材料專業大學生創新訓練的實踐與探索

劉瑞平, 王 琪, 馬 峰, 李國華

(中國礦業大學(北京) 材料科學與工程系, 北京 100083)

“大學生創新訓練計劃”是以培養高素質的創新型人才為目標而設立,是教育部實施高等院校本科教育教學質量與教學改革工程的重要內容[1-3]。目前,大學生創新訓練計劃項目已經成為眾多高校必修的創新教學環節。我校大學生創新訓練項目以大學生進行創新性研究項目為主要教學內容,以項目形式開展,為期2年。在指導教師指導下,通過學生自主完成創新性研究項目的研究條件準備、研究方案制訂與實施、研究成果總結、研究報告撰寫等訓練內容,使學生切實得到科學研究的鍛煉,提高創新實踐的能力[4]。針對不同的學科,大學生創新訓練的組織與實施的具體方式也存在差別,在深入分析創新訓練項目的各個過程(如資料查找、過程實踐、團隊協作等)的基礎上,提出了具體的管理措施。

1 材料專業大學生創新訓練現狀

材料科學是在理論指導下通過實驗研究材料組成、結構、工藝、性質和使用性能之間相互關系的學科,旨在為材料設計、制造、工藝優化和合理使用提供科學依據[5-6]。同時,現代材料學科不僅更注重研究各類材料及它們之間相互滲透的交叉性和綜合性,而且更強調與其他不同學科(如化學、物理、生物等)進行交叉、滲透,從而培養學生的發散性思維能力以及實驗動手能力[7]。結合材料的專業背景,目前材料專業大學生創新訓練存在以下幾個問題:

(1) 實驗性學科資助經費不足。足夠的研究經費是大學生進行科技創新和學術創新必備條件之一。根據級別的不同,大學生創新訓練項目的資助經費在0.8～1.4萬元之間。材料科學是一門實驗科學,在研發和設計新材料的過程中,需要進行多次實驗才能得到優化的制備工藝,同時還需使用昂貴的測試表征設備對其微觀結構和性能進行評價。我校材料系實驗室建設相對滯后,專業實驗室的空間小、部分設備老化、更新速度慢,不能保證所有大學生的研究工作[8-9]。

(2) 學生的專業知識缺乏。根據我校的實際情況,學生從大二下學期開始進入到大學生創新訓練項目的科研選題環節。在這一階段,由于學生對專業課的學習剛剛開始,對專業的認識不清晰、專業知識缺乏、相關的專業訓練和科研訓練更是空白,他們不會查閱專業文獻、缺乏總結文獻提煉問題的能力,也不了解相關的實驗技術。

(3) 學生的自由支配時間較少。研究過程中投入足夠的時間是大學生創新訓練取得成果的必備條件之一[10-12]。材料專業大學生創新訓練包括復雜的實驗過程和數據處理與分析,因此,投入足夠的時間是大學生創新訓練取得滿意效果的前提條件之一。然而,受傳統教育的影響,如今高校重教輕學、重記憶輕思維、重知識輕能力的弊端并未從根本上得到改變[13]。大學生創新訓練實施正處于大量專業課程的學習階段,學生課程多、課業繁重,導致可以自由支配的時間較少。

(4) 學生在創新訓練中處于“被動”角色。創新訓練效果有3個層次:一是由導師提出課題與計劃,學生按照實驗計劃完成；二是導師提出課題,學生在文獻調研的基礎上確定實驗方案和實施過程；三是學生自己提出課題并有切實可行的實驗計劃。大多數學生的創新訓練停留在第一層次,僅有少數可以達到第二或者第三層次。因此,大多數學生在創新訓練實施過程中處于“被動”角色，而創新訓練的培養最終目標是使學生具有獨立科研與創新的能力。

2 基于材料專業特點的創新訓練教學改革

針對大學生創新訓練實施過程中存在的上述問題,以申報并獲批的大學生創新訓練項目的實施過程為例,從立項選題、計劃安排、任務分配、實施指導、項目結題等各個階段出發,對我校材料專業的大學生創新訓練計劃項目進行了深入的實踐與探討,取得了較好的效果。

2.1 積極與周邊院校合作、獲取多方經費支持

2014年獲批校級大學生創新訓練項目,項目涉及納米材料的合成和表征,僅僅依靠大學生創新訓練項目的經費遠遠不能滿足學生的研究工作。因此,以上述項目為基礎,成功申報并入選國家級大學生創新訓練計劃,還成功獲得了教育部先進材料重點實驗室開放課題以及中國科學院大學生創新實踐訓練計劃的資助,解決了項目實施過程中經費短缺的問題。同時,積極與周邊院校進行合作,如清華大學、北京科技大學、中國科學院過程與工程所等,利用其先進的實驗平臺及表征與測試設備對樣品進行微觀結構的觀察與性能的測試表征,解決了我系測試表征設備不足的問題。通過上述兩方面的措施,大大改善了學生的研究條件,激發了學生的研究興趣,同時也為學生自己提出想法以及驗證實驗的實施創造了有利條件。

2.2 提倡學生自由討論、使學生變“被動”為“主動”

由于學生的專業知識基礎薄弱,積極創造機會為學生建立專業背景知識,如通過每周1次的研究生組會匯報、參觀展會、能源存儲與轉化領域的媒體報道、微信群、QQ群等,創建多渠道的交流。在講解新知識的時候,盡量做到深入淺出,同時通過PPT結合相關的研究內容進行講解,使學生明白研究工作所需的知識點及相關課程,在后續進行課程學習時目標更明確。

在項目立項之初,給學生足夠的時間去收集資料、查閱文獻,最后使學生在閱讀文獻的過程中提出問題、發現問題,從而確定具體的研究方向。如氧化錫的制備與表征是一個研究內容較廣的課題,其既可以作為傳感器材料,也可以作為新能源材料使用。學生通過文獻調研、討論,同時結合自己的興趣,確定了課題的研究目標——氧化錫作為高性能鋰離子電池負極材料。在項目的實施過程中,提倡學生自由討論,集思廣益,有意識地培養學生的表達能力和溝通能力。同時要求學生每周至少閱讀一篇相關文獻,追蹤國內外的最新研究進展,并以文字的形式將閱讀文獻內容、實驗結果與討論以及每周匯報的下周研究計劃,以項目研究成果發表論文,提高學生在項目實施過程中的主動性。

2.3 研究任務分工明確、合理利用課余時間

針對學生課程任務繁重、自由支配時間較少的問題,在確定項目選題和研究內容后,根據每位學生的學習情況和興趣合理分配研究任務,通過對項目的整體規劃, 對每個成員的研究任務以及完成時間進行了詳細的規定。

上述措施不僅可以提高每位成員的參與性和積極性,而且可以培養學生管理時間、統籌規劃的能力。所帶的大學生創新訓練項目的研究內容，主要包括計算機理論計算模擬不同結構和組分的氧化物的性能、不同結構氧化錫的制備工藝參數優化、微觀結構觀察以及其電化學性能表征。根據不同的研究內容、學生的興趣及相關課程學習情況,合理把各個研究內容分配給學生,同時鼓勵學生積極參與其他研究內容的實驗與討論。這一舉措極大地增強了每位成員的參與性,使每位成員在項目實施的過程中均有收獲。

3 項目實施的效果

通過大學生創新訓練項目以及上述措施的實施,在整個過程中,學生經歷了實驗的失敗、艱難的探索以及最后的成功,在各位方面均有了提高。

3.1 課堂表現提升、理論知識提高

通過大學生創新訓練項目的實施,使學生能夠把所學的專業知識用到科研中,同時在研究中遇到問題時,學生能夠積極查閱圖書館相關書籍及網絡數據庫搜尋相關知識,進行深入學習及討論。在后續課程的學習中,學生能更有目的地主動去學習,強化了學生的課堂學習效果。實踐表明,經過大學生創新訓練項目的實施,學生在學習專業課時的課堂表現有了很大的提升,能夠積極參與課堂教學的各個環節。

3.2 實踐能力顯著提高

通過大學生創新訓練項目的實施,學生不僅能夠熟練操作材料制備與表征的各種相關設備,而且能夠對實驗數據進行科學的分析,學生的實踐能力顯著提高。如通過上述項目的實施,學生不僅能夠熟練掌握納米材料合成與表征設備的操作規程與原理,同時學會了采用第一性原理進行模擬計算、Origin軟件進行數據處理以及Diamond軟件進行晶體結構表征等。

3.3 團隊合作能力加強

創新訓練項目的順利完成不僅取決于小組成員的個人智慧,而且需要各成員發揮自身的優勢、團結協作、共同參與,在實驗過程中體驗團隊協作的力量,同時積極營造和諧的學術氛圍。在項目實施過程中,每個學生的研究任務既相互獨立又承前啟后,在提高個人能力的同時,加強了團隊合作能力。

4 結語

大學生創新訓練項目是教育部實施質量工程的重要組成部分,基于項目的大學生創新訓練計劃的實施，不僅能夠提高學生學習的積極性與主動性,而且能夠培養學生的創新能力。材料專業大學生創新訓練的實施效果受到各種主客觀因素的影響,因此必須根據專業特點以及實際研究條件,采用適當的措施提高項目的實施效果。

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