材料綜合實驗課程創新性實驗項目的設計與實施

吳雪艷， 陳秋龍， 周偉敏， 曹力軍， 朱申敏

（上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240）

0 引 言

創新驅動和人才為本是建設制造強國的基本方針之一，“創新人才培養水平明顯提高”是全面建成小康社會的重要目標［1-3］。材料科學與工程專業作為一門工科專業，對學生利用專業知識解決問題的能力具有很高的要求，因此本科生創新能力和工程實踐能力的培養是實現專業培養目標的一個重要方面［4-5］。實驗教學是材料科學與工程人才培養的關鍵一環，學生在實驗過程中能夠發現問題，分析問題，進而利用儀器設備、實驗原理與方法解決問題，這是一個強化學生理解與運用專業知識概念、原理、方法，進而培養學生解決實際工程問題能力的過渡過程［6-9］。在當前學生普遍學習興趣不足的形勢下，如何運用一定的教學策略，選擇合適的教學方法，通過教學方式、形式的改變激發學生的學習動力，提高學生的學習興趣，進而改進教學實效顯得十分重要［10］。研究表明，學習是一個主動的構建過程，在學習過程中，學生傾向于用已有的知識和經驗來與新概念相關聯，整合新舊概念，構建出一個學生理解的新認知體系［11］。因此，要提高教學成效，給學生提供一個能夠讓他們進行主動思考、實際操作的機會，通過這樣的機會，他們能主動應用課程的知識來解決相關問題，此過程同時也為學生提供了創新的機會。

上海市精品課程“材料綜合實驗”是針對材料科學與工程專業大學三年級學生開設的為期1 年的實驗課程，執行主體是材料科學與工程實驗教學中心。課程最后階段設有學生自主創新性實驗環節，目的是考查學生綜合運用多門專業課程的概念與理論以及在“材料綜合實驗”課程上學到的各種實驗技術與方法進行實驗實踐，解決問題的能力，并培養學生的創新能力［12］。

如何圍繞教學大綱為學生設置合適的實驗項目，并保證實驗項目的開展，實現課程目標，是教師在課程中需慎重考慮的重要問題。“材料綜合實驗”課程教學團隊在教學過程中結合國家戰略發展的需要和專業培養目標的要求，進行了教學改革初探，并通過實踐，取得了一些成果，積累了一定的經驗。

1 實驗項目的設計與過程管理

1.1 實驗對象的選擇

在“材料綜合實驗”課程的“基礎實驗”教學中，實驗對象以傳統的金屬材料為主，通過該階段的教學，學生對材料科學基礎、材料性能、材料加工原理、材料組織結構表征等核心課程的理論、概念有了進一步的理解，對材料的結構、微結構、物理性能、力學性能等方面的實驗原理、實驗技術與方法已經進行了學習，達到能夠安全、正確操作相關實驗設備，并運用這些技術手段來分析材料性能的課程要求。特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、特種無機非金屬材料和先進復合材料等新材料是我國材料領域的重點發展方向［1］。為了拓寬學生的知識領域，在創新性實驗項目的實驗對象的安排上，除包含金屬材料，還安排了多種新材料實驗對象，例如奧氏體鋼、Al-Fe等金屬材料、特種功能材料如納米陶瓷鋁合金材料TiB2／ 42、可降解醫用材料如鎂、鋅合金、功能性高分子材料如PVDF 電紡纖維膜、功能性無機非金屬材料如納米SiO2球、過渡金屬硫化物MoS2、金屬層狀雙氫氧化物等。學生可以在一定程度上根據自己的興趣以小組為單位選擇實驗項目，學生從最初階段就意識到自己是實驗項目的主導者，調動了學生的積極性，激發了學生的責任感，有助于后續實驗項目的順利實施。

1.2 確定實驗方案

創新性實驗開展之前，教師即向學生傳達了明確的課程要求，確定好各個時間節點。一般而言，在實驗對象選擇完成之后的第1 周確定實驗方案。在指導教師的帶領下，學生要花費較多的精力用于文獻調研。文獻調研首先要圍繞實驗對象，考慮到自己的研究目的，有目標地查閱一些綜述性的文章，了解國內外研究現狀與研究水平，分析當前研究的不足與存在的問題，提出自己的研究方向，再以此為出發點，細化查閱相應科技論文，了解該方向的國際前沿研究結果，結合實驗室現有的條件，綜合考慮實驗硬件設施的可利用性，設計出具有可行性的細化實驗方案，并對項目實施過程中可能存在的困難有所預測，思考相應的解決辦法。實驗方案的確定對后續實驗項目的開展至關重要，因此在本階段，指導教師要適度地參與，注意監測學生文獻調研的類型、文獻出版時間、保證學生全面、合理地選擇專業數據庫進行調研。指導教師還要積極與學生就文獻調研結果進行討論，對學生進行創新性啟發，對實驗方案的可行性進行把關。文獻調研與實驗路線設計的過程實際上是學生自主學習、提取有效信息、分析思考、鑒別判斷、進行創新思維的過程。這種搜集信息，進行批判性思考，開展創新性思維的過程，是學生解決本專業實踐問題的基礎。例如研究20Cr2Ni4MoV鋼的連續冷卻項目時，學生通過文獻調研和可行性分析，確定的實驗方案是利用熱膨脹儀測量并繪制20Cr2Ni4MoV鋼的過冷奧氏體連續冷卻轉變（CCT）曲線，利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀察材料的微觀組織結構變化，研究其組織演變規律。在研究可降解生物材料時，通過文獻調研，確定的實驗方案為通過檢測模擬體液浸泡樣品后的pH 值、樣品在腐蝕前后的重量和腐蝕過程中的析氫量來分析金屬材料的降解過程，通過分析腐蝕產物的組成與形貌，分析腐蝕方式及反應機理。

1.3 注重實驗安全教育

材料科學與基礎專業的實驗中既會涉及化學品，又要用到各種實驗儀器，保證實驗教學的安全是學生順利開展實驗實踐的基礎［13］。

材料科學與工程學院在本專業學生入學之初會統一對學生進行安全教育，要求學生必須在校“安全教育與考試管理系統”上通過在線考試。在課程前期的教學中也在不斷強化學生的安全意識。在每個實驗項目開展之前，學生都要進行安全知識學習，由指導教師重點指出本次實驗可能存在的危險和應采取的防護措施，學生根據具體實驗項目的安全要求，在領取防化學、防沖擊、安全面罩、防護眼鏡、安全手套、安全鞋等勞防用品后才可以進入實驗室，以防止發生意外傷害，保障學生的安全。對于涉及化學合成、生物材料檢測等方向的實驗時，尤其要注意對學生進行相關規范操作的培訓，例如鋰電池電極材料的研究涉及使用高壓反應釜和真空手套箱、電化學工作站等實驗裝置和測試設備；生物材料要涉及生物活性物質的特殊保存方式、超潔凈操作和生物安全等問題［14］。學生在之前的學習中大多數沒有受過這些方面的培訓，因此針對具體的創新實驗項目，系統細致的安全操作培訓是絕對必要的。

1.4 場地與儀器合理安排

雖然實驗教學中心已有700 m2以上的實驗室面積，儀器價值幾千萬元，但由于在整個創新性實驗階段有多個項目在同時進行，仍然存在實驗空間不足、儀器臺套數不夠、缺乏某些特定實驗設備的問題，無法滿足學生的需求。解決這個問題的途徑之一是整合學院資源，充分利用科研團隊的實驗室。部分實驗項目是由科研團隊的研究成果轉化而來的，研究團隊也向學生開放自己的實驗室和科研設備，這在很大程度上解決了空間擁擠、儀器不足的問題。預約制也是解決實驗室空間與設備使用沖突的有效途徑。對于一些特殊的實驗室，如化學合成實驗室，課程教學團隊要求項目小組合理安排實驗時間，并在中心預先進行預約登記，具體精確到“時”，以提高實驗室的利用率。對于實驗中普遍使用的儀器，預約制顯得尤其必要。學生在課程前期已經掌握了大部分儀器的規范操作技能，因此中心延長了這些設備的開放時間，除了本課程的課堂時間外，學生還可以預約在自己的課余時間使用這些儀器，這種開放制度在一定程度上避免了學生的使用沖突［15］。對于中心不具備的價值高、操作復雜的大型設備，如透射電子顯微鏡，中心與學院實驗管理中心進行溝通，學院為實驗教學開設綠色通道，學院的大型設備優先滿足實驗教學需要，科研需求也為教學讓路，學院會安排設備助教根據學生的預約時間為學生進行設備操作。

1.5 過程監督與結題考核

創新性實驗項目是由學生以組為單位自主完成，時間跨度大，而且各組實驗時間分散，多個實驗項目同時進行，因此管理相對復雜，過程監督是一個非常必要的管理手段。實驗方案確定后，項目組要向課程教學團隊匯報實驗方案，并將實驗方案中各個階段的完成時間節點列出，教學團隊根據預期目標，在時間節點進行督促檢查。由于實驗方案有可能要根據每一步的實驗結果進行調整，存在著一定的不確定性，因此允許項目組適當進行機動安排，這種情況下教學團隊更要密切關注實驗進展情況，以保證該項目在規定時間內完成。

根據課程安排，學生在規定的時間以書面實驗報告的形式提交項目總結，并以口頭匯報的形式向所有學生和課程教師展示自己的成果，包括陳述實驗的目的與意義，實驗結果與誤差分析，實驗結果的討論，以及實驗項目可優化之處等。課程教學團隊和指導教師組成評審組，聽取學生匯報，根據項目總體執行情況、實驗的創新性、實驗方法、實驗結果分析的準確性、合作能力、口頭匯報的效果進行評審，并提出意見和建議。

2 創新性實驗項目開展的效果評價

2.1 對學生綜合能力的提高具有積極的推動作用

學生對創新性實驗項目表現出更高的興趣，創新性項目作為自主實驗項目，全程由學生主導，學生的主動意識被極大地調動起來，從實驗路線的設計到項目的具體實施，學生主動利用自己的課余時間，鍛煉了學生的自我管理能力和時間管理能力。當實驗進展沒有達到預期效果或出現沒有按時完成實驗計劃的情況時，學生積極分析問題發生的原因，主動思考，利用查閱文獻等方法尋找解決問題的途徑，而不是坐等指導老師的幫助。

（1）強化了學生的創新能力。創新性實驗項目與課程前期其他實驗的最大區別在于研究路線是由學生根據自己對實驗對象所了解的研究背景和國內外研究現狀自主確定，實踐活動是按照自己的思路設計實驗方案并實施。這種項目能夠最大程度激發學生的創新性思維。例如，同時有兩組學生選擇了SiO2納米球為研究對象，通過查閱文獻，確定了不同的研究路線，一組同學的實驗目的是利用SiO2無毒害、適于作為載體的特點，制備銀包覆的SiO2抗菌材料，另一組學生則合成出了具有特殊核-殼結構的SiO2-MnO2球，用做鋰離子電池電極材料，并評估它的電化學性能。這種自主運用材料科學與工程專業的理論和技術手段，選擇合理的研究方法，設計新實驗，并分析、解釋實驗結果，獲得合理有效的結論的過程，是對學生創新能力的強化。

（2）學生的國際化視野更開闊。特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、特種無機非金屬材料和先進復合材料等新材料是《中國制造2015》明確提出的新材料發展重點領域，基于這些方向的實驗項目的設置，使學生的實驗對象符合國家戰略發展方向［1］。實驗方案的確定建立在文獻調研基礎上，這個過程使學生了解到相關領域國內外的前沿現狀。另外，部分實驗項目來源于學院科研團隊的研究成果，指導教師也來自于科研團隊，有些團隊承擔著國家重大科研項目，這使學生有機會接觸到國際前沿研究領域，了解本專業的最新國際熱點，站在國家需求的角度，立足當前，把握本方向的發展趨勢，拓展了國際化視野［16］。

（3）培養學生的團隊合作能力。以小組為單位的整個項目執行過程對學生的合作、交流、溝通水平要求較高，學生要從組內選出領導者，并就工作內容進行分工，保證內部溝通順暢。項目的開展既是對領導者公信力、管理水平和協調能力的鍛煉，也是對整個團隊交流協商能力和責任擔當意識的訓練，在團隊合作的基礎上充分利用個人的專長有利于更有效地開展工作，加快項目進程。創新型實驗的執行中會存在著許多不確定性，往往不能完全按照預先設計的實驗方案進行，中間可能會經歷大大小小的失敗，這就考驗了學生的抗挫折能力，學生要耐得住失敗的打擊，并積極查出問題的根源，進而改進實驗方案，解決問題，不輕言放棄。這種堅韌意志的養成有利于學生在今后步入社會后應對工作中的挑戰。

2.2 開設創新性實驗項目面臨的考驗

實驗項目開展的深入程度在一定程度上取決于學生的學習能力和邏輯思維能力，學生從文獻資料中吸取知識的速度、質量和數量對其確定方案、實施實驗、解決問題等各方面都有較大影響。實驗的執行過程也是學生快速成長的過程，項目深度不應作為考核的唯一指標。

創新性實驗要求獲得科研團隊較大的支持。由于創新實驗項目選題與指導很大程度上依賴于科研團隊的貢獻，而科研團隊自身科研已經承受著較大的壓力，如何鼓勵科研團隊加入實驗教學值得認真思考與布局。材料學院已形成了科研反哺教學的優良傳統，科研團隊愿意以自己的研究成果更新教學實驗項目。教師在指導過程中進一步宣傳自己的研究領域與研究水平，吸引本科生在后續的畢業設計、研究生攻讀時選擇自己的方向，達到雙贏。

硬件設施水平制約著項目的創新性與執行周期。由于創新性實驗涉及面廣，甚至會同時包括金屬、陶瓷、聚合物和生物材料四大類，因此要求實驗室要有相應的實驗空間、儀器種類。如果空間、儀器種類有限，就難以同時開展多個實驗項目，這必然會延長實驗周期，對于那些在實驗中對時間要求嚴格的項目，甚至于會關乎成敗。同樣，只有保證了合適的空間和設備，學生的設想才能更容易付諸實踐。這要求課程教學團隊和指導教師能預先對各種硬件設施有較客觀認識，并且對供學生研究的實驗對象有深入了解，以確保自身的硬件條件能夠滿足學生可能開展的研究路線要求。

3 結 語

通過實踐發現，在材料綜合實驗課程的后期引入創新性實驗項目，建立以學生小組為執行主體的項目運行模式，保證學生最大程度地發揮獨立自主性，對于激發學生學習興趣，培養學生的創新能力、國際化視野、團隊合作能力都有較大的促進作用，學生在創新性實驗項目執行過程中成長速度更快，取得了良好的教學成效。創新性實驗項目能否達到預期效果，除了與學生自身能力有關外，也與科研團隊對教學的支持度、實驗室硬件條件有關。