學(xué)專業(yè)本科生人才，本文提出了“以研哺教、以賽促學(xué)”的實驗教學(xué)模式。在“科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)化”及“創(chuàng)新人才培養(yǎng)以實驗教學(xué)為核心目標”理念的引領(lǐng)下，將最新科研成果注入本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗體系中，把科研工作的研究熱點、最新進展及國內(nèi)外最新內(nèi)容及時融入到實驗教學(xué)中，使實驗教學(xué)的內(nèi)容具有前沿性、新穎性和挑戰(zhàn)性，從而助推科研反哺教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)與科研相互促進、協(xié)調(diào)發(fā)展的目標。鼓勵本科生參與科技競賽，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一個有效手段[5，6]。充分利用科研團隊和學(xué)校資源共享等優(yōu)勢，匯聚富有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀學(xué)術(shù)骨干與實驗技術(shù)精良的實驗技術(shù)人員，以科技競賽為切入點和著力點，鼓勵學(xué)生參加院級、校級甚至國家級大學(xué)生創(chuàng)新類獎項的申報，激發(fā)學(xué)生勇于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的興趣與熱情，進而對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、科研素養(yǎng)的形成起到促進作用。

一、強化科研反哺教學(xué)政策的引導(dǎo)

高校的科研團隊實力比較雄厚，充分發(fā)揮政策引領(lǐng)和導(dǎo)向作用，加強科研人員對本科生人才培養(yǎng)貢獻度的宣傳力度，優(yōu)化科研崗位教師業(yè)績評價指標，提升科研人員投身實驗教學(xué)的熱情。在職稱評定、業(yè)績考核方面，適當向本科生實驗教學(xué)傾斜，將本科生班主任、本科生導(dǎo)師制度納入崗位評定體系中。支持科研崗位教師將科研項目引入實驗教學(xué)大綱，把科研成果及時充實到實驗教學(xué)內(nèi)容，將科研元素滲透至本科生基礎(chǔ)實驗課程、科技創(chuàng)新項目或者畢業(yè)設(shè)計，構(gòu)筑以培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力為核心的實驗教學(xué)體系。

高校專職實驗技術(shù)教師隊伍力量較為薄弱，開放性實驗課題設(shè)置在數(shù)量和質(zhì)量上均難以保證，把科學(xué)研究與實驗教學(xué)進行有機結(jié)合，能夠有效增強學(xué)生的積極性以及自主探索能力。我校舉辦的系列學(xué)術(shù)講座活動在吸納本科生參與科學(xué)研究實驗方面發(fā)揮了積極的作用，促使本科生能夠緊跟科學(xué)前沿，追蹤其發(fā)展動態(tài)?？蒲姓n題的開展離不開實驗的檢驗與驗證，科研又反過來給實驗教學(xué)帶來前沿性的實驗課題[7]。從科研課題中抽提出的實驗教學(xué)主題新穎、內(nèi)容豐富，引導(dǎo)廣大教師將科研方法、科學(xué)思維滲入本科生實驗教學(xué)中，使得本科學(xué)生能夠掌握最新的實驗技能和表征測試技術(shù)，加深其對基礎(chǔ)理論知識的理解，進而提升其科研水平、分析和解決問題的能力。

二、鼓勵科研資源向?qū)嶒灲虒W(xué)開放

目前，高校教師的人才資源存在兩種傾向，一種是“重視教學(xué)，忽略科研”;一種是“重視科研，忽視教學(xué)”，教學(xué)與科研存在一邊倒的現(xiàn)象，二者不能有機結(jié)合[8]?？蒲械拇_是高校創(chuàng)新發(fā)展的強大動力，但未能及時將先進的科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，并在此過程中培育一支富有創(chuàng)新精神的人才隊伍，這樣科研就難以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，更無法形成二者協(xié)同發(fā)展、相互促進的良性循環(huán)機制[9]。對于我校學(xué)科交叉性和專業(yè)性較強的材料化學(xué)專業(yè)來說，該專業(yè)本科生開設(shè)的實驗教學(xué)課程仍與化學(xué)專業(yè)本科生一致，有可能導(dǎo)致學(xué)生缺少分析和解決材料化學(xué)問題的能力鍛煉。而大多數(shù)的科研崗位教師具有較強的實踐意識，鼓勵和引導(dǎo)從事科研的教師承擔實驗和教學(xué)工作，把優(yōu)質(zhì)教師資源充實到實驗教學(xué)中去，不僅增強了實驗教學(xué)方面的師資力量，還將高校教師人力資源進行了優(yōu)化配置。

此外，國內(nèi)高校中大都存在教學(xué)與科研之間的不協(xié)調(diào)，如設(shè)備資源配備不合理、設(shè)備資源閑置浪費嚴重等問題[ 10 ]。相比于實驗教學(xué)資源，科研團隊的科研資源較為豐富，大型高精尖儀器設(shè)備存量穩(wěn)步上升。但鑒于高精尖儀器設(shè)備價格昂貴，一些科研團隊很少向本科生開放此類儀器設(shè)備，學(xué)生很少有機會自主獲取這些高水平科研資源，進而導(dǎo)致本科生對實驗儀器，特別是大型實驗儀器的認識僅局限于書本知識[ 11，12 ]。實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要陣地，是科技創(chuàng)新的主要場所[ 13，14 ]。鼓勵科研崗位教師在開展本科生實驗教學(xué)工作的同時，針對大型儀器設(shè)備開設(shè)教學(xué)實驗內(nèi)容，不僅使得實驗課獨具特色，而且能夠拓寬學(xué)生的知識面和視野，從而滿足培養(yǎng)“雙創(chuàng)”人才知識、素質(zhì)和能力的新要求[ 15 ]。本科生通過親自動手操作先進儀器設(shè)備，可以加深其對先進實驗儀器原理、構(gòu)造、注意事項等方面的認識，激發(fā)其對相關(guān)課程學(xué)習(xí)的積極性。同時，將實驗室的科研儀器設(shè)備開放至本科教學(xué)中，也能夠最大化地發(fā)揮儀器設(shè)備的自身價值。

三、倡導(dǎo)不同崗位教師聯(lián)合的指導(dǎo)

受“重理論教學(xué)、輕實踐教學(xué)，重書本知識、輕動手實驗”的影響，本科生的實驗動手能力較差[ 16 ]。因此，在開展開放性實驗（如本科生科研訓(xùn)練計劃，SRTP）的過程中需有教師進行指導(dǎo)?，F(xiàn)階段，作為本科生創(chuàng)新實踐活動的指導(dǎo)教師基本為教學(xué)科研崗位的教師，這些教師不僅具有日常教學(xué)任務(wù)，同時也承擔著多種科研項目。實驗室技術(shù)人員是高校開展實驗教學(xué)、推動實驗技術(shù)研發(fā)、試驗流程創(chuàng)新的重要人才[ 17 ]?？紤]到本科生在科研工作中動手實踐、獨立思考的基礎(chǔ)極為薄弱，為進一步提升本科生的基本科研素質(zhì)及實驗技術(shù)能力，創(chuàng)新性地提出匯聚富有創(chuàng)新能力的優(yōu)秀學(xué)術(shù)骨干（如教授、副教授、講師）與實驗技術(shù)精良的實驗技術(shù)人員（中級工程師）的新思路，組建兼具科研素質(zhì)和實踐能力的本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐團隊。加強科研崗位教師與實驗技術(shù)人員之間的溝通與交流，充分發(fā)揮團隊成員的個體特長，形成和諧協(xié)作的團隊精神。在指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，依托本專業(yè)良好的科研環(huán)境（如“分子與微結(jié)構(gòu)可控高分子材料技術(shù)北京市重點實驗室”）及硬件條件（高精尖大型SEM、XRD、DSC、XRF、TGA、FTIR、GC-MS等儀器設(shè)備），使學(xué)生熟練掌握中級實驗技能（如在材料合成制備方面，掌握水熱合成法、溶膠凝膠法等）以及表征與分析能力（如操作大型高精尖實驗儀器設(shè)備技能，使用Origin、Materials Studio等基本科研軟件探究構(gòu)效關(guān)系），進而提升本科生與前沿性科研成果的契合度，為將來學(xué)生參與或承擔科學(xué)研究工作打下扎實基礎(chǔ)。

實驗室安全是高校實驗室建設(shè)與管理的重點環(huán)節(jié)，也是高校人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)的重要保證。相對于高校對研究生實驗室安全教育的重視程度和實施的教學(xué)措施，對本科生的實驗室安全教育缺乏足夠的重視和專業(yè)性。本科生在開展開放性實驗之前，由教學(xué)科研崗位教師為其制定研究方案。但在其進入實驗室開展具體實驗時，由于本科生平時主要進行基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)，實際操作能力較差，且材料化學(xué)類實驗室基本涉及易燃易爆、毒性物質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)等危險化學(xué)品及高溫、高壓等儀器設(shè)備，因此，加強本專業(yè)本科生的實驗室安全意識，實現(xiàn)從“要我安全”到“我要安全”的轉(zhuǎn)變，保障本科生的人身安全更是關(guān)鍵。結(jié)合科研團隊實驗室的特點，由實驗技術(shù)崗位教師對其進行較系統(tǒng)的安全教育培訓(xùn)，如大型儀器設(shè)備的正確操作及注意事項、個人防護措施、?；返牟少徟c存儲、高溫高壓特種設(shè)備的正確使用、涉水及涉電設(shè)備的注意要點、危險廢棄物的處置等，進而培養(yǎng)其具有良好的實驗室安全責(zé)任意識。通過建立針對本科生的實驗室安全管理體系，健全本科生準入制度，為降低實驗室安全事故事件發(fā)生率，共建平安、和諧、綠色校園提供保障。

四、帶動學(xué)生參加各級獎項的申報

大學(xué)生科技競賽是在緊密結(jié)合專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，以競賽的方法激發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實際和獨立工作能力的一種方式，具有探索性、創(chuàng)造性和科學(xué)性，是培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力人才的有效載體[ 18 ]。待學(xué)生進入實驗室開展科研一段時間后，遴選專業(yè)熱愛程度高、科研探索能力強的同學(xué)，鼓勵他們基于參與的科研課題申報創(chuàng)新項目，積極參加“挑戰(zhàn)杯”以及各類科技競賽，無論獲獎與否，這些學(xué)生完整經(jīng)歷了參加競賽的全過程，共同收獲的是調(diào)研資料的能力、掌握基本實驗技術(shù)的能力、使用大型儀器以及應(yīng)用軟件分析的能力。更重要的是，學(xué)生在該過程中，通過凝煉實驗課題的創(chuàng)新點、抽提實驗關(guān)鍵技術(shù)，獲得了數(shù)據(jù)整理、撰寫研究報告或科技論文的能力。此外，在此過程中，能夠培養(yǎng)學(xué)生在團隊中的合作精神和協(xié)作意識，通過參賽提升學(xué)生的應(yīng)變能力和語言表達能力。

近五年來，我校材料化學(xué)專業(yè)的本科生共開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目270余項，其中包括市級40余項和國家級30余項。以賽促學(xué)的實驗教學(xué)模式，吸引了廣大本科生的參與，取得了一定的人才培養(yǎng)效益。在開展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，有3個項目獲得了市級一等獎，7個項目獲得了國家級一等獎。依托我校材料化學(xué)專業(yè)課題組實驗室開展的本科生開放性實驗教學(xué)項目，在各類科技競賽中喜獲佳績。其中“PCM滅火—非電氣類小型火災(zāi)終結(jié)者”項目獲得中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽北京賽區(qū)三等獎，“相熙新材料創(chuàng)業(yè)團隊”項目獲得北京地區(qū)高校大學(xué)生優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊三等獎。參賽作品的專業(yè)性贏得了專家評委、參賽學(xué)生和眾多觀眾的一致贊譽?？萍几傎惒粌H能夠驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的理論知識，還可以鍛煉其參與撰寫國家發(fā)明專利和學(xué)術(shù)研究論文的能力。近五年，我校材料化學(xué)專業(yè)的本科生以第一作者或合作者的身分在國際高水平期刊（如Chemical Engineering Journal，European Journal of Inorganic Chemistry等）上共發(fā)表科研論文20余篇?；诠餐呐d趣和目標匯集到一起，在敞開大門學(xué)生自愿報名參加的背景下，以賽促學(xué)的實驗教學(xué)模式在促進學(xué)生志愿就業(yè)、免試推研和出國深造等人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了積極作用，為學(xué)生構(gòu)建和諧統(tǒng)一、融會貫通的專業(yè)知識體系奠定了基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

牢固確立高校工作中人才培養(yǎng)的中心地位，從科研課題中抽提實驗教學(xué)內(nèi)容，以科研實驗資源轉(zhuǎn)化實驗教學(xué)資源為方法，將一些新思路、新技術(shù)滲透至實驗教學(xué)中，倡導(dǎo)不同崗位教師進行聯(lián)合指導(dǎo)，開展多方面、多層次的實驗教學(xué)活動，以參加科技競賽的方法激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)問題的積極性和主動性，進而促進本科生靈活運用基礎(chǔ)知識能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力的提升，是推動科研工作和實驗教學(xué)相互促進、構(gòu)建科教融合長效機制的重要途徑。

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