新工科創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)探索

［摘 要］ “納米合成制備實驗”課程是納米材料與技術專業(yè)的必修環(huán)節(jié)實驗課程。針對目前傳統(tǒng)工科實驗教學中存在的一些亟須解決的問題，基于新工科建設的發(fā)展趨勢，以創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)為目標，對“納米材料合成制備實驗”課程教學模式進行改革探索。主要措施包括：以科教融合設計綜合設計性實驗項目；以線上線下混合式教學提升教學效率；以多元化考核完善實驗教學考核評價體系，改進教學并提高質量。通過以上改革探索，學生的綜合素質得到較大提升。第一屆納米材料與技術專業(yè)畢業(yè)班深造率為61.1%，就業(yè)率達97.2%，表明北京工業(yè)大學“納米材料合成制備實驗”課程改革取得了良好的成效，為新工科背景下納米材料與技術專業(yè)其他課程改革提供了思路和參考依據(jù)。

［關鍵詞］ 納米材料合成制備實驗；教學改革；創(chuàng)新型工程人才

［基金項目］ 2022年度北京工業(yè)大學教育教學研究課題重點項目“‘雙碳’目標下的‘四位一體’本科教育模式創(chuàng)新與改革研究——以‘納米材料與技術’專業(yè)教學模式創(chuàng)新為例”（ER2022RCA01）；2022年度北京工業(yè)大學“課程思政”示范課程培育項目（KC2022SZ004）

［作者簡介］ 姜前蕾（1983―），女，河南扶溝人，工學博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部實驗師，主要從事納米材料實驗研究；劉晶冰（1978—），女，河北廊坊人，工學博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部副教授，碩士生導師，主要從事納米材料與技術研究；王如志（1973—），男，湖南邵陽人，工學博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部新能源材料與技術研究所所長，教授，博士生導師（通信作者），主要從事納米材料與技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）10-0061-05 ［收稿日期］ 2023-02-17

隨著新興經(jīng)濟和新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，我國對滿足新興經(jīng)濟和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需要的新工科人才的要求標準越來越高［1］。相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才［2］。然而，以往的人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對新工科創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)要求［3］。為此，高校在結合新興經(jīng)濟和新興產(chǎn)業(yè)特點，加快建設和開展新工科專業(yè)，推動現(xiàn)有工科專業(yè)改革創(chuàng)新的同時，構建新工科背景下以工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為核心的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)新興經(jīng)濟和新興產(chǎn)業(yè)急需的緊缺人才，以及引領未來技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型工程人才，已經(jīng)成為全社會的需要和共識［3-4］。

納米技術是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的共性技術，對新材料/超材料、新能源/綠色環(huán)境、納米催化、智能技術等前沿技術具有支撐作用，帶動著相關產(chǎn)業(yè)和技術的興起。因此，培養(yǎng)具備科學品格和創(chuàng)新思維能力的納米技術創(chuàng)新型工程人才，對滿足國家戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求極為重要，是新工科背景下高等院校納米材料與技術專業(yè)的緊迫任務之一［5-7］。“納米材料合成制備實驗”課程是納米材料與技術專業(yè)的一門實踐必修課。通過“納米材料合成制備實驗”課程的學習，學生可以了解納米材料的各種制備方法及其優(yōu)缺點，掌握典型的化學和物理法制備零維、一維、二維、三維納米材料的基本步驟及工藝過程，提高學生的實踐能力和分析問題、解決問題的能力，為以后從事納米材料制備與應用的研究、開發(fā)和生產(chǎn)打下基礎。然而，傳統(tǒng)的“填灌式”的工科實驗教學模式難以培養(yǎng)符合時代發(fā)展要求的高素質納米技術創(chuàng)新型工程人才，仍存在一些問題亟須解決［8-9］。為此，本文主要以北京工業(yè)大學納米材料與技術專業(yè)本科生為研究對象，針對傳統(tǒng)工科實驗教學過程中存在的問題進行深入思考，以“納米材料合成制備實驗”課程教學為例，在教學內容、教學方法、評價考核等方面，進行大膽的改革、創(chuàng)新與探索，以期為新工科背景下納米材料與技術專業(yè)其他課程的改革和實踐提供思路及參考依據(jù)。

一、傳統(tǒng)工科實驗教學模式分析

傳統(tǒng)的工科實驗大多數(shù)以驗證性實驗為主，實驗教學依附于理論教學，其內容通常是理論教學中的理論或定律的驗證，內容相對陳舊，與科學技術發(fā)展和現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的實際應用相脫節(jié)。實驗教學有著固定的模式，一般都有編印的詳細的實驗指導書，教師根據(jù)實驗指導書講解實驗內容，示范實驗操作，學生只須按照指定的步驟和要求按部就班地完成實驗及實驗報告，整個實驗過程中，學生處于被動學習的狀態(tài)。實驗成績主要由實驗報告和出勤情況決定，評分標準粗放，實驗成績缺乏公正性。這種傳統(tǒng)驗證性的實驗教學，實驗內容和實驗步驟固定，缺乏與最新研究進展和實際應用相聯(lián)系，教學方法單一，沒有對學生預習、實驗操作等過程做全面評價，難以有效地激發(fā)學生對實驗的探索和思考，不利于科研創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)。為此，我們對“納米材料合成制備實驗”課程進行了教學改革探索，優(yōu)化了課程內容，創(chuàng)新了教學方法，改革了考核機制，以突破傳統(tǒng)實驗教學內容和方法的局限，希望對學生實踐動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)起到積極的作用。

二、全新的實驗教學模式探索

（一）科教融合綜合設計性實驗項目的設計

傳統(tǒng)工科實驗教學內容的設置多依附于理論課程，經(jīng)典驗證性實驗偏多，而當前各學科知識迅猛發(fā)展，實驗方法和技術手段日新月異，原有的實驗教學與科學前沿研究和應用實踐相脫節(jié)，實驗方法和技術手段嚴重落后，難以滿足新工科背景下高素質創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的要求。因此，在“納米材料合成制備實驗”課程的內容設置上，我們突破了傳統(tǒng)教學的局限，結合國內外前沿研究和當前實際應用，將多學科知識交叉融合，優(yōu)選8種典型的納米材料合成制備方法，設置8個綜合設計性大實驗（每個實驗8個課時），分別為：（1）水熱法制備一維金屬納米線；（2）電化學沉積法制備電致變色薄膜；（3）溶膠-凝膠法制備光學薄膜；（4）抽濾法制備二維納米通道膜；（5）旋涂法制備納米自清潔涂層；（6）真空熱蒸發(fā)法制備Al金屬薄膜；（7）磁控濺射法制備Cu金屬膜；（8）等離子體增強化學氣相沉積法制備GaN薄膜。課程內容包含水熱法、電化學沉積法、溶膠-凝膠法、抽濾法、旋涂法、真空熱蒸發(fā)法、磁控濺射法、化學氣相沉積法等典型的化學與物理的制備零維、一維、二維、三維納米材料的典型合成方法，涉及物理化學、電化學、固體物理、材料分析與測試方法、生物傳感技術、半導體材料、薄膜物理與技術等多門專業(yè)知識，并融入北京工業(yè)大學材料物理化學教研室多個課題組科研工作的最新進展和國際前沿研究領域的基本理論、技術以及現(xiàn)代大型儀器的使用操作。如：北京工業(yè)大學材料物理化學教研室在電致變色材料、納米通道結構金屬有機骨架材料、自清潔涂層、第三代半導體材料GaN等領域的研究，均處于世界或國內領先水平，將這些充滿挑戰(zhàn)，又具有前沿性、應用性的熱門研究課題有機糅合進實驗課程，把學生置于科研課題研究者的地位，有利于學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。本實驗課程不僅在內容上融入上述課題組的最新研究成果，實驗場所和實驗條件也依托于課題組的科研實驗室，如實驗教學中用到的真空鍍膜機、磁控濺射沉積系統(tǒng)、等離子體增強化學氣相沉積系統(tǒng)等大型儀器設備，均是課題組所擁有的當前國際上先進的材料制備設備，本實驗課程涉及的所有實驗均可在課題組科研實驗室內完成，這種先進的科研平臺和實驗條件不僅能使學生耳目一新，而且能開擴學生的科研視野，激發(fā)學生對科研試驗的探索積極性。此外，這些綜合設計性實驗內容設置復雜，涉及面廣，一個實驗融入了多門學科知識和多種實驗方法、手段，比如，在“水熱法制備一維金屬納米線”實驗中，學生可根據(jù)自己的研究興趣，自行設計實驗方案，自主選擇不同的反應溫度和不同的反應時間，合成一維金屬納米線，并通過觀察表面形貌來評定不同合成因素對材料制備的影響規(guī)律。這就要求學生不僅要掌握水熱法合成一維金屬納米線的制備方法，還要了解和掌握不同合成工藝參數(shù)對金屬納米線形貌的影響及納米線形貌的表征測試技術。在“旋涂法制備納米自清潔涂層”實驗中，學生要學會利用不同尺寸的納米二氧化硅，獲取不同粗糙程度的表面，在粗糙表面修飾強疏水性材料，得到納米自清潔涂層，并通過測量接觸角等涂層浸潤性特征參數(shù)，了解粗糙表面和疏水性與涂層自清潔之間的規(guī)律，了解納米材料及其測試技術在自清潔涂層中的應用。這些實驗要求學生具備扎實的各科理論知識，并在實踐、應用的設計中融會貫通，提高綜合應用知識解決實踐問題的能力，開拓創(chuàng)新思維。

（二）線上線下混合式教學改革探索

傳統(tǒng)的工科實驗教學多為驗證演示性教學模式，即教師講解實驗原理、操作步驟、注意事項等，學生根據(jù)教師的演示或按實驗指導書中的實驗步驟進行實驗操作，學生撰寫實驗報告，教師批改實驗報告給出實驗成績。這種傳統(tǒng)驗證性實驗教學方法單一、操作步驟固定，學生的學習興趣不足，不利于學生獨立探索能力和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本實驗課程在傳統(tǒng)教學模式的基礎上，通過增加多媒體線上教學和研究生助教輔助教學等多樣化教學手段，建立了混合式教學模式，激發(fā)了學生的學習興趣，調動了學生的學習積極性和主動性。實驗教學從實驗預習開始，傳統(tǒng)的實驗預習通常是學生參照實驗指導書撰寫預習報告，這種抄書方式的預習效果較差，甚至加重了學生的學習負擔。在本實驗課程中，教師針對每個實驗制作多媒體視頻和課件，內容包含實驗相關理論知識、實驗目的、原理、裝置、操作步驟、注意事項等多個模塊。每個實驗的多媒體課件總時長在20分鐘左右，提前上傳到本校日新學堂教學平臺供學生觀看。學生在實際實驗之前，可以利用電腦或手機，隨時隨地觀看視頻進行自主預習，完成網(wǎng)絡預習后才能進入實驗室實際操作環(huán)節(jié)。同時，建立了實驗課程微信群，學生在預習過程中遇到問題可以隨時在群里留言提問，教師看到后會進行相應的解答和輔導；群里的問題討論，也有利于激發(fā)其他學生的學習興趣，引導學生對問題進行更深層次的思考。這種自由的實驗預習模式，不僅節(jié)約了課堂時間，還能有效改善教學效果。

由于本實驗課程教學會用到如真空鍍膜機、磁控濺射沉積系統(tǒng)、等離子體增強化學氣相沉積系統(tǒng)等大型實驗設備，這些大型設備數(shù)量少、價格昂貴、操作規(guī)范要求高，且部分設備一次實驗時間較長，而學生數(shù)量多，學時數(shù)有限，為了使學生深度參與實驗過程，教學時通常將學生分組，在一個課堂內同時開展幾個不同的實驗。由于一名教師要面對一個班的學生和多個實驗題目，需要不停巡視，回答或解決學生的問題。這就不可避免地出現(xiàn)當某位學生在實驗過程碰到問題急需教師指導時，實驗教師卻正在輔導其他學生，這種情況不僅教師勞動強度大、分身乏術，還會影響到學生對后續(xù)實驗的興趣和學習效果。很顯然，在有限的課時內最大限度地提高教學質量僅依靠教師是不夠的。本實驗課程的編排融入了本校材料物理化學教研室科研課題組的最新科研成果，且課程的開展依托科研課題組的科研試驗平臺，故課題組多數(shù)的碩士和博士研究生熟悉這些實驗的實驗原理、流程及設備操作，所以，如果讓具備熟練試驗技能和較高試驗能力的碩士與博士研究生參與指導本科生實驗課，有利于教學與科研的相互促進，推動本科生和研究生的共同發(fā)展與培養(yǎng)。為此，本實驗課程建立研究生助教機制，前期通過發(fā)布助教招募信息、學生報名、參加培訓、實驗操作及實驗講解、考核等一系列環(huán)節(jié)，選拔確定研究生助教，為教師所用，并服務于實驗課堂。每次實驗課可有多名研究生助教參與，每名研究生助教承擔6～8名本科生的實驗指導、實驗過程中的儀器管理和維護、課題組織討論和簡單問題答疑等工作，充分發(fā)揮“傳幫帶”作用，有效避免學生做實驗不知所措的情況，便于教師從忙亂中解脫出來，細致觀察課堂的整體情況，有針對性地進行實驗指導，并對研究生助教反饋的疑難問題進行重點解答。另外，增加反饋環(huán)節(jié)，在每次課后，研究生助教收集整理學生在實驗過程中出現(xiàn)的問題以及學生對實驗課的要求和建議，實驗教師對上述內容進行綜合分析，每年迭代改進，以提高教學效果。研究生助教機制有利于學生在自由放松的狀態(tài)下學習、思考和探索，能有效調動學生學習的積極性和主動性，對學生綜合素質的培養(yǎng)具有推動作用。

（三）多元化考核評價體系的建立

“納米材料合成制備實驗”考核內容如表1所示。

在課程考核方面，傳統(tǒng)的實驗課程重結果輕過程，實驗成績通常以考勤和實驗報告為主，學生對實驗知識和技能的掌握程度，個人自主探究能力、觀察動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力難以得到全面評判。本實驗課程增加考核環(huán)節(jié)并細化考核內容，多角度考查學生對知識的掌握程度及應用創(chuàng)新能力。學生的實驗成績分為三大部分，包括課前成績（20分）、實驗過程（30分）和實驗報告（50分）。課前成績包括考勤（10分）及預習情況（10分），實驗預習考核主要是通過提問了解學生對實驗相關基礎知識、操作、注意事項以及實驗規(guī)章制度的了解和掌握程度。實驗過程中的課堂表現(xiàn)情況（30分），則主要通過觀察學生實際操作的規(guī)范及熟練程度，出現(xiàn)問題后的應對解決情況等，考核學生的動手操作能力、解決問題的能力、團隊協(xié)作能力和科研創(chuàng)新能力。實驗報告分成三部分，包括結果與討論（15分）、思考題（20分）和實驗報告撰寫（15分），結果與討論能夠反映學生靈活運用所學知識進行分析問題、解決問題的能力；學生對思考題的回答，能側面反映學生的科研創(chuàng)新能力；實驗報告撰寫考核能讓學生端正學習態(tài)度，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。每次實驗均以這種方式分別給出課前成績、實驗過程成績和實驗報告成績，最終成績?yōu)槊看螌嶒灣煽兊木怠＿@樣的考核方式能比較真實多元地反映學生的綜合素質和能力，有利于調動學生對“納米材料合成制備實驗”課程學習的積極性。

結語

“納米材料合成制備實驗”課程的實驗教學改革連續(xù)在兩屆學生中實施后，取得了較好的教學效果。這種全新的實驗教學模式，學生普遍反饋新穎、有吸引力，能有效激發(fā)學生的求知欲和學習興趣，促使學生對待實驗的態(tài)度由被動轉為主動，在鞏固和加強學生專業(yè)知識與基本操作技能的同時，有利于學生創(chuàng)新意識和實踐動手能力的培養(yǎng)。第一屆納米材料與技術專業(yè)的36名學生，全部順利畢業(yè)，其中17人考取北京大學、北京航空航天大學、中國科學院以及京內211高校碩士研究生，4人前往英國帝國理工大學等海外著名高校深造，總深造人數(shù)為22人，深造率為61.1%；18人在中國兵器集團、北方華創(chuàng)、北京大興機場等國有企事業(yè)單位和私企單位就業(yè)，總就業(yè)人數(shù)為35人，就業(yè)率為97.2%。另外，教師的教學積極性和教學水平也得到提高，教師在熟悉的研究方向和專業(yè)特長領域進行實驗教學，科研與教學相輔相成、相互促進，在培養(yǎng)學生綜合實驗能力的同時，有利于教師產(chǎn)生新的科研思路。上述效果表明，北京工業(yè)大學對“納米材料合成制備實驗”課程改革探索行之有效，為新工科背景下納米材料與技術專業(yè)其他課程改革提供了思路和參考依據(jù)。總之，高校應緊跟時代發(fā)展潮流，積極進行實驗教學改革探索，勇于創(chuàng)新和實踐，以培養(yǎng)出更多符合社會發(fā)展需求的具備創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質工程人才。

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Exploration on the Cultivation of Innovative Engineering Talents under the Background of “New

Engineering Education”： Case Study on Reform of the Course Nanomaterial Synthesis and Preparation Experiment

JIANG Qian-lei， LIU Jing-bing， WANG Ru-zhi

（Faculty of Materials and Manufacturing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Nanomaterial Synthesis and Preparation Experiment is a required experiment course of major of Nanomaterials and Technology. Aiming at some problems that need to be solved urgently in the traditional engineering professional experiment teaching at present， based on the development trend of the new engineering construction， with the goal of cultivating innovative engineering talents， the teaching mode of the course Nanomaterial Synthesis and Preparation Experiment is reformed and explored. The main measures include： designing comprehensive and designed experimental projects by integrating science and education; Improving teaching efficiency with online and offline hybrid teaching; Improving the evaluation system of experimental teaching by diversified assessment to improve teaching and quality. Through the above reform and exploration， the comprehensive quality of students has been greatly improved. The first graduating class of Nanomaterials and Technology has a further education rate of 61.1% and an employment rate of 97.2%， which shows that our school has achieved good results in the reform of the experiment course of Nanomaterial Synthesis and Preparation Experiment， and provides ideas and reference for the reform of other courses of major of Nanomaterials and Technology under the background of new engineering education.

Key words： Nanomaterial Synthesis and Preparation Experiment; reform of teaching; innovative engineering talents