材料化學專業本科生創新能力培養模式的探索

王靜靜 黃秀兵 楊洲 高鴻毅 孫建林

[摘 要] 實驗教學是當前高校教學模式的重要方法，是培養本科生創新意識、實踐能力和創造能力的重要手段。結合材料化學專業的特點，從強化科研反哺教學政策的引導、鼓勵科研資源向實驗教學開放、倡導不同崗位教師聯合指導和帶動學生參加各級獎項的申報四個方面提出了“以研哺教、以賽促學”的長效作用機制。

[關鍵詞]科學研究;實驗教學;科技競賽;培養模式

[基金項目] 2018年度國家自然科學基金項目“導熱增強型相變儲能材料的構筑及性能研究”（51802016）;2014年度北京市人才培養共建項目“發揮國家級實驗教學示范中心作用，完善材料虛擬實驗建設、推廣與應用實踐研究”（GJ201403）;2016年度北京市人才培養共建項目“實驗教學示范中心與虛擬仿真實驗教學中心相互融合協同發展”（2016GJ2）;2019年度中央高校基本科研業務費“蓄/傳熱一體化相變儲能材料的設計制備與性能研究”（FRF-TP-19-001A2）

[作者簡介] 王靜靜（1988—），女，安徽亳州人，博士，北京科技大學材料國家級實驗教學示范中心工程師，主要從事材料化學實驗研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）08-0084-04? ?[收稿日期] 2020-09-10

實驗教學是當前高校教學模式的重要方法，是培養本科生創新意識、創新思維、創新精神和創新能力的重要手段，在高校學科建設和本科人才培養中起到了重要作用[1，2]。材料化學是從化學的角度研究材料的設計、制備、組成、結構、表征、性質和應用的一門科學，它兼具材料科學和化學學科的特性，旨在培養學生系統掌握材料科學、化學工程、化學等學科知識與實驗技能。本專業是將專業基礎理論用于實際工作的橋梁，其實驗教學更是培育材料科學相關專業工作者必不可少的教學組成部分。

近年來，針對材料化學專業學生采取的實驗教學模式與化學專業本科生基本一致。教學方式大多依托于理論課程開設，實驗教學主要采用的是先由教師進行講解，強調實驗注意事項，再由學生操作的模式，導致學生對實驗提不起興趣，僅是按部就班進行操作。實驗教學內容和方式相對比較單一，缺乏一定的自主性、創新性與趣味性，學生的興趣及主動性不能得到充分的挖掘與發揮，致使學生在實踐動手能力、分析和解決問題能力及創新意識的培養方面相對薄弱[3，4]。另外，本專業本科生所了解的材料制備方法和表征手段大部分停留在課堂和書本上，很多學生在本科畢業論文（設計）時才開始接觸具體的材料合成和表征設備，實驗操作能力差，將理論知識應用到實際操作中的能力不足，自主創新能力更為薄弱。在本科生的培養過程中缺乏較系統的科研規范訓練，在近幾年指導本科畢業論文撰寫的過程中，發現學生在論文科學用語、語句邏輯、數據整理及表述、圖表制作、文獻調研等方面存在明顯的不足，致使部分的畢業論文存在科學素養不夠強、分析解決問題能力比較弱等問題。

為培養具有創新意識、實踐能力和合作精神的材料化學專業本科生人才，本文提出了“以研哺教、以賽促學”的實驗教學模式。在“科研成果向實驗教學轉化”及“創新人才培養以實驗教學為核心目標”理念的引領下，將最新科研成果注入本科生創新能力培養的實驗體系中，把科研工作的研究熱點、最新進展及國內外最新內容及時融入到實驗教學中，使實驗教學的內容具有前沿性、新穎性和挑戰性，從而助推科研反哺教學，實現教學與科研相互促進、協調發展的目標。鼓勵本科生參與科技競賽，是培養大學生創新能力的一個有效手段[5，6]。充分利用科研團隊和學校資源共享等優勢，匯聚富有創新能力的優秀學術骨干與實驗技術精良的實驗技術人員，以科技競賽為切入點和著力點，鼓勵學生參加院級、校級甚至國家級大學生創新類獎項的申報，激發學生勇于創新和挑戰的興趣與熱情，進而對學生創新能力的培養、科研素養的形成起到促進作用。

一、強化科研反哺教學政策的引導

高校的科研團隊實力比較雄厚，充分發揮政策引領和導向作用，加強科研人員對本科生人才培養貢獻度的宣傳力度，優化科研崗位教師業績評價指標，提升科研人員投身實驗教學的熱情。在職稱評定、業績考核方面，適當向本科生實驗教學傾斜，將本科生班主任、本科生導師制度納入崗位評定體系中。支持科研崗位教師將科研項目引入實驗教學大綱，把科研成果及時充實到實驗教學內容，將科研元素滲透至本科生基礎實驗課程、科技創新項目或者畢業設計，構筑以培養本科生創新能力為核心的實驗教學體系。

高校專職實驗技術教師隊伍力量較為薄弱，開放性實驗課題設置在數量和質量上均難以保證，把科學研究與實驗教學進行有機結合，能夠有效增強學生的積極性以及自主探索能力。我校舉辦的系列學術講座活動在吸納本科生參與科學研究實驗方面發揮了積極的作用，促使本科生能夠緊跟科學前沿，追蹤其發展動態。科研課題的開展離不開實驗的檢驗與驗證，科研又反過來給實驗教學帶來前沿性的實驗課題[7]。從科研課題中抽提出的實驗教學主題新穎、內容豐富，引導廣大教師將科研方法、科學思維滲入本科生實驗教學中，使得本科學生能夠掌握最新的實驗技能和表征測試技術，加深其對基礎理論知識的理解，進而提升其科研水平、分析和解決問題的能力。

二、鼓勵科研資源向實驗教學開放

目前，高校教師的人才資源存在兩種傾向，一種是“重視教學，忽略科研”;一種是“重視科研，忽視教學”，教學與科研存在一邊倒的現象，二者不能有機結合[8]。科研的確是高校創新發展的強大動力，但未能及時將先進的科研成果轉化為實驗教學資源，并在此過程中培育一支富有創新精神的人才隊伍，這樣科研就難以實現可持續發展，更無法形成二者協同發展、相互促進的良性循環機制[9]。對于我校學科交叉性和專業性較強的材料化學專業來說，該專業本科生開設的實驗教學課程仍與化學專業本科生一致，有可能導致學生缺少分析和解決材料化學問題的能力鍛煉。而大多數的科研崗位教師具有較強的實踐意識，鼓勵和引導從事科研的教師承擔實驗和教學工作，把優質教師資源充實到實驗教學中去，不僅增強了實驗教學方面的師資力量，還將高校教師人力資源進行了優化配置。

此外，國內高校中大都存在教學與科研之間的不協調，如設備資源配備不合理、設備資源閑置浪費嚴重等問題[ 10 ]。相比于實驗教學資源，科研團隊的科研資源較為豐富，大型高精尖儀器設備存量穩步上升。但鑒于高精尖儀器設備價格昂貴，一些科研團隊很少向本科生開放此類儀器設備，學生很少有機會自主獲取這些高水平科研資源，進而導致本科生對實驗儀器，特別是大型實驗儀器的認識僅局限于書本知識[ 11，12 ]。實驗室是培養創新人才的重要陣地，是科技創新的主要場所[ 13，14 ]。鼓勵科研崗位教師在開展本科生實驗教學工作的同時，針對大型儀器設備開設教學實驗內容，不僅使得實驗課獨具特色，而且能夠拓寬學生的知識面和視野，從而滿足培養“雙創”人才知識、素質和能力的新要求[ 15 ]。本科生通過親自動手操作先進儀器設備，可以加深其對先進實驗儀器原理、構造、注意事項等方面的認識，激發其對相關課程學習的積極性。同時，將實驗室的科研儀器設備開放至本科教學中，也能夠最大化地發揮儀器設備的自身價值。

三、倡導不同崗位教師聯合的指導

受“重理論教學、輕實踐教學，重書本知識、輕動手實驗”的影響，本科生的實驗動手能力較差[ 16 ]。因此，在開展開放性實驗（如本科生科研訓練計劃，SRTP）的過程中需有教師進行指導。現階段，作為本科生創新實踐活動的指導教師基本為教學科研崗位的教師，這些教師不僅具有日常教學任務，同時也承擔著多種科研項目。實驗室技術人員是高校開展實驗教學、推動實驗技術研發、試驗流程創新的重要人才[ 17 ]。考慮到本科生在科研工作中動手實踐、獨立思考的基礎極為薄弱，為進一步提升本科生的基本科研素質及實驗技術能力，創新性地提出匯聚富有創新能力的優秀學術骨干（如教授、副教授、講師）與實驗技術精良的實驗技術人員（中級工程師）的新思路，組建兼具科研素質和實踐能力的本科生創新能力培養實踐團隊。加強科研崗位教師與實驗技術人員之間的溝通與交流，充分發揮團隊成員的個體特長，形成和諧協作的團隊精神。在指導老師的精心指導下，依托本專業良好的科研環境（如“分子與微結構可控高分子材料技術北京市重點實驗室”）及硬件條件（高精尖大型SEM、XRD、DSC、XRF、TGA、FTIR、GC-MS等儀器設備），使學生熟練掌握中級實驗技能（如在材料合成制備方面，掌握水熱合成法、溶膠凝膠法等）以及表征與分析能力（如操作大型高精尖實驗儀器設備技能，使用Origin、Materials Studio等基本科研軟件探究構效關系），進而提升本科生與前沿性科研成果的契合度，為將來學生參與或承擔科學研究工作打下扎實基礎。

實驗室安全是高校實驗室建設與管理的重點環節，也是高校人才培養、學科建設的重要保證。相對于高校對研究生實驗室安全教育的重視程度和實施的教學措施，對本科生的實驗室安全教育缺乏足夠的重視和專業性。本科生在開展開放性實驗之前，由教學科研崗位教師為其制定研究方案。但在其進入實驗室開展具體實驗時，由于本科生平時主要進行基礎理論課程的學習，實際操作能力較差，且材料化學類實驗室基本涉及易燃易爆、毒性物質、腐蝕性物質等危險化學品及高溫、高壓等儀器設備，因此，加強本專業本科生的實驗室安全意識，實現從“要我安全”到“我要安全”的轉變，保障本科生的人身安全更是關鍵。結合科研團隊實驗室的特點，由實驗技術崗位教師對其進行較系統的安全教育培訓，如大型儀器設備的正確操作及注意事項、個人防護措施、危化品的采購與存儲、高溫高壓特種設備的正確使用、涉水及涉電設備的注意要點、危險廢棄物的處置等，進而培養其具有良好的實驗室安全責任意識。通過建立針對本科生的實驗室安全管理體系，健全本科生準入制度，為降低實驗室安全事故事件發生率，共建平安、和諧、綠色校園提供保障。

四、帶動學生參加各級獎項的申報

大學生科技競賽是在緊密結合專業知識的基礎上，以競賽的方法激發學生理論聯系實際和獨立工作能力的一種方式，具有探索性、創造性和科學性，是培養具有實踐創新能力人才的有效載體[ 18 ]。待學生進入實驗室開展科研一段時間后，遴選專業熱愛程度高、科研探索能力強的同學，鼓勵他們基于參與的科研課題申報創新項目，積極參加“挑戰杯”以及各類科技競賽，無論獲獎與否，這些學生完整經歷了參加競賽的全過程，共同收獲的是調研資料的能力、掌握基本實驗技術的能力、使用大型儀器以及應用軟件分析的能力。更重要的是，學生在該過程中，通過凝煉實驗課題的創新點、抽提實驗關鍵技術，獲得了數據整理、撰寫研究報告或科技論文的能力。此外，在此過程中，能夠培養學生在團隊中的合作精神和協作意識，通過參賽提升學生的應變能力和語言表達能力。

近五年來，我校材料化學專業的本科生共開展創新創業項目270余項，其中包括市級40余項和國家級30余項。以賽促學的實驗教學模式，吸引了廣大本科生的參與，取得了一定的人才培養效益。在開展的創新創業項目中，有3個項目獲得了市級一等獎，7個項目獲得了國家級一等獎。依托我校材料化學專業課題組實驗室開展的本科生開放性實驗教學項目，在各類科技競賽中喜獲佳績。其中“PCM滅火—非電氣類小型火災終結者”項目獲得中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽北京賽區三等獎，“相熙新材料創業團隊”項目獲得北京地區高校大學生優秀創業團隊三等獎。參賽作品的專業性贏得了專家評委、參賽學生和眾多觀眾的一致贊譽。科技競賽不僅能夠驅動學生學習專業課程的理論知識，還可以鍛煉其參與撰寫國家發明專利和學術研究論文的能力。近五年，我校材料化學專業的本科生以第一作者或合作者的身分在國際高水平期刊（如Chemical Engineering Journal，European Journal of Inorganic Chemistry等）上共發表科研論文20余篇。基于共同的興趣和目標匯集到一起，在敞開大門學生自愿報名參加的背景下，以賽促學的實驗教學模式在促進學生志愿就業、免試推研和出國深造等人才培養方面發揮了積極作用，為學生構建和諧統一、融會貫通的專業知識體系奠定了基礎。

五、結語

牢固確立高校工作中人才培養的中心地位，從科研課題中抽提實驗教學內容，以科研實驗資源轉化實驗教學資源為方法，將一些新思路、新技術滲透至實驗教學中，倡導不同崗位教師進行聯合指導，開展多方面、多層次的實驗教學活動，以參加科技競賽的方法激發學生探索科學問題的積極性和主動性，進而促進本科生靈活運用基礎知識能力、創新能力和團隊協作能力的提升，是推動科研工作和實驗教學相互促進、構建科教融合長效機制的重要途徑。

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