建設(shè)國家級實驗教學示范中心 培養(yǎng)材料科學創(chuàng)新人才

楊 燕， 劉春林， 朱夢冰， 陳智棟， 李錦春

(常州大學 材料科學與工程學院，江蘇 常州213164)

0 引 言

常州大學原為中國石油化工集團公司直屬本科院校，是一所以材料、化工學科為特色的大學，學科發(fā)展和實驗室建設(shè)相互促進，在學校實驗室建設(shè)和人才培養(yǎng)方面走出了一條特色之路。材料專業(yè)是常州大學最早建立的專業(yè)之一，經(jīng)過幾十年的實踐和發(fā)展，在人才培養(yǎng)、實驗室建設(shè)、科學研究和社會服務(wù)等方面都形成了自己的特色［1］，取得了一定的成績。

1 實驗中心現(xiàn)狀介紹

材料科學與工程實驗教學中心(以下簡稱“中心”)以江蘇省材料科學與工程基礎(chǔ)實驗中心、江蘇省高分子材料工程實驗中心和江蘇省基礎(chǔ)化學實驗中心為基礎(chǔ)，依托“材料科學與工程”博士點、“新能源材料科學與工程”江蘇省優(yōu)勢學科、“化學工程與技術(shù)”江蘇省優(yōu)勢學科、“光伏科學與工程”江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心、“先進催化與綠色制造”江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心、“光伏科學與技術(shù)”江蘇省國家重點實驗室培育點、“綠色催化材料與技術(shù)”江蘇省重點實驗室、“表面材料工程”江蘇省重點實驗室等平臺建設(shè)而成。中心現(xiàn)有固定資產(chǎn)約9 000 萬元，儀器設(shè)備4 500 臺(套)，建筑面積15 萬m2。

20 多年來，中心秉承學校“大工程觀”育人理念的基礎(chǔ)上，吸收國際工程教育認證的核心理念，面向新能源、新材料、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對材料科學與工程專門人才的需求，結(jié)合學校材料、化工等相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求，明確以工程實驗相關(guān)能力、素養(yǎng)的培養(yǎng)為導(dǎo)向，對照工程教育認證課程體系及支持條件的標準要求構(gòu)建實驗教學體系，設(shè)計實驗教學內(nèi)容、配置實驗教學儀器設(shè)備、加強師資隊伍建設(shè)、改進實驗教學方法、完善質(zhì)量管理機制、強化實驗室安全文化、建設(shè)信息化資源，力爭建設(shè)成符合國際工程教育認證標準，以新能源材料、清潔工藝催化材料和石化安全功能材料為特色的高水平國家級實驗教學中心。

中心以“學生為本”、“目標導(dǎo)向”和“持續(xù)改進”的核心理念作為建設(shè)的指導(dǎo)思想。通過開展社會對材料類等專業(yè)人才工程應(yīng)用能力的需求調(diào)研，確立了中心的實驗教學目標要求為“提高安全素養(yǎng)、加深理論認知、強化操作技能、提升工程能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力”，并以此為目標導(dǎo)向，形成了“平臺建設(shè)工程化，實驗體系分層次模塊化，實驗內(nèi)容綜合化，教學方法多元化，教師隊伍雙師化，教學管理信息化，制度措施規(guī)范化，安全教育一貫化”的實驗教學改革思路，取得了很好的建設(shè)成效。

2 依托實驗教學示范中心培養(yǎng)創(chuàng)新人才

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程［2］，必須全面提高學生創(chuàng)新思維、實踐能力和科學素質(zhì)［3-5］，實驗教學在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力方面有著特殊的作用。實驗教學示范中心作為高校人才培養(yǎng)體系的重要組成部分，在推動高校加強學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)［6-7］，加快實驗教學改革和建設(shè)，促進優(yōu)質(zhì)教學、科研資源整合和共享［8-10］，提升辦學水平和教育質(zhì)量方面有著重要作用。材料科學與工程實驗教學中心依托學科優(yōu)勢，堅持以人為本，積極探索，創(chuàng)新改革，將實驗教學示范中心建設(shè)和人才培養(yǎng)相結(jié)合，在促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面取得了良好的成效。

2.1 改革教學體系

中心依據(jù)材料類專業(yè)工程教育認證標準要求［11-13］，以實驗教學目標為導(dǎo)向，構(gòu)建了以新能源材料、清潔工藝催化材料、石化安全功能材料為特色的“內(nèi)容四模塊、能力四層次、安全不間斷”的實驗教學體系(見圖1)。

圖1 實驗教學體系示意圖

(1)內(nèi)容四模塊。根據(jù)材料類工程教育認證補充標準對學科專業(yè)知識領(lǐng)域的要求，中心將材料類專業(yè)課程體系總結(jié)歸納為“基礎(chǔ)知識”、“材料制備”、“制備工藝”和“表征與測試”。根據(jù)材料類專業(yè)設(shè)置及課程體系的特點，整合了“高分子材料、金屬材料、新能源材料、功能材料”四個模塊的實驗內(nèi)容，能夠滿足化工、機械、安全、環(huán)境等專業(yè)對材料類實驗教學內(nèi)容的需求，形成既相互獨立又相互融通的“內(nèi)容四模塊”。①高分子材料模塊。聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計及合成，高性能化高分子材料的制備及成型加工，石化安全功能材料制備與應(yīng)用;②功能材料模塊。電子功能材料，催化材料的設(shè)計、制備與應(yīng)用;③金屬材料模塊。金屬材料設(shè)計與制備，金屬材料強韌化以及表面腐蝕與防護;④新能源材料模塊。光伏材料和儲能材料的設(shè)計與制備，光伏器件、組件和系統(tǒng)的設(shè)計及制備。

(2)能力四層次。圍繞“加深理論認知、強化操作技能、提升工程能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力”的實驗教學理念，搭建專業(yè)基礎(chǔ)型、專業(yè)技能型、工程實踐型、創(chuàng)新研究型的“四層次”實驗體系。各層次對學生專業(yè)能力的訓練各有側(cè)重，循序漸進，持續(xù)提高學生的實踐能力，啟迪學生科學思維和創(chuàng)新意識。

(3)安全不間斷?；诓牧闲袠I(yè)高度系統(tǒng)集成、安全因素復(fù)雜等特點，強化學生在實驗過程中的安全意識已成為實踐教學的重要內(nèi)容之一。中心將實驗室安全管理和人才培養(yǎng)相結(jié)合，注重對學生的安全素質(zhì)培養(yǎng)，在實驗教學全過程中貫穿安全“人格品質(zhì)、意識思維、工程能力”不間斷的安全意識行為訓練，做到安全意識行為訓練4 年不間斷，培養(yǎng)安全素質(zhì)高和工程應(yīng)用能力強的綜合性創(chuàng)新人才。

2.2 改革教學內(nèi)容

2.2.1 注重“兩基本，三結(jié)合”

為了適應(yīng)當今社會對人才的需求，中心以提升實驗教學內(nèi)涵為抓手，注重學生的基本規(guī)范的養(yǎng)成和專業(yè)基本能力的培養(yǎng)(兩基本)，采取真實體驗與虛擬仿真、實驗教學與科學研究、實驗教學與工程實際相結(jié)合(三結(jié)合)的策略，對相關(guān)的實驗教學內(nèi)容進行了整合(見圖2)。

圖2 實驗教學內(nèi)容

(1)專業(yè)基礎(chǔ)實驗。使學生學習掌握典型的材料專業(yè)的單元操作、數(shù)據(jù)處理、實驗規(guī)范和實驗方法，注重基本規(guī)范的養(yǎng)成和專業(yè)基本能力的培養(yǎng)，提高學生的動手能力和實驗?zāi)芰Α?/p>

(2)專業(yè)技能實驗。以綜合性、設(shè)計性實驗項目為主，學生在掌握綜合應(yīng)用實驗方法的基礎(chǔ)上，進一步深化和拓展專業(yè)理論知識，采用真實體驗與虛擬仿真相結(jié)合的教學模式，有效擴展和延伸了現(xiàn)場實驗教學。

(3)工程實踐。充分利用校內(nèi)實習基地和校外實踐基地的優(yōu)質(zhì)資源為實踐教學服務(wù)，將實驗教學與工程實際相結(jié)合，讓學生能夠深入到科研和生產(chǎn)第一線，做到認識實習、上機訓練、生產(chǎn)實習、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)連續(xù)化、系統(tǒng)化和規(guī)范化，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。

(4)創(chuàng)新研究性實驗。中心提供創(chuàng)新研究平臺，學生參加教師的科研課題或自主設(shè)計創(chuàng)新研究項目，實現(xiàn)實驗教學與科學研究相結(jié)合。通過學生參加“創(chuàng)新”大賽、全國“挑戰(zhàn)杯”科技大賽等競賽活動，將課內(nèi)實驗和課外訓練相結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2.2.2 堅持教學科研相結(jié)合

中心鼓勵教學經(jīng)驗豐富、科研能力強，并取得一定成果的教師將科研成果轉(zhuǎn)化成實驗項目，由于密切結(jié)合實際科研課題，學生通過關(guān)聯(lián)實驗項目鏈的設(shè)計、模仿與重現(xiàn)，更加有助于學生創(chuàng)新能力的訓練與意識的養(yǎng)成。同時，這些綜合性實驗的開設(shè)，“配合課程教學，培養(yǎng)學生實驗設(shè)計、儀器選擇、測試分析的綜合能力”，實現(xiàn)了工程教育認證對實驗課程的標準要求。如功能材料專業(yè)實驗項目鏈“粉體催化劑材料制備實驗—強酸性陽離子樹脂催化材料制備實驗—催化劑結(jié)構(gòu)與性能表征實驗—催化劑活性評價實驗—催化劑穩(wěn)定性評價實驗—PET 合成工藝實驗”融合了3 項國家科技進步二等獎“苯酚烷基化清潔催化技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用”、“鈷酸鑭等高性能超細氧化物催化劑制備和應(yīng)用技術(shù)”、“多晶硅冷氫化生產(chǎn)核心專用加熱合成反應(yīng)成套工藝”和10 多項發(fā)明專利。該實驗不僅綜合了催化劑的制備、結(jié)構(gòu)與性能表征、活性、穩(wěn)定性評價等專業(yè)知識，在實驗過程中學生既要熟悉實驗操作技能，又要了解和掌握當前國內(nèi)外前沿的催化劑性能評價指標和體系，拓寬視野，激發(fā)了學生的學習興趣和熱情。

2.2.3 積極發(fā)揮科研對教學的反哺作用

(1)科研實踐促進學生創(chuàng)新。教師科研項目的大量增加，科研水平的不斷提高，為學生的畢業(yè)實習、畢業(yè)設(shè)計(論文)、學生研究計劃、開放實驗研究、競賽選題等提供了大量的研究課題和研究內(nèi)容，增加了學生實踐研究的機會，增強了實踐研究的能力。近年來，學生畢業(yè)設(shè)計(論文)題目85%以上源于教師的科研項目，一批學生承擔的開放實驗項目和課外科技創(chuàng)新項目都直接或間接來源于指導(dǎo)教師的科研課題。學生參與科研實踐，不僅在實踐中深化了課程知識，而且增強了提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

(2)科研平臺與實驗教學平臺資源共享。中心積極協(xié)調(diào)促進各類科研平臺和科研實驗室以多種形式向本科教學和本科生開放，將學科和科研的優(yōu)勢條件納入本科生實驗教學之中。這些平臺和實驗室以各種形式承擔本科生相關(guān)實驗教學任務(wù)，提高了綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，推進實驗課程體系改革及實驗內(nèi)容的整合和優(yōu)化，學生經(jīng)過與科研過程基本一致的實驗程序?qū)W習，初步掌握科學研究的基本思路與方法，培養(yǎng)其科學研究和創(chuàng)造性思維能力。

2.3 創(chuàng)新教學方法與教學手段

中心遵循“以學生為本”的理念，經(jīng)過多年的研究與探索，總結(jié)出一套行之有效的“跟進式教育”方法，跟進學生的成才需求，跟進學生的實驗學習困擾，跟進學生的能力短板，對實驗教學過程中運用的方式與手段進行大膽的改革創(chuàng)新，努力提升人才培養(yǎng)水平。

2.3.1 建立集現(xiàn)場教學、網(wǎng)上虛擬、仿真模擬、工程實踐“四位一體”教學方法

為了實現(xiàn)實驗教學體系中“專業(yè)基礎(chǔ)型、專業(yè)技能型、工程實踐型、創(chuàng)新研究型”的“能力四層次”要求，中心在傳統(tǒng)的現(xiàn)場實驗教學基礎(chǔ)上，引入了網(wǎng)上虛擬、仿真模擬、工程實踐，構(gòu)成“四位一體”的多維度實驗教學方法，形成了現(xiàn)代化、多元化的實驗教學模式。“四位一體”教學方法在物理平臺上體現(xiàn)為“實驗室－機房－仿真室－校內(nèi)實習基地”四個平臺的結(jié)合，在平臺功能上體現(xiàn)為“驗證－綜合－工程－創(chuàng)新”四種實驗類型的結(jié)合。

(1)網(wǎng)上虛擬實驗教學方法。中心以典型高分子材料、金屬材料、新能源材料及功能材料的制備工藝過程為原型，自主開發(fā)集2D 虛擬動畫展示、多媒體授課、實驗預(yù)習、數(shù)據(jù)處理為一體的材料虛擬實驗室，涵蓋了“聚丙烯聚合工段仿真”、“聚氯乙烯合成工藝仿真”、“金屬材料熱處理工藝”、“擠出成型”、“壓制成型”、“注射成型”等多種工藝技術(shù)。中心利用網(wǎng)上虛擬實驗平臺，將書本中靜態(tài)的平面工藝流程動態(tài)化，將單元操作流程、實驗操作視頻和實驗原理動畫等信息生動逼真地呈現(xiàn)在學生面前，豐富了實驗教學手段，有效擴展和延伸了現(xiàn)場實驗教學，使學生更易于理解和掌握相關(guān)專業(yè)知識。

虛擬實驗室還配備了Materials Studio 分子模擬軟件、ANSYS、FLUENT、PRO/E、Moldflow、離散元軟件EDEM 等涉及聚合反應(yīng)機理研究、熱力學動力學分析、參數(shù)化模型研究的教學科研軟件，為學生提供了對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理及分析的軟件平臺。

(2)3D 材料模擬仿真實驗教學方法。中心在二維虛擬的基礎(chǔ)上，與企業(yè)共同開發(fā)了3D 材料模擬仿真平臺。場景以真實工廠為背景進行設(shè)計，采用煙霧、火焰、聲音等特效，真實感強，學生在高逼真的虛擬場景中可漫游和自由穿行，實現(xiàn)人機互動;操作者可以一人多角色全流程體驗，也可以多人多角色協(xié)同演練。學生通過3D 材料模擬仿真平臺的實踐訓練，彌補了工廠實習環(huán)節(jié)實踐時間短、動手操作機會少的不足，工程應(yīng)用能力得到了明顯的提高。目前中心已開發(fā)“聚苯乙烯合成3D 虛擬仿真”、“PET 合成3D 虛擬仿真”。

(3)工程實踐教學方法。中心建立了材料成型加工實驗實訓基地，配備了雙螺桿擠出、注塑成型、擠管成型、超硬材料六面頂液壓機等多條與工業(yè)化生產(chǎn)相同的材料成型加工生產(chǎn)線。中心利用實驗實訓基地的工程化裝置條件，促進學生將專業(yè)知識用于實踐，使他們對生產(chǎn)設(shè)備的運行使用、生產(chǎn)工藝過程等環(huán)節(jié)加深了理解，解決了學生對所學知識不能融會貫通、工程概念不清楚以及工程素質(zhì)不高的問題，為他們今后從事材料的制備、成型加工、結(jié)構(gòu)分析與性能研究等工作，打下了堅實的基礎(chǔ)。通過工程實踐的教學方法，顯著提高了學生的工程應(yīng)用能力，就業(yè)優(yōu)勢顯著。

2.3.2 建立綜合的實驗教學考核方法

中心探索實驗教學考核方法改革，把握實驗教學的目標與特點，突出學習、安全、實踐和創(chuàng)新等多方面素質(zhì)和能力的綜合考評，建立了過程性評價和結(jié)果性評價相結(jié)合的實驗教學考評機制。同時，中心還成立了實驗中心督學組，聘任經(jīng)驗豐富的實驗教師對學生監(jiān)督指導(dǎo)，包括實驗預(yù)習報告、課堂操作、課堂紀律、實驗報告，以及遵守實驗室規(guī)章制度、參與實驗室環(huán)境、安全衛(wèi)生工作等。

(1)過程性評價。中心針對每個實驗項目制定出具體的評分標準，包括實驗預(yù)習、基本操作規(guī)范及過程、安全、衛(wèi)生、環(huán)保等，結(jié)合網(wǎng)上虛擬實驗室的預(yù)習情況，客觀評價實驗過程。

(2)結(jié)果性評價。將實驗數(shù)據(jù)誤差、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析、報告撰寫、課程期末考等納入實驗項目評分標準中，評價實驗結(jié)果與學習效果。

2.3.3 形成自主、合作、研究相結(jié)合的學習方式

(1)實施開放式實驗教學，促進學生自主式學習。中心始終堅持開放式教學。既可以由中心提供選題，也可以由學生自擬課題，中心為學生提供技術(shù)指導(dǎo)、場地支持，構(gòu)建“以學生為主體、能力培養(yǎng)為核心、挖掘?qū)W生潛力為宗旨”的開放性實驗教學運行機制。

(2)以科技創(chuàng)新活動為契機，促進合作式學習。

中心建立學生創(chuàng)新實驗室，為實踐動手能力強、創(chuàng)新內(nèi)趨動力足的學生提供科技創(chuàng)新活動的場所、裝備與指導(dǎo)。學生自行組成研究小組，以課題組的形式合作完成創(chuàng)新項目，促進學生的團隊合作能力與科技創(chuàng)新思維能力。

(3)參與教師的科研項目，促進研究式學習。學生充分利用教師的研究課題，借助中心提供的實驗教學平臺，開展創(chuàng)新性研究。如新能源專業(yè)本科生參與天合光能光伏組件的研發(fā)，創(chuàng)下了組件發(fā)電量的世界紀錄，60 片組件的峰值輸出功率達到274 W。

3 人才培養(yǎng)成效

中心以工程教育認證理念為指引，以學生為中心，以畢業(yè)要求為導(dǎo)向，實施課程體系的構(gòu)建與改革，建設(shè)符合材料類及化工、制藥、安全等相關(guān)專業(yè)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標要求的實驗教學平臺，成效顯著。以中心平臺建設(shè)為主要內(nèi)容的教學研究成果獲8 項省級以上教學成果獎，其中，“石油石化安全人才五元創(chuàng)新培養(yǎng)模式的探索與實踐”獲2014 年國家級教學成果一等獎。在《中國高等教育》、《實驗室研究與探索》、《實驗技術(shù)與管理》、《教育理論與實踐》等雜志上發(fā)表教學研究論文80 多篇，其中核心期刊論文20 多篇。

中心在多年的探索與實踐中，以校內(nèi)實驗資源和校外實驗資源之間、學生科研興趣和教師科研工作之間的交叉融合為突破口，結(jié)合材料學科實踐性與應(yīng)用性強的特點，堅持以學生為本，在“內(nèi)容四模塊、能力四層次、安全不間斷”的實驗教學體系下，突破原有教學方法的界限，統(tǒng)籌安排實驗教學內(nèi)容，實現(xiàn)了教學資源的優(yōu)化組合，全面增強了學生實驗的積極性和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)安全素質(zhì)高和工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力強的綜合性人才，學生的獲獎面與獲獎等級迅速提升。近3 年，共獲得國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目18 項，江蘇省大學生創(chuàng)新訓練計劃項目46 項，省級以上各類學科競賽獎勵150 多項(其中國家級獎50 多項)，省級優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)22 篇，本科生在讀期間發(fā)表論文50 余篇。其中，“固體推進劑硝基胍的連續(xù)安全生產(chǎn)工藝”獲得第十三屆全國大學生“挑戰(zhàn)杯”特等獎。

4 結(jié) 語

中心采用先進教學理念和管理模式［14-16］，堅持“學生為本”、“目標導(dǎo)向”和“持續(xù)改進”的建設(shè)指導(dǎo)思想，面向新能源、新材料、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對材料學科專門人才的需求，明確以全面提高學生創(chuàng)新思維、實踐能力和科學素質(zhì)為導(dǎo)向，對照工程教育認證的標準要求改革教學體系和教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學方法與教學手段，將實驗教學示范中心建設(shè)和人才培養(yǎng)結(jié)合起來，促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)并取得良好的成效，在全國高校同類學科中起到了很好的示范作用。特別是將實驗室安全管理和人才培養(yǎng)相結(jié)合、注重學生的安全素質(zhì)培養(yǎng)，成效顯著，專業(yè)輻射面廣，學生普遍受益;該教學成果已獲得2014 年國家級教學成果一等獎。

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