新工科背景下功能材料專業實驗教學模式探索

李廣環 龍濤 黎相明

［摘 要］ 針對目前功能材料實驗實訓體系教學中的實驗過于機械化、學生對實驗實訓不重視、教學內容興趣不高的問題，對功能材料專業實驗實訓體系進行改革。梳理實踐教學目標和現有實驗教學內容，重構實驗實訓體系，以新工科內涵為指導，加強與材料各相關專業的交叉融合。采用目標導向式實驗實訓方法，將實驗實訓模塊化并形成體系，提升學生的專業交叉溝通能力、團隊協作能力、實驗規劃和管理能力，實現多模塊、多層次實驗教學環節協同，強化學生實驗技能和創新實踐能力的培養。實踐表明，上述改革的教學方法能夠有效激發學生的實驗興趣，提高其解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］ 功能材料；實驗實訓；新工科；目標問題導向式教學

［基金項目］ 2022年度廣東省高等教育教學研究和改革項目“新工科背景下功能材料專業實驗實訓體系的構建”（71013307055）；2021年度廣東石油化工學院教學改革項目“新工科背景下功能材料專業實驗實訓體系的構建”（1234544）；2020年度廣東石油化工學院人才引進項目“非貴金屬催化劑研制及電化學性能研究”（520107）

［作者簡介］ 李廣環（1983—），男，內蒙古錫林郭勒人，博士，廣東石油化工學院材料科學與工程學院高級工程師，主要從事實驗室管理及新能源材料研究；黎相明（1991—），男，廣東湛江人，博士，廣東石油化工學院材料科學與工程學院副教授（通信作者），主要從事教育教學及新能源材料研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）25-0144-04 ［收稿日期］ 2022-09-09

目前，我國正處于經濟結構調整和發展方式轉變的關鍵時期，培養具有創新能力和解決復雜問題能力的多樣化人才成為我國高校教學改革的重要方向［1-2］。2017年2月以來，國家積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，全力探索和打造工程教育中國模式，助力高等教育強國建設［3］。廣東石油化工學院是廣東省高水平理工科大學建設高校，是新工科背景下省域高等工程教育改革的重點高校，以培養應用技術型人才為主要目標，旨在為地方培養技術應用型骨干人才，要求畢業生完成學業后具有較強的實踐動手和操作能力，以及解決實際生產復雜問題的能力。

實驗實訓教學作為創新型人才培養的重要環節，對學生的動手能力和解決實際問題能力的培養至關重要。功能材料專業是本科教學的一類基礎學科，我國目前有60所高校開設了功能材料專業。在專業教學過程中，研究如何構建提升學生分析解決實際工程問題能力的實驗實訓體系具有十分重要的作用。本論文將通過梳理實踐教學目標和現有實驗教學內容，重構實驗實訓體系，以新工科思想為指導，加強與材料各相關專業的交叉融合。采用目標導向式實驗實訓方法，將實驗實訓模塊化并形成體系，提升學生的專業交叉溝通能力、團隊協作能力、實驗規劃和管理能力，實現多模塊、多層次實驗教學環節協同，強化學生實驗實踐能力和創新能力的培養。

一、傳統功能材料實驗實訓教學現狀

功能材料實驗實訓是功能材料專業教學中非常重要的環節，通過一系列的實驗實訓教學，學生能夠將理論應用于實踐，有利于培養學生的實踐技能、創新能力和解決復雜工程問題的能力［4］。然而目前大多數高校受教學時間不足、實驗條件缺乏或實驗設計方案不合理等多因素影響，開設的實驗課程往往都是從理論上對實驗的目的、原理以及應用進行講述，然后進一步進行固定的實驗操作，大多數情況下學生不需要分析和創新，難以實現真正意義上的將專業理論運用于實踐［5-6］。在此教育模式下學生的思維僅停留在機械性驗證，限制了學生對實驗過程的思考，發散思維被束縛。此外，傳統的實驗教學更偏向于理論，而理論方面的實驗過分強調掌握基礎理論知識，在綜合實驗過程中通常的做法是首先按照規定好的實驗步驟進行實驗，然后對實驗思考題進行理論上的解答，忽略了在實驗過程中教師目標問題導向下，讓學生自行發現問題、分析問題和解決問題。傳統的實驗均要依附于理論課程，綜合實驗也要依附于理論課程［7］，功能材料開設的實驗一般包含化工原理實驗、無機化學實驗、分析化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗、材料加工實驗、功能材料綜合實驗等。各個學校開設的實驗課程都是以往的經典實驗，這就會帶來一些問題，比如開設的實驗僅僅是驗證性實驗，并沒有培養學生的發散思維與舉一反三的能力；再如實驗內容太單一，學生做實驗時無法聯系日常生活而提不起興趣。所以在教學過程中，可適當結合國際相對比較前沿的新型功能性材料來增加學生對本課程的興趣，激發學生學習的熱情。

二、功能材料實驗實訓教學模式構建

（一）功能材料實驗實訓教師隊伍改革

功能材料專業是根據材料與技術的發展趨勢以及國家產業界對相關人才的迫切需求而設立的多學科交叉專業。然而，在傳統的師資隊伍中，幾乎所有的專業課教師都是材料、化學或化工專業背景出身，大部分專業教師都是從學校畢業后直接進入學校工作，沒有企業工作經歷，對實驗結果過于理想化，很難應用于真實場景［8］，因此，在建設師資隊伍時還需其他經驗較豐富的相關專業的教師，這樣就可以及時解決實驗課程中存在的問題，學生也能對實驗過程中所出現的異常情況有較為清晰的認識，具體提出如下方案。

1.教師必須具備專業理論、安全應急等方面的知識，同時具備一定的學歷，具有相關專業相應的資格證書，確保實驗實訓師資隊伍的專業性。

2.師資隊伍中應有一定數量的具有企業工作經歷的教師，此外還應有專業相關如數據處理、儀器維護和分析的教師，確保培養體系的完整性。

（二）功能材料實驗實訓教學改革新模式

1.目標問題導向式教學。激發學生自主學習及創新實踐熱情，通過適當的方法引導學生學習和創新的積極性是迫切需要實現的目標。目標問題導向式教學就是依據專業人才培養目標與課程教學目標對學生全面綜合素質的要求，融合課程具體教學內容，精心設計循序漸進式的可促進學生自主學習、激發學生學習興趣的多種類型教學問題，把目標素質要求化為問題體系，有效指導教學設計，促進課程教學有效逼近人才培養目標［9］。設計的問題應包括實驗基本操作問題、實驗重點操作問題、實驗難點操作問題。對于實驗基本操作問題，學生通過閱讀實驗教材及按步驟操作就可以解決；對于實驗重點操作問題，需要學生進行一系列簡單的操作來達到綜合實驗的目的，需要學生動腦思考；對于實驗難點操作問題，由教師給出一個實驗，需要學生自己結合課程前后所學設計實驗步驟。在實驗教學中應該讓傳統的“灌輸式”教學模式比例進一步縮小，給予學生自由實驗和創新的空間。教師可利用微信、雨課堂提前發布功能材料實驗實訓PPT、相關學習鏈接等相關信息，學生可以及時學習，將實驗預習碎片化，同時增加了師生間的溝通頻率。為了提高學生對專業認識的興趣，在微信或雨課堂中推送標準實驗視頻，讓學生對經典實驗有所了解。另外，在網絡上向學生展示大學期間涉及的各類實驗室的基本情況，使其了解功能材料未來就業方向、實驗設計理念、實驗課程設置情況、實驗儀器與設備以及在大學四年將接觸到的各類創新創業比賽等，同時也會借助一些典型實驗案例向學生進行演示，使學生對專業概念形成更具體的認識，提升學生的學習興趣。將實驗室安全教育作為首要的重點問題，圍繞實驗實訓的內容，重點對學生平時不重視的問題，比如安全用電、設備安全操作規程進行培訓，并將安全規范操作計入考試。涉及的實驗實訓內容要做到重常識、重應用、不給出詳細操作步驟，教師的講解要簡明扼要、重點突出，更多地引導學生，幫助學生主動思考，將更多時間留給學生思考和動手操作。讓學生發現奧妙，發揮學生的創新實踐熱情。

2.建設“基礎性、提高性、綜合性、開放性”模塊實驗實訓體系。為適應不同層次學生的需要，功能材料專業的實驗教學體系由“基礎性、提高性、綜合性、開放性”四模塊教學內容構成。化工原理、無機分析、有機物化實驗是專業基礎實驗課，重點建設的內容定義為“基礎性”模塊。“提高性”模塊重點是和材料科學基礎、電子化學品材料、能源材料等緊密相關的實驗內容，例如半導體器件的封裝、電解水制氫氣、納米催化劑設計等實驗。“綜合性”模塊是構建集制備、提純、分析、表征、應用于一體的綜合性實驗，增強各科知識點的交叉融合，促進學生靈活運用知識點，掌握完整的知識體系，從而提高學生的綜合素質，培養學生解決復雜問題的能力。“開放性”模塊主要針對學有余力的學生，利用閑暇時間，開展創新創業實驗，培養學生的創新創業精神和意識。在“開放性”模塊中設置有科技文獻查詢及總結、項目申請、開題報答辯、中期檢查、結題以及論文撰寫等內容，配有專業教師對每個環節進行精心指導，切實培養了學生獨立開展科學研究課題或項目開發的能力。

3.功能材料專業實驗實訓創新、創業平臺創建。在實驗教學平臺方面創建與功能材料專業實驗實訓培養體系相適應的四級實驗教學平臺：功能材料專業基礎訓練實驗平臺、專業提升實驗教學平臺、綜合提升實驗教學平臺和創新創業設計教學平臺。（1）功能材料專業基礎訓練實驗平臺：主要面向一、二年級學生開設功能材料學科基礎和專業基礎課程方面的實驗，包括化工原理實驗、無機化學實驗、分析化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗以及計算機在材料科學與工程中的應用等。專業基礎實驗教學主要是對學生進行材料學科基礎知識、基本實驗方法和基本操作的訓練，主要培養學生的基本實驗技能。（2）專業提升實驗教學平臺：主要面向二、三年級學生。從專業系統性出發，分別從功能材料的制作、合成電化學品高純試劑提純、電化學品合成、電化學品器件組裝及測試四個方面設置了功能材料專業提升實驗模塊，實驗內容包含材料合成設計、材料結構表征、材料組裝、性能測試與分析、應用評價等方面，對學生進行專業提升實驗系統訓練，主要培養學生的專業知識、實驗方法和手段的綜合應用以及工程意識。（3）綜合提升實驗教學平臺：面向三、四年級學生。從提升訓練出發，以Capstone課程為抓手，建立綜合提升實驗教學平臺。該平臺是以三、四年級學生為對象，在專業且有能力的教師指導下，2～3人一組組成團隊，運用掌握的各種實驗技能和分析能力解決課程實驗的綜合問題。該平臺可以幫助學生梳理本科階段所學知識，大幅度提升學生的綜合能力。以功能材料綜合實驗室、分析測試中心以及學校的創新創業學院為依托，建立企業聯系平臺，組織師生深入企業，邀請掌握先進工程技術的企業工程師進課堂。培養學生理論和實踐結合的思維，打造一支和企業需要結合緊密的應用型人才隊伍，成為普通高校發展新工科并實現跨越發展的重要動力。（4）創新創業設計教學平臺：該實驗平臺主要依托功能材料專業實驗平臺、科研實驗室、學院的精密儀器分析平臺和學院的聯合實驗平臺，例如廣油—美聯新材料研究院、廣油—豐能高新技術研究院、廣東省橡塑材料制備與加工工程技術開發中心等科研平臺而構建，圍繞功能材料特別是電子化學品領域，結合具體的創新項目課程，由各課題組結合自己的研究方向設置實驗，實驗教學內容不僅要與本學科前沿緊密結合，還要與工程應用以及發明創造密切聯系，該平臺面向各級本科生開放，重點面向高年級本科生開放，培養學生的創新能力和實踐能力。

結語

功能材料專業是國家大力倡導的戰略性新興產業相關專業，沿襲了材料學科實踐性較強的特點。新工科背景下功能材料實驗實訓體系的建設對于培養學生的動手能力和解決問題能力具有重要意義。廣東石油化工學院功能材料專業以新工科背景和高水平理工大學建設為契機，經過多年探索實踐構建的遞進式綜合實驗訓練體系，注重目標問題導向式教學，并重視將科研成果與教學的結合，具有綜合訓練程度高、實踐應用性強的特點，在教學內容和教學方法上形成了具有較強專業特色的綜合實驗實訓體系，切實培養了學生的專業綜合創新能力。

參考文獻

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［9］李廣環，龍濤，任合剛，等.以提高學生化工安全與環保能力為目的的教學改革研究［J］.化工設計通訊，2021，47（4）：92-93.

Abstract： In view of the problems that the experiment in the current functional material experimental training system teaching is too mechanized， the students do not pay attention to the experimental training and the teaching content is not high， the functional material experimental training system is reformed. Sort out the practical teaching objectives and existing experimental teaching contents， reconstruct the experimental training system， and strengthen the cross integration with materials related majors under the guidance of the new engineering connotation. Adopt the objective- oriented learning method， modularize the experimental training and form a system， to improve the students professional communication quality， team cooperation quality and experimental management quality， achieve effective cooperation in multi-level experimental teaching links， and strengthen the cultivation of students experimental skills and innovative practice ability. Practice shows that the above teaching methods can effectively stimulate students interest in learning and improve their ability to solve complex engineering problems.

Key words： functional materials; experimental training; emerging engineering education; objective-oriented learning