新材料時代材料化學專業實驗課程體系設置

郭敏杰 樊志 王培然

摘? ? 要：現代社會已經進入新材料時代，材料化學專業建設如何跟上時代發展步伐，培養滿足新材料時代的專業人才，值得思考。材料化學專業的應用性和實踐性都很強，實驗課程體系設置對于人才培養尤為重要。文章論述了天津科技大學材料化學專業實驗課程體系的設置思路，重點介紹了材料化學專業的實驗課程體系架構、實驗教學模式及內容等方面的實踐和經驗，分析了專業實驗課程體系的設置對新材料時代的材料化學專業技術人才培養的重要性。

關鍵詞：新材料時代;材料化學;實驗課程體系;人才培養

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）07-0052-03

新材料是指那些新近發展或正在發展的具有比傳統材料性能更為優異的一類材料。其技術特點是探索材料的微觀結構、制備與宏觀性能的關系，通過材料設計、材料加工、性能評價等研究過程，獲得能滿足各種需要的新型材料。新材料技術已經成為世界各國必爭的戰略性新興產業，成為當前最重要的、發展最快的科學技術領域之一。我國材料化學專業是1998年教育部對本科專業目錄進行調整產生的專業，經過20年的專業建設，目前我國約有170所大學招生，專業培養目標日益明確、專業基礎理論得到拓寬和加強、課程結構不斷優化，在學科建設上取得了很大進展[1]。但在新材料時代背景下，如何跟上國家“十三五”材料領域建設步伐，培養滿足新材料時代的材料化學專業人才，并在我國材料人才隊伍中彰顯各個大學的專業特色，就值得各高校的材料化學專業教師進行思考。

材料化學專業涵蓋的學科范圍較寬，各高校的專業方向、培養方案和課程體系差別較大，但基本都包括化學和材料科學的基礎理論、基本知識和實驗技能等三方面能力的培養[2]。作為培養學生創新思維和綜合能力、促進知識向能力轉化重要途徑的實驗技能培養環節，總是能夠體現各高校的專業辦學特色，因此材料化學專業實驗課程體系設置及改革便仁者見仁、智者見智，成為專業人才培養的焦點[3-4]。

天津科技大學材料化學專業于2003年開始招生，每年招生兩個班，授予理學學士學位，學制四年，實行彈性學習年限。本文以搭建材料化學專業實驗課程體系架構、建立多層次實驗體系為出發點，針對新材料和新物質結構不斷涌現的新材料時代特征，將材料發展思維和時代特征引入課堂，激發學生的科研潛能，注重科研與實踐能力并重，培養具有一定的科學素養和材料時代感的理科應用型人才，同時更好地體現材料化學學科交叉的特性。

一、緊跟新材料發展時代脈搏，科學搭建材料化學專業的實驗課程體系架構

作為綜合型學科，材料化學專業應用性和實踐性都很強，化學基礎實驗、綜合性和創新性實驗教學環節十分重要[5]。材料化學專業實驗課程教學體系應以利于培養學生創新能力和應用能力為主旨，一方面加強對專業知識的理解;一方面加強專業實踐技能訓練，培養學生的創新思維和創新能力。

天津科技大學的材料化學是理科專業，以實驗為主且與實踐緊密相關的特點更為明顯，實驗教學貫穿教學活動意義重大。基于此，2017年修訂培養方案時，我們突出專業技能訓練環節（該環節注重將材料領域一些最新的研究成果引入實驗課程內容），設置“科技論文寫作I（第4學期）—科學實驗（第5學期）—科技論文寫作II（第6學期）—實驗技能訓練I（第6學期）—綜合化學實驗（第6學期）—實驗技能訓練II（第7學期）”的漸進式材料科研能力培養模式，讓材料科學知識與實踐能力貫穿于大二、大三和大四年級。專業培養方案中四大基礎化學實驗224學時，7學分（天津科技大學規定實驗課程32學時/學分，理論課程16學時/學分）;材料化學實驗學時80學時，2.5學分;科研能力培養訓練環節12學分;畢業論文（16周8學分）等其他專業集中實踐環節11學分。專業實踐教學環節合計32.5學分，占學科基礎課和專業教育課程85.5學分的38%。專業集中實踐環節共計40學分，加上個性化課程14學分，占總學分170學分的31.8%。經過十幾年的專業建設摸索及經驗總結，已經建立起基礎實驗、專業實驗、專業技能訓練三個層次的實驗架構體系，兼顧全面的基礎化學實驗知識體系和多方位專業綜合實驗技能培養。每年專業都有接近1/2的學生考研，迄今為止已有多位學生在清華大學、復旦大學、南開大學、天津大學和中國科學院化學研究所等單位進一步求學深造。

天津科技大學材料化學專業申報的教育部自主設置“新材料與技術”二級碩士點2013年獲批招生，目前下設磁學與磁性材料、新型生物材料和新能源材料三個研究方向，這對于天津科技大學材料化學學科延續性都有重要的意義，研究生教育必會反哺本科教學。

二、凝練專業方向特色，建立符合新材料時代特征的多層次實驗內容

作為本科實驗教學，應考慮知識的連續性、全面性和趣味性，教學內容以提高學生的實驗興趣、發揮學生主觀能動性為出發點，注重激發學生的時代感和探索精神[6]。天津科技大學材料化學專業自成立以來，一直注重專業建設和實驗課程建設，基于緊跟材料時代發展步伐的建設思路，培養計劃歷經2006年、2010年、2014年和2017年幾次較大的修改，目前已經形成生物材料與納米材料相結合的專業發展方向。

2017年培養方案修訂時，正值國家發布“十三五”材料領域科技創新的新材料時代背景。我們立足京津冀，以服務濱海新區為出發點，建設以“基礎實驗、專業實驗、科學實驗、開放實驗、畢業論文”構建的 “五段式”實驗教學模式，培養理科應用型創新型人才。培養方案側重從培養學生了解大材料的基本原理出發，建立和培養學生掌握一級學科材料科學與工程的實驗課程，開設特色化、微型化、綠色化的研究與開發性材料化學實驗。

具體做法是：（1）開發基礎實驗中綜合性、設計性實驗環節，減少驗證性實驗項目;（2）綜合化學實驗與新材料實驗有機結合，完成設計性與綜合性的中級化學實驗過渡;（3）以綜合化學實驗和專業化學實驗為主體的專

業實驗體系設計;（4）科學實驗、綜合實驗及畢業論文融合;（5）通過開放實驗和畢業論文環節培養創新能力。

1.基礎實驗教學重視學生對于基礎實驗知識的積

累，重點突出實驗原理和方法的共性，強化基礎實驗技能訓練;綜合實驗結合專業特色方向及學院優勢特色研究方向，引入綜合性強的實驗;設計性實驗內容隨學科的發展而更新，達到培養學生研究能力和創新思維的目標，提高學生的自主性和綜合實踐能力，培育學生探究能力及創新潛質。

2.專業實驗圍繞新材料特點，拓展專業實驗技能，使學生掌握相關材料的制備方法、結構表征與性能測試等。專業實驗內容以綜合性、設計性實驗為主，以團隊合作模式操作，培養學生嚴謹細致的實驗精神和團隊意識，使之具備對材料開發或研究中出現的問題進行預測、歸納分析及提出可行的研究方案的能力。

3.精煉設置實驗項目，注重實驗項目的廣泛性，實驗項目涵蓋無機、有機、高分子、復合材料等各領域。如增開“量子點的合成及其應用”實驗，讓學生在掌握無機材料合成技術的同時，熟悉熒光光譜和紫外吸收等表征手段，也了解不同類型量子點在光電器件、傳感生物醫藥等眾多領域中的應用;增開“環糊精衍生物的合成及分離純化”實驗，讓學生掌握多步有機合成技術的同時，熟悉元素分析、質譜等表征手段，同時了解超分子識別及組裝的科學前沿領域，引導學生走進2016年諾貝爾化學獎——“分子機器”的奇妙世界。通過材料性能的表征，讓學生感受新型材料的神奇，凸顯材料專業的應用性特點，讓學生真正體會到知識應用的樂趣和應用價值[7]。

總之，實驗內容在繼承傳統材料學基本理論的基礎上，注入了新材料的多功能性、智能性等特點，同時注重大材料學科環境下材料之間的關聯教育[8]。實驗安排充分考慮了材料制備及分析的統一性和連貫性，各實驗間具有借鑒性，有利于培養學生科學研究思路，提高分析問題、解決問題的能力。不得不提的是，實驗項目的實施一方面得益于2016年天津市高校“十三五”綜投建設投資，也更得益于2015年化工與材料學院的整合成立，學院平臺的大型儀器設備，如熱分析儀、納米粒度儀、X-射線衍射儀、掃描電鏡以及電化學分析儀等先進設備融入實驗教學中，既保證了實驗項目的順利進行，也為學生的畢業論文和今后科研工作中對材料的檢測技術的應用提前打下良好的基礎。

三、 滿足新材料發展的市場需求，培養新材料領域的現代技術人才

高等教育的主要目的是培養人才。大學承擔著培養有專業理論和實踐技能的人才的任務[9]，大學更應該培養學生的社會責任感。國家《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》中提到：重點發展材料人才隊伍建設，提升創新創業人才隊伍的整體素質和水平，著重提高企業技術創新創業人才的水平和比例，滿足材料領域發展的需求。目前我國每年材料類本科畢業生約4萬余人，碩士和博士畢業生約1萬人，但材料行業仍然面臨基礎研究人才隊伍不穩、工程應用技術隊伍流動性不夠、新興產業人才流動性過大等主要問題。

天津市周邊有15個大中城市，有廣闊的新材料消費和配套市場。近年來，以金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、催化劑與石化產品、復合材料、納米材料及特種紙等為代表的新材料產業在天津經濟發展中的作用與地位穩步提高。新材料產業的發展需要大量的高級人才，形成對行業發展的支撐。為了與上述天津的優勢產業接軌，我們計劃開設部分開放實驗項目。在目前的濱海新區建立的3～4個與專業緊密聯系的相對穩定的學生實習、培訓基地，設立企業導師指導學生開放實驗，保持定期聯系，專業首先定位于服務濱海新區建設，一畢業便就業，更快地融入濱海新區建設。2016屆本專業畢業生的一次就業率達到97%，其中從事材料相關專業的一次就業率也達到80%。隨著天津濱海新區的蓬勃發展，以及對周邊地區的產業帶動，本專業畢業生也將會有足夠的事業發展空間。

2018年6月召開的《新時代全國高等學校本科教育工作會議》上，教育部長陳寶生指出，高教大計、本科為本;要引導學生求真學問、練真本領。材料化學專業的學生必須有寬口徑的材料學基礎知識和化學理論，同時又必須具有現代化儀器操作技能和創新能力，善于將基礎知識轉化為科學技術和社會生產力[10]。這種能力必須通過系統理論培養及嚴格的科學技能訓練逐步形成，因此實驗教學的獨特作用很重要。教學的本質在于通過師生互動，使受教者自我覺悟。這種特點在實驗教學設計過程中尤為突出。近年來天津科技大學一直實施推進各類科技競賽活動，專業學生參加大學生創新創業項目和全國大學生“挑戰杯”科技競賽等各類學科競賽人數越來越多，多人獲得國家、天津市及校級各級獎勵。鑒于此，通過鼓勵企業導師將企業課題引入大學生創新創業項目和全國大學生“挑戰杯”科技競賽，也會使得開放實驗訓練環節更加規范，學生學以致用，研究興趣和科研創新能力得到提升;同時鼓勵學生參加學術會議、發表論文等，這對學生將來繼續求學深造或者求職均有益處。指導過程中，教師與學生相得益彰[11]。

我們常說人類的文明史就是材料的發展史。當現代社會進入以納米材料、信息材料和能源材料為主要特征的新材料時代，教育工作者如何在傳統材料和新型材料之間找到教學切入點，將材料科學教育進行傳承與創新，這確實是個值得思考的問題。本文僅以天津科技大學為例，敘述了天津科技大學材料化學專業實驗課程體系的設置情況，淺析了實驗課程體系對新材料時代的材料化學專業技術人才培養的意義，以期拋磚引玉，與同行共同探索專業實驗課程的改革，結合新材料發展趨勢，不斷構建完善材料化學專業實驗框架，努力培養出適應新時代、新需求的新型材料化學人才。

參考文獻：

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[11]董國君.材料化學專業實驗課程研究性教學探究[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2015，（2）.

收稿日期：2018-11-19

作者簡介：郭敏杰（1972—），女，吉林伊通人，天津科技大學化工與材料學院教授，博士，主要從事高分子組裝和生物降解材料研究。

基金項目：天津市教委重點項目“聚焦工程教育認證，建設專業教學質量保證體系的研究與實踐”（171005703B）;天津科技大學化工與材料學院教育教學改革項目“新材料時代材料化學專業實驗課程體系設置”（2017Z007）