新工科背景下材料專業大學生創新意識的培養

張龍，安東海，馬丙闖(昌吉學院物理系， 新疆 昌吉 831100)

0 引言

時至今日，創新能力的培養與實踐漸已成為高等院校人才培養的重要途徑[1]。培養高科技人才是新時代黨和國家賦予高等院校的使命，也是地方院校為服務當地經濟義不容辭的責任。新疆昌吉學院立志培養德智體美勞全面發展、具備創新精神和實踐能力的高素質應用型材料專業人才。

當前，人們非常關注環境污染和能源危機兩大問題[2]。傳統化石能源的利用對環境造成了嚴重的污染，如煤炭、石油等不可再生的能源。解決能源短缺和環境污染問題的有效手段就是開發和清潔的可再生能源。所以，充足的太陽能如何被高效的利用是經濟社會發展的一個重要課題。此時，培養具有工程創新能力的高素質人才是昌吉學院基于新疆經濟特色及新工科背景下的必然要求，而在材料專業人才培養中，對學生綜合實踐能力培養尤為重要。因此，材料專業大學生如能更加全面地掌握專業理論知識、構建科研思維、培養創新能力以及在教授理論知識的基礎上培養學生的工程實踐素養，是新工科背景下中國高校的重要使命之一[3]。設計完整的具有一定復雜度的專業性研究型教學實驗，不僅可以提高學生創新思維能力和實踐能力，也是材料及相關學科教學改革的必然趨勢[4]。然而，目前在材料專業相關教學活動中，鮮有專業性研究型教學實驗內容。

1 本科材料專業與研究生在實驗教學存在的差異

材料專業具有很強的實踐性的特點，其中實驗是材料學科必不可少的實踐課程，從實驗中尋求規律和真理是研究生的日常工作。與此同時，在當前的高校本科生教學中，傳統的驗證性實驗課程在整個實驗教學中占比過大，一定程度可以起到鍛煉學生的動手操作能力，但是鞏固所學知識的同時，也有一定的局限性。在本科生中的實驗中，考慮到教學目標，很多實驗都是進行一些常態化的操作，很少考慮合成材料的普適性和工程化，但是對于研究生的培養卻往往重視研究的適用性。

高校在創新意識和創新能力的培養方式上來說，本科生和研究生主要的不同點包括：(1)實驗目的的差異。本科生實驗的目的主要是更加深刻的了解課本知識。而研究生則要通過實驗尋找其機理并且有創新點的設計；(2)實驗要求的不同。本科生只需要重復簡單的實驗步驟，并了解在實驗過程中需要注意的安全問題，重在培養其實驗技能。而研究生要在此基礎上提出創新，追根溯源；(3)對實驗認知上的差異。本科生來到實驗室進行實驗是出于考核的需要，很少去關注實驗內容本身。而研究生實驗是他們每天必須從事的主題工作。他們會關注實驗細節，在實驗設計中更加有主動性；(4)教學模式的異同。由于實驗目的和實驗要求的不同，導致教學方式存在很大的不同。在臨近畢業的時候，本科生開始為畢業設計做準備，然后進入實驗室進行實驗，實驗技能很難獲得提升。而研究生采用的是導師制，在導師的指導下進行實驗，且研究生整個階段主體工作就是實驗。因此，如何在實驗教學中讓本科學生學會思考、發揮主觀能動性，是材料專業教育者必須思考的一個問題[5]。

2 實施本科與研究生交叉實驗教學模式

教學模式的改革主要是對于本科與研究生實驗教學階段的改變。主要方式：(1)研究生帶領著本科生進行創新實驗訓練，以代替本科傳統的技能實驗訓練。一方面可以開闊視野，另一方面也會使他們的實驗技能得到進一步的提高，同時創新意識也會得到一定的培養；(2)改變成績考核體系。本科生對傳統技能實驗不感興趣，創新興趣也很難被激發，但是課程的考核關于本科生的畢業，合理的考核機制，可以充分調動學生學習的主動性和積極性，也能促進提升學生的綜合素養和創新能力。

本科生的學習熱情在教學過程中不容忽略，教育者需要在科學研究和教學的發展過程中認真地思考和設計，讓學生真正參與科學創新研究，促進學生的綜合素質和創新能力。下面本文通過氮化碳光催化材料的制備為例了解新工科背景下材料專業大學生創新實驗教學設計與實踐。

3 創新實驗的研究方案

3.1 氮化碳光催化材料的制備

(1)實驗試劑：尿素，氯化鉀，氯化鋰，氯化鈉，溴化鉀，溴化鋰，三乙醇胺。上述試劑都為分析純級；實驗過程均用去離子水。

(2)實驗方案：為了對比不同離子對氮化碳光催化產氫活性的影響，結合材料專業方向及培養方案，設計以下三組創新實驗。

第一組：將尿素(10 g)放入30 ml圓形坩堝中，放入升溫速率為5 ℃ min-1的馬弗爐中500 ℃預燒4 h，接著將所得樣品與KCl/LiCl(3.3 g/2.7 g)熔鹽研磨混合均勻，然后550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-KLi。第二組：將上述預燒后的樣品與KCl/NaCl(2.5 g/2.5 g)熔鹽先研磨混合均勻，接著在空氣下550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-KNa。第三組：將上述預燒后的樣品與KBr/LiBr(2.4 g/2.6 g)熔鹽先研磨混合均勻，接著在空氣下550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-Br。

3.2 氮化碳光催化材料結構表征

利用BRUKER AXS D8型粉末X射線衍射儀測定樣品的晶體結構，粉末衍射源為Cu Ka X射線管，加速電壓為40 kV，加速電流為40 mA；用Hitachi S-4 800型掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌；用帶積分球的Shimadzu UV 2500型分光光度計測試樣品的紫外可見漫反射光譜；通過FTLA2000-104型傅里葉紅外分光光度計測試樣品的傅里葉紅光光譜；采用氮氣吸附比表面積分析儀Builder 4200測定樣品的比表面積。

3.3 光催化性能分析與報告撰寫

樣品的光催化分解水產氫實驗是在一個帶有石英蓋的密閉剝離反應器中進行。反應器中含有50 mg催化劑和100 ml溶液(10 ml的三乙醇胺犧牲劑和90 ml高純水)。反應器下裝有磁力攪拌器以確保反應過程中光催化劑能均勻的分散在溶液中。反應器上加300 W氙燈作為反應光源，在光源發生處安裝一個截至波長420 nm的濾光片。實驗報告撰寫：(1)實驗目的(2)實驗原理(3)實驗儀器與相關藥品(4)實驗步驟(5)材料表征(6)光催化性能分析(7)數據記錄與處理(8)注意事項(9)實驗總結。

3.4 成績考核

考試方式方法是在原有的基礎上進行改革,加大平時學習積累的比例,將平時積累分為實驗、課堂互動、作業、上課表現和論文寫作。論文寫作主要是參照研究生的培養方案進行設定的，可以打破以往學生固定思維的做法—平時不努力臨考搞突擊,這樣可以有效地促進學的主觀能動性，改變以往學生的不思考不主動的局面,學生的論文寫作能力也會得到有效的題高，為自己進一步深造打下基礎。學生為了寫科研文章,他們將會在知識的海洋自由探尋，更加積極得查閱古今中外的相關書籍和文獻,從而攻克自己所從事的行業的難題，從而更加增強其學習的動力。所以,論文的創新性能判斷出學生在課下是否下功夫，成為考核中的一個重要的指標。總之,在機械工程材料這門課的教授過程中,充分發揮學生的主觀能動性，以學生為主體，教師循序漸進式地引導學生思考。能將教師傳授的知識學以致用的學生才是社會最為需要的高素質合格人才[6]。

具體考核方式如下：

實驗準備：實驗研究報告的撰寫(10分)；實驗材料的準備(10分)；實驗準備分工協作(5分)；智能導學：學習進度(5分)；師生互動(10分)；實驗操作：操作正確(15分)；操作熟練(10分)；實驗操作任務協作(10分)；總結創新：實驗結果小結(10分)；實驗結果的分析(15分)；實驗結果的推廣應用(附加分10分)

4 結語

材料專業本科生開展創新實驗的教學模式是培養創新意識和創新能力的有力措施。創新實驗的設計不僅提高了學生操作技能和歸納設計實驗方案的能力，同時創新實驗提高了學生的邏輯思維能力和創新能力。通過不斷的重復實驗，不斷的改進與積累實驗思維，鍛煉了學生的提出問題、處理問題的能力，同時實驗過程需要協調課題組其他成員共同探討實驗現象，團結協作能力也不斷提高。通過考核方式的不斷更新，更全面、真實地反映學生實驗操作能力和科研創新能力，對其他專業課的教學有著一定的借鑒意義。