材料科學與工程專業綜合設計型實驗在本科生創新能力培養中的作用

劉海輝+張興祥+宋俊+趙義平

（1.天津工業大學材料科學與工程國家實驗教學示范中心，天津 300387；2.天津工業大學材料科學與工程學院，天津 300387）

摘要：針對天津工業大學大學材料科學與工程專業實驗教學中存在的問題，分析了開設綜合設計型實驗對創新型人才培養的必要性，介紹了實驗教學中心在改革與實踐中所取得的建設成效。

關鍵詞：材料科學與工程專業；綜合設計型實驗；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）24-0275-02

2016年8月中共中央、國務院印發了《國家創新驅動發展戰略綱要》[1]，到2020年我國要進入創新型國家行列，基本建成中國特色國家創新體系。《綱要》對高等學校的人才培養提出了明確的要求。人才培養是高等學校最重要的職能，如何優化人才成長環境，培養更多的創新創業人才是當前的首要任務。目前的高等學校實驗教學過程中主要開設基本型實驗，包括基礎性實驗和專業實驗[2]，實驗的類型比較固定，教師講解或演示后學生按照實驗教程完成即可，對創新能力的培養作用有限，簡單的重復性工作對提升實驗教師隊伍的水平不利[3]。如何利用現有的實驗條件提高本科生的創新能力，是當前面臨的一個難題。

一、專業實驗教學的現狀與主要問題

材料科學與工程專業具有很強的實驗性，要求培養的本科生具有良好的“動手能力”，為了培養學生的實驗技能，從大學一年級起，根據自己專業特色，陸續開設“物理、無機、有機、物化實驗”等基礎實驗，以及“金屬材料、非金屬材料、高分子化學和物理、材料近代分析測試和材料科學實驗”等專業性實驗，逐漸培養學生的基本實驗動手能力和素養。天津工業大學材料科學與工程實驗教學中心則根據自己的專業特色開設《化學纖維實驗》和《橡膠塑料實驗》等基本型實驗。基本型實驗的設置、操作要求達到規范化、標準化，通過嚴格要求進一步夯實實驗技能基礎。引導學生樹立科學態度對待實驗，幫助學生提高觀察問題、分析問題和解決問題的能力，為后續的綜合性設計實驗、研究創新型實驗（畢業論文）打下良好的基礎。基本型實驗也存在一些難以克服的問題：⑴教學大綱制定過程中，實驗教學是為配合理論教學設置的，把實驗學時依附于理論總學時，學生在教師的指導下，按照“規定動作”完成“規定任務”，得到早已估計到的實驗結果，實驗內容相對陳舊；⑵實驗注重單項實驗技能的培養，缺乏多個實驗技能的相互關聯、協同；⑶實驗課程的評價考核體系不健全。實驗考核方式主要是依據實驗報告，以實驗結果的準確與否評價實驗成績而忽略了對實驗方法、實驗過程以及分析解決問題能力的考核。考核方式對學生的創造性要求較低，學生在實驗中的能動性不大，無形中降低學生對實驗課的重視程度，加之現在部分學生的學習主動性不強，極易造成對實驗課程不重視和互相抄襲實驗報告等問題。為了培養更多的高水平創新型人才，必須對實驗教學內容進行改革，以適應“厚基礎、寬專業、強能力、高素質”創新型材料科學與工程專業人才培養的需要。

二、基礎型實驗的改革

天津工業大學材料科學與工程實驗教學中心經過論證，引入近年來最新高分子科研成果，增加了一些創新性強、有利于提高學生實驗興趣和實驗能力的實驗，結合中心教師科研項目開發的“反相聚合制備聚丙烯酰胺微球實驗”、“高聚物結晶結構的計算機模擬實驗”等特色實驗項目，一方面滿足了傳統《高分子化學實驗》、《高分子物理實驗》等基本型實驗的內容要求，另一方面對實驗內容進行了設計性、思考性、趣味性提升，在學生中受到廣泛好評。為開設綜合設計型實驗做準備。

三、綜合設計型實驗

在基本型實驗課程基礎上，天津工業大學材料科學與工程實驗教學中心在第三學年第一學期開設《材料科學研究方法實驗》、《材料科學與工程大型綜合實驗》等實驗課，學生分成3—5人小組，在教師指導下查閱相關文獻，設計實驗內容，確定操作方案，實施操作，最終完成實驗，撰寫實驗報告，整個實驗過程強化了學生對材料各種性能測試和分析手段的運用能力，以及圍繞材料“設計→合成→加工制備→性能檢測→應用”主線的綜合實驗能力。學生在教師指導下，內部分工協作，查閱資料、選定材料、設計實驗工藝流程和參數、實施操作、完成預定目標，實驗過程中學生既各司其責又密切配合，在規定時間內完成實驗工作，通過每個成員的努力，合作完成實驗課程。綜合設計型實驗方案要求在閱讀相關文獻基礎上完成，教師通過閱讀學生提交的書目報告或小組會面談掌握學生對實驗的掌握情況，決定是否批準開始實驗。為了緊跟材料科學發展的前沿，中心開設的綜合設計型實驗中有50%的實驗是從教師獲得國家級或省部級技術發明獎、科學技術進步獎或發表的SCI收錄論文的內容簡化而來的，使本科生有機會接觸到學科發展的前沿，有利于調動學生的實驗積極性。如，根據國家技術發明二等獎的獲獎內容設立的“中空纖維超濾膜的制備與性能測試”和“儲熱調溫纖維的制備及性能表征”實驗，報名人數達到60人，不得不開設4—6輪才能滿足學生的需要。由于學生參加綜合型設計實驗的積極性提高，教師開設實驗的積極性也得到了促進，教育部創新團隊負責人、教育部新世紀人才、天津市高層次創新型科技領軍人才、天津市特聘教授、天津市131創新型人才第一層次入選者等知名教授親自開設綜合設計型實驗，顯著提高了實驗教師的職稱和學歷水平，使學生不但在課堂上，還能在實驗室中近距離接觸知名教授。實驗個數已經由2011年6個，提升到2016年的30個，學生的選擇范圍大大拓寬，一些學生興趣不大的實驗被自然淘汰。2015年，中心在中央財政支持地方高等學校建設專項資金資助下，購進了3D打印機，2016年首次開設的“3D打印技術在生物醫用材料制備中的應用”受到學生熱捧，新技術的應用加深了學生對材料科學與工程專業知識的認識。

四、實驗教學示范作用明顯

隨著實驗教學內容的日益豐富、實驗教學設施的日益完善，天津工業大學材料科學與工程實驗教學中心在被批準為天津市實驗教學示范中心之后，又被評為天津市優秀實驗教學中心，2013年獲批為國家級實驗教學示范中心。目前中心開設的基礎型實驗和綜合設計型實驗服務于校內五個本科專業，年實驗教學達到60000人·時[4]，2015年還為中國民航大學和新加坡的訪學團開設特色實驗課程。中心成立以來，先后有北京工業大學、燕山大學、沈陽化工學院、黑龍江工業大學等學校的教師代表來校學習、交流，并在天津市教育委員會舉辦的實驗教學中心建設大會上作經驗介紹，對其他高校的實驗教學中心建設起到了一定的示范作用。

實驗教學是材料科學與工程方面創新型人才培養的必備手段，實驗中心的建設是一個綜合性的系統工程，涉及到實驗教學體系的改革，實驗內容的調整，實驗方法與手段的改變，實驗室管理模式與運行方式的改進，實驗技術隊伍的建設等方面，必須要領導重視，教師和學生共同努力，才能取得良好的效果，也才能在創新型國家建設中發揮更大的人才培養作用。

參考文獻：

[1]中共中央國務院.《國家創新驅動發展戰略綱要》.2016年8月19日

[2]潘清林，黃繼武，徐國富，等.材料科學與工程實驗教學中心的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2009，28（1）：11-14，38.

[3]魏雪芬.高校實驗教學隊伍建設發展的探索與實踐[J].教育教學論壇，2016，（48）：163-164.

[4]天津工業大學材料科學與工程實驗教學中心.“十二五”國家級實驗教學示范中心申請書.2013年3月.