基于興趣催化作用的大學生創新實踐訓練模式
——以材料科學與工程專業本科生創新科研訓練為例

黃柳青

（廈門大學材料學院，福建 廈門 361005）

一、背景

近年來，隨著材料性能的不斷提升、新材料的不斷涌現，對材料行業人員的綜合研究和創新能力提出了更高的要求，對高校材料專業的人才培養機制也提出了更高的要求。傳統的人才培養模式主要包括實驗教學和生產實習，教學模式缺乏探索性和自主性，在傳統模式培養下的大學生難以深入了解理論知識與實際生產過程的內在聯系，造成校內理論教學、實驗教學與生產實習教學的脫節。傳統的人才培養模式難以滿足社會發展需求，迫切需要推進產教融合的新型教育模式。根據教育部《關于印發〈國家級大學生創新創業訓練計劃管理辦法〉的通知》（教高函〔2019〕13 號）和有關文件精神要求，為進一步深化創新創業教育改革，增強學生創新精神、創業意識和創新創業能力，高等院校將進一步加大力度，支持本科生科研創新，推進本科生早期科研訓練平臺建設，提升學生實踐能力和創新精神。當前大學生創新訓練存在的三個不足：知識儲備不足、興趣不足、創新意識不足。［1］

自2019 年入職廈門大學材料學院以來，筆者主持了國家自然科學基金青年基金項目、福建省自然科學基金面上項目、深圳市基礎研究面上項目、企業委托項目等。在項目研究過程中，筆者深刻體會到符合材料類產業發展方向的基礎研究工作具有廣泛應用前景，同時為現有產業中的相關企業研發人才隊伍不完善而感到任重道遠。筆者作為一名同時活躍在三尺講臺和企業一線的高校青年教師，承擔了廈門大學材料學院材料科學與工程系本科三年級專業必修課“材料分析測試方法”的教學內容。這是一門理論與實際結合緊密的專業課，更是材料專業人才的工具課。通過產學研項目合作與交流，筆者深刻意識到“企業缺乏的部分理論知識，恰好是同學們課堂學習的內容”。面對海量的一線生產數據及難以避免的工業副產品，企業方經常因為研發能力不足而導致創新有限；而學生日常課堂所學的知識，剛好能夠應用于企業的實際生產中，幫助企業解決部分生產難題。因此，當筆者在課余時間與學生進行討論的時候，他們最常提出的一個問題就是“我們畢業后能在企業做什么？”筆者意識到這些“少年英雄”急于找到“用武之地”。而大學生創新創業訓練項目剛好就是一個非常合適的平臺，能讓大學生們在校園時代實現“現學現用”，在專業理論課與實驗課的基礎上，解答一道沒有標準答案、卻有更優解的題目。基于對現有教學框架下材料專業大學生知識體系的了解，結合學生們對于企業生產研發的好奇心，培養他們對于利用學術專業知識點解決企業技術難題的興趣，讓興趣成為材料專業大學生自主實踐的驅動力，讓他們在實踐過程中學會獨立思考、敢于質疑、不斷創新。

打造適用于新工科背景下材料專業大學生創新實踐訓練模式，可利用企業搭建適用于材料專業本科生的創新實踐平臺，堅持興趣引領的產學研一體化的教育模式。近年來，筆者通過與相關企業保持著密切交流，在大創項目實施過程中與不同年級材料專業本科生進行積極互動與討論，了解他們對于材料學科知識及其相關行業的困惑，將科研項目中的部分基礎理論研究及實驗探索內容用來設立大創項目，結合材料專業本科階段教學內容，引導大學生聚焦產業前沿動態，培養學生對于將課堂所學的專業知識應用于產業中具體的研發問題的興趣，利用興趣催化作用提高大學生的科研積極性，培養他們勇于創新的探索精神和敢闖會創的意志品格。經過幾年的探索，目前已初步形成了一套材料專業人才的創新訓練培養模式。

二、指導理念及具體做法

為深化大學生創新實踐訓練模式的改革，促進大學生創新創業訓練計劃的可持續發展，培育高質量的大創項目需要緊緊把握培養模式的問題實質與方法論要求，從“大創項目可以為學生們提供什么”的角度出發，真正明晰大創模式的邏輯起點，為大學生創新訓練提供有力理論支撐和現實保障，培養適應科技創新型國家建設需要的高水平材料專業人才。

進行為期三年的實踐與探索后，筆者帶領廈門大學材料學院本科生成功申請獲批國家級大創重點項目1 項、校長基金項目2 項、國家級大創項目3 項、省級大創項目1 項、校級大創項目1 項。下文將以廈門大學國家級大學生創新創業訓練重點項目“基于雜質自催化作用回收單晶硅切割微粉的探索”為例，探索基于興趣催化作用的新型工科人才培養模式的路徑。

（一）立足產業需求，打造梯度團隊

大學生創新訓練項目應該緊密圍繞經濟社會發展和國家戰略需求，能夠嵌入與專業相關的現有產業鏈的關鍵環節，項目內容的主題應具有一定的學術價值和現實意義。光伏能源因其資源無限、清潔環保、安全可靠的特點，成為解決能源問題最重要的新能源之一。為實現我國2030 年“碳達峰”和2060年“碳中和”的目標，光伏行業具備長期的發展前景和空間。晶硅太陽能電池是目前商業化程度最高的太陽能電池，隨著光伏產業的發展，太陽能級硅片作為晶硅電池的基底材料，其需求也逐年增長。但是，隨之產生的光伏切割固廢造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染，成為制約光伏產業發展的瓶頸之一。隨著優質硅礦石資源的不斷枯竭，將晶硅切割粉廢料再生制造成高純硅已經成為行業亟待解決的關鍵問題，對硅資源的高效利用和降低光伏發電總成本意義重大。因此，研究一種高效的回收技術來提純金剛線切割粉中的高價值組分，實現光伏剛線固廢的循環利用已成為當前半導體硅片制造工藝研究的一個熱點。

本文大創案例的研究對象是光伏材料產業鏈中的關鍵固廢材料——太陽能級晶硅切割粉。筆者從多家光伏企業合作過程中了解到，企業目前是將切割粉進行囤積或直接以極低價格售賣給建筑材料廠家，并無對切割粉進行高值化回收的產業化技術方案。因此，在與相關光伏企業進行充分交流后，企業表達了希望能夠由高校來對切割粉固廢進行表征及提出回收方案，企業安排相應研發人員參與該項目的研究過程；在現有合作基礎上，由筆者擔任校內指導教師，企業一線研發人員擔任校外導師，與高校本科生共同組建一支多梯度的研發團隊。

大創項目的內容設計與具體執行，關鍵是打造一支具有執行力、競爭力、創造力的梯度團隊。正如舒爾茨等人指出的，人的資源是所有資源中最重要的。首先，校內指導教師在團隊中扮演的角色包括研發內容框架的設計師、整合各方資源的聯絡員、引導學生開展深層次創新訓練及初步學術研究的指導者；其次，企業一線研發人員是本團隊中的校外指導教師，提供實驗所需的原材料、工藝信息，并從企業視角指導本科生開展實驗；最后，材料專業本科生是本大創項目的核心成員，承擔本項目的具體研究任務，對研究方案進行可行性論證。通過三方緊密配合，校內指導教師可以根據材料專業本科生的理論知識水平，對大創內容框架進行合理設計；校外指導教師則可根據產業研發具體方向及方法，將大創內容的創新點與實際研發重點進行有機結合；材料專業本科生根據校內外導師的指導，可快速明晰光伏產業中關鍵材料回收難題的科學屬性，靈活運用現有知識體系，大膽嘗試解決具體科學問題。

（二）激發學生興趣，感受科研魅力

興趣驅動力對于有效提高大學生創新意識和思維具有關鍵作用。［2］大學生創新訓練項目為材料專業本科生提供了一個能夠接觸實際產業與科學研究的交匯點，依托大創項目的研究將產業難題、前人的思辨觀點連綴起來，努力探索與發現看似龐雜事物背后的科學規律。具體做法如下：首先，大創團隊中的本科生通過實地走訪企業生產線及大量調研工作，切實了解金剛線切割硅粉的產生過程及回收難題，學生根據光伏企業的具體需求搜集廈門大學分析測試平臺相關信息后與企業實現對接；其次，在多次討論及互訪后，科研團隊共同制定研發方案；最后，廈門大學科研團隊對具體的問題進行深入研究并提出優化方案，企業對其進行小型試驗并反饋至廈門大學科研團隊，在一次次“提出問題、發現問題、解決問題”中采用科學方法攻克具體的技術難題。

在大學生創新訓練項目實施過程中，指導教師可從以下三個維度激發學生科研興趣：

興趣激發點1：團隊協作，施展特長

梯度團隊是順利開展大學生創新訓練的有力保障。通過在廈門大學材料學院平臺公布大創項目信息后，本科生根據自身興趣及特點進行自主選擇，并在與校內外指導教師進行充分溝通后加入該項目技術團隊。通過校外指導教師帶領團隊實地走訪企業，學生們發現了企業車間囤積的大量切割粉廢料，切身感受到大量切割硅粉由于沒有低成本、高效的回收方法而被廢棄，如果處置不當會造成嚴重環境污染。通過校內外導師背景介紹及實地走訪企業后，學生們對該項目產生了濃厚的興趣，幾位團隊成員根據自身的興趣點及特長進行自主選擇其在團隊中的主要角色，選任具有較強協調能力及溝通能力的同學為隊長，其余同學主要分為實驗操作組、理論分析組，具體分工可根據實際情況靈活安排。他們在假期主動完成部分文獻調研工作，并多次組織線上文獻綜述匯報，返校后迅速投入課題，利用課余時間進入實驗室開展課題實驗。采取團隊協作的方式不僅提升了訓練效率，更讓每位同學都能在項目中找準定位，實現通力合作與聯合技術攻關。此外，與實際產業對接的方式，大大激發了同學們的興趣點，頗具挑戰性。

興趣激發點2：自主創新，獨立思考

培養大學生的自主創新科研精神是大學生創新訓練項目的關鍵點。［3］經過企業實地調研后，學生們在校內導師的指導下開展有針對性的文獻調研工作，掌握文獻管理軟件、知識資源庫等的使用方法。在文獻調研過程中，不斷完善項目的實驗方案，并對方案進行可行性分析。文獻調研工作貫穿于項目實施過程，學生們結合專業課程所學習到的材料科學基礎與分析測試方法，對金剛線切割硅粉進行初步分析后，發現切割硅粉純度高達99%，具有極高回收價值。這一發現使得團隊十分興奮，他們根據研究對象的特點獨立制定了一套研究方案，并利用“機械制圖”課程上學習的CAD 制圖知識自行設計了實驗所需的模具，并在網絡購物平臺上找到商家進行模具訂制。在實驗過程中不斷提升效率，總結實踐經驗。在項目開展期間，幾位同學利用課余和寒暑假時間全身心投入項目的研究中，他們會為實驗的新發現而興奮不已，更多時候也會因為實驗的失敗而短暫失落，在實驗室里聽到他們最常說的話是：“原來科研就是起起——落落！”“實驗又失敗了，好難過！”“這不科學呀，不應該出現這個現象啊！”通過多次階段性討論，他們意識到失敗是科研過程中的常態，必須要付出汗水和持之以恒的努力，加上不斷反思和改進后才有機會收獲成果。經過系統的大創訓練后，幾位同學均對項目背景及實驗原理有深刻認識，不僅能夠獨立進行實驗操作，還能完成部分分析測試及數據分析。在不斷嘗試的過程中，學生們對大創項目的研究產生了更加濃厚的科研興趣，以更大的熱情投入該課題的研究中，形成良性互動與增益循環。在該大創訓練模式下，參與同學能夠根據實驗現象及文獻調研結果獨立提出實驗方案，通過對實驗過程中發現的現象進行細致分析與大膽暢想，同時，學會用科學方法驗證他們的奇思妙想。

興趣激發點3：產學研用，學以致用

在大學生創新訓練項目中構建“產學研用”相結合的創新訓練體系，是提高本科生自主創新能力的必由之路。在大創項目的選題、內容設計及執行反饋過程中，應將“產學研用”的思路貫穿始終，牢記四個訓練重點“生產、學習、科研、實踐”。首先，本科生們可以走出校園，利用公司的生產設備開展新技術研發，回到校園利用廈門大學材料學院基礎研究平臺對產品進行系統研究，校企合作可為本科生提供更大的實踐平臺，綜合提升本科生的創新訓練效果，為項目帶來實踐活力與研發熱情。在本案例中，本科生們通過大創項目的執行，有機會走入光伏行業生產一線，接觸光伏材料產業鏈條中的關鍵環節，把握研發重點及潛在突破口。校內導師對項目內容進行設計時，將實際研發需求與課堂教學內容相結合，引導學生利用課堂所學專業知識，剖析技術難題，降低學生進入課題研究的難度閾值。由具有一定行業背景的企業研發人員擔任校外指導教師，可以讓學生們在項目推進初期便能了解產業化研發思維，綜合考慮成本、效率與應用前景，有助于提出更加合理有效的研究方案。通過“產學研用”整合平臺優勢，避免形成有效資源的空轉，實現資源共享，建立多層次的學術交流平臺及成果轉化渠道。

（三）參加科創競賽，拓寬科研視野

科創競賽是檢驗大學生創新訓練效果的有效途徑之一，可使學生獲得更大興趣和驅動力。通過參加科創競賽可以達到三個目的：一是獲得一個展示項目研究背景與成果的舞臺，通過理順研究思路來講好科創故事；二是借助比賽契機，在夯實大創項目研究基礎的同時，發現研究過程中存在的問題并及時調整研究方向；三是與其他科創團隊進行深入交流，學生的科研技能得到提升、研發思維得到拓展。借助科創競賽，可促使本科生從實驗室走向公眾視野，將信息輸入模式切換為信息輸出模式，向大眾展示研究工作與成果，在團體競爭中獲得更大興趣和驅動力。在大創項目案例實施過程中，筆者不斷鼓勵大創團隊參加各項科創競賽。在大創項目執行期間，幾位團隊成員先后獲得第五屆全國大學生材料設計邀請賽（MDC）特等獎，廈門大學第七屆節能減排社會實踐與科技競賽二等獎，第十一屆廣東大學生材料創新大賽三等獎，第八屆福建省“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎。此外，幾位同學在項目研究過程中撰寫的國家發明專利“一種回收太陽能級硅金剛線切割廢料的方法”，已獲得正式授權。通過參加科創競賽，本科生們拓寬了科研視野，認識到創新是企業發展的驅動力，通過科技創新能夠提升企業的產品質量和市場競爭力。該經歷有助于幫助本科生理解國家政策和行業發展動向，明確企業的主要研發方向。科創競賽評審方式采取項目申報書和現場答辯的方式進行，本科生團隊在撰寫項目申報書的過程中，從行業背景、研究方案與創新點、可行性驗證等方面進行細化分析，發現了該大創訓練項目實施過程中存在的問題。此外，在現場答辯的過程中，評委在咨詢和點評的過程中幫助他們發現問題，提出了寶貴的創業輔導建議。經過多輪比賽點評，本科生們更加明確了產品的研發設計要往節能環保、高性能的方向努力，要以可持續發展為目標。此外，科創競賽為本科生們提供了一個高水平的合作交流平臺。當團隊成員參賽時，除了團隊自身的展示，本科生們還可以近距離了解到其他優秀大創項目，與相關團隊成員進行交流，拓寬科研視野。科創競賽是展示本科生創新思維的重要載體，也是促進優秀本科生互相交流、思想碰撞的重要平臺。以科創競賽為載體，可進一步激發學生對科技創新的興趣，在興趣催化作用下夯實學業基礎，提升科研素養，增強創新精神。

三、結語

經過三年多的探索，筆者深刻體會到培養大學生科研興趣是科研訓練中的首要環節。如何建立一種具有材料專業特色的創新人才培養模式，首先，需要引領大學生了解產業前沿動態，主動探索產業鏈中的運作機制；其次，積極引導大學生主動調研，并參與制定研究方案，掌握實驗技能及分析能力；最后，鼓勵大學生在科創競賽中不斷夯實理論基礎，提升科研水平，擴展視野。該模式有效提升了學生的綜合創新能力，實現了學生的學術思維和企業思維的有機結合。筆者將在材料領域繼續探索及完善人才培養模式，努力推進實踐教學資源共建、優化資源布局，為高校材料專業人才培養貢獻一份力量。