构建“B+X”实验教学体系 多维度促进材料类人才培养

吴文华，朱冰洁，施镇江，朱娟娟，郑伟龙，许佳丽，朱 蕾，谢卫民，史同娜

（1.东华大学 材料科学与工程国家级实验教学示范中心，上海 201620；2.上海万欣计算机信息科技有限公司，上海 200083）

习近平总书记在党的十九大报告中提出要“建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神”[1]；李克强总理在“十三五”期间提出“大众创业、万众创新”[2]的号召，鼓励高校师生投入到“双创”的浪潮中，积极开展教育创新实践。伴随着“中国制造2025”“互联网+”“双创”等一系列国家重大战略的推出[3]，如何主动适应创新驱动发展的国家需求，加强锻炼各专业本科生的创新能力、实践能力和就业能力，培养一批兼具技术性和创新性的高素质应用型人才，提高高等教育的办学质量和人才培养质量，是新时代赋予高校实验教学的任务与挑战。

1 建设背景

材料科学与工程是一门实践性很强的学科，因此实验教学在材料类人才培养过程中的重要作用日益彰显。我校材料科学专业建立于1954 年，是我国最早的高校高分子材料专业之一，其特色是化学纤维，其学科对国家和社会的最高贡献是解决了中国人的穿衣问题，是培养中国化学纤维工程师的摇篮。

为了更好地服务学科发展，满足人才培养的要求。我校材料科学与工程国家级实验教学示范中心（以下简称“中心”），对照“新形势、新发展、新要求”，发现以往的实验教学理念、体系、内容、方法和模式存在以下一些问题：实验教学理念落后，实验教学内容更新缓慢，实验教学模式和方法单一，在实验课程设计中，只注重教师怎么“教”，忽略了学生怎么“学”，多采用“传授—接受”式，重理论轻实践[4]、重结果轻过程。因受课时限制，在保留专业基础和经典内容外，学生没有更多的时间学习新知识、新技术和新工程内容。同样因受课时限制，在实验教学过程中照本宣科多、师生互动少，实验内容比较陈旧、拓展性知识少，学生听的多、动手操作少，被动学习多、自主探究少，这样的实验教学模式难以激发学生的学习兴趣，学生的个性化发展和创新能力培养受到制约，同时培养出来的学生知识和能力与社会、市场的要求相脱节[5]。

针对上述问题，2012 年在申报国家级实验教学示范中心的时候，中心提出了构建“B+X”（B 为必修，X 为选修）实验教学新体系，根据社会对人才的要求及学生个性发展的需求，积极探索多元化实验培养新模式，为学生按照自身发展需要自由选择实验模块学习创造良好的条件。让个性化教育、研究性学习贯穿实验教学体系的始终，进一步深化以学生为中心的开放式实验教学模式。

本项目经过多年建设与实践，在2017 年，“‘1234’模式构建‘B+X’实验教学体系，多维度促进材料类创新型研究及应用人才培养”项目获得“纺织之光”中国纺织工业联合会纺织高等教育教学成果二等奖，与该实验教学新体系相关的成果——“材料类专业人才多维度全过程培养模式的构建与实践”获得了2017年上海市教学成果一等奖，并获得了2018 年国家教学成果二等奖。

2 建设内容

从实验教学体系改革、创新教学理念、创新教学方式、改革教学内容及改革管理运行机制等方面，探索本科生创新能力和实践能力的培养体系，其核心内容是提出了“一个工作中心、二个学习平台、三种学习方式、四个培养着力点”的“1234”实验教学新模式并构建“B+X”实验新体系：即以“学生的全面发展和成才”为中心；以国家级实验教学示范中心实体平台和“互联网+”在线学习平台提供学习支撑保障；学生是学习主体，可以通过必修、选修（自选）、自学三种学习方式，按需求、按兴趣学习；4 个培养着力点本着“重基础、强实践、重创新、强应用”的人才培养目标，培养学生的创新研究能力和实践应用能力。本文重点介绍“B+X”实验教学体系的构建，促进材料类人才的培养。

“B+X”实验教学体系的主要内容有：（1）实验平台提供的课内课程。包括必修的实验课程体系和选修实验课程体系，来“强实践”。（2）实验平台提供的课外训练。包括大型仪器操作培训、科创项目、实验技能比赛及24 h 开放的自主实验等，来“重创新”。（3）在线教学平台提供的课内课件。包括教师讲授整个实验课程体系的实验原理、操作等的完整视频课件，及虚拟仿真实验项目，来“重基础”。（4）在线教学平台提供的课外课件。包括与学科相关的学习视频及虚拟仿真课件、实验室安全等课外知识，来“强应用”。

2.1 教与学辩证统一，创新实验教学理念

“B+X”实验教学新体系的核心是以学生的全面发展和成才为中心的教学理念，即在教学过程中以学生实际需求为出发点，正确处理“教”与“学”的辩证统一关系，树立以“教师为主导，学生为主体”的实验教学理念，教师应成为学生的指导者和引路人，学生成为学习的主体，在时间和空间多维度上让学生主动积极地参与实验教学，以便营造活跃的教学氛围。

树立以学生的全面发展和成才为中心，以培养学生实践能力、创新能力为核心，充分发挥学科交叉优势，以高水平科研引领和促进教学内容、方法和手段的改革与创新，促进学生知识、能力和素质的协调发展，培养具有强烈的创新意识和实践能力的材料类高素质创新型人才的教学理念。

2.2 B 与X 有机结合，创新实验教学体系

2.2.1 构建“B+X”实验教学体系，多维度创造学习时间和空间

“B+X”实验教学体系精髓就是把实验体系概念从课内扩大到课外，从课堂扩大到在线学习，从真实实验扩大到虚拟实验，在时间和空间上创造学习环境，让学习无处不在、无时不在。“B+X”实验体系共有以下三层含义：

（1）第一层含义是把专业实验课程体系中的实验分成两部分：必修实验（B）和选修实验（X）。保留学科经典基础实验作为必修实验（学分考核部分），增加学科前沿的创新性实验作为选修实验（不考核），从而减轻学生考试压力，又能使得学有余力的学生有机会接触前沿技术，拓宽学习的广度和深度。

（2）第二层含义是基础（B）实验+特色（X）实验。特色实验可以是学生课外科技活动，可以是项目创新实验，可以是大型精密仪器的培训，也可以是双语实验课程。

（3）第三层含义是线下实验（真实实验）+线上实验（虚拟实验）。线上实验可以是本专业课内选修实验视频课程（虚拟课件），也可以学习其他专业课内必修实验视频课程（虚拟实验），还可以是大型仪器设备培训使用视频课程（虚拟实验）等。多维度构建学习环境。

2.2.2 加强“三层次、七模块”实验课程体系，突出材料专业人才培养

构建“三层次、七模块”材料专业实验课程体系（见图1），遵循“由浅入深、注重交叉、强调综合能力培养、鼓励创新”的原则，坚持“一个核心、四个结合”，以培养学生的动手能力、工程能力和创新能力为核心，坚持理论教学与实验教学结合、实验教学和工程实践结合、实验教学和科学研究结合、课内实验和课外科技活动结合。

图1 “三层次、七模块”材料专业实验课程体系

“三层次、七模块”的材料专业实验课程体系建立的关键是：实验内容的优化组合，保留经典的实验内容和方法，增加综合性、设计性实验；加大仪器设备的投入，引进先进的测试手段和方法；根据学科特点，注重专业知识的技能应用，增加工艺性、应用性实验项目，转化先进的科研项目为实验内容。

第一层次的实验主要是材料科学基础实验，面对全校6 个专业方向的所有学生。在这个阶段学生已经学习了材料专业基础课程，初步掌握了材料大类的相关知识，开设的实验内容主要是材料共性测试。在这个层次实验中，主要注重两个方面的培养：第一是掌握先进的测试手段，第二是了解和熟悉各种材料的性能，通过对比不同材质材料“同种”性能，认识材料的共性和异性特征，更好地掌握一级学科知识点。几乎在所有的实验中都使用了多种测试样品，第一层次实验内容的设计符合“宽口径”人才培养要求。

第二层次的实验包含“三个模块”（高分子材料专业基础实验、复合材料专业基础实验、无机非金属材料专业基础实验）。在这个阶段学生已经学习了各学科专业基础知识，开设的实验内容主要是具有各专业特点的专业基础实验。在这个层次中，除了巩固科学专业知识，将书本的理论与实际情况相结合，还注重专业技能培养，第二层次实验内容的设计符合“厚基础”人才培养。

第三层次的实验也包含“三个模块”（高分子材料大型设计实验、复合材料大型综合设计实验、无机非金属材料大型综合设计实验）。在这个阶段，学生基本掌握了各学科专业理论知识和专业基础实验知识，开设的实验内容突出专业特色，强调实验综合性、设计性，是科研或生产过程的模拟，强调工程性和工艺性，要求学生根据实际要求将原料制成产品，自行设计实验方案、制定工艺参数、动手操作、观察和分析实验现象并测试产品的结构和性能。有效培养学生的创新能力，提高学生探索未知的能力，锻炼学生的组织、管理与协同能力，增强团队观念，养成良好的职业道德，以提高学生创新思维和创新能力为主要目标，第三层次实验内容的设计符合“重能力”人才培养要求。

2.2.3 “研”与“教”灵活转化，“互联网+”实验教学，改革实验教学内容

“教”与“学”的核心是知识的传递，也就是教授的内容，教学内容是否能够与时俱进，直接关系到学生的学习兴趣和学习动力。为此，“B+X”实验教学内容须体现和考虑学生的研究性学习和个性化学习的需求。“B+X”实验教学体系为教师将科研成果转化为实验项目提供了平台，鼓励教师将科研项目引入实验课程，同时鼓励学生积极参与研究型实验，这一方式有效改革了实验教学内容。此外，“B+X”实验教学体系借助“互联网+”技术，帮助教师拓展及延伸了实验项目，丰富了实验内容，更加有利于应用型、创新型材料类人才的个性化学习。

2.3 融合学科优质资源，着力提升实验先进性

2.3.1 利用学科的大型精仪器设备开设精品实验

近年来，将学校各学科购置的20 多台（价值超过1 000 万元）贵重仪器和大型设备直接引入实验课程体系，提升“三层次、七模块”必修实验教学课程内容的先进性和前沿性。让学生了解和掌握学科前沿的尖端加工设备、加工技术、测试仪器及测试技术。

将更多学科购置的大型精密仪器设备引入课程体系内、外开设的选修实验。学生根据自身发展的需要和兴趣，可以自由选择学习，可以来实验室学习，也可以在互联网上学习。这些选修的实验，不仅能提高本科学生创新能力，还能为学生参与研究活动提供技术保障。特别是东华大学材料学院有50%以上学生考上研究生继续深造学习，其中20%的本科毕业生寻求去国外继续深造，这部分“准研究”型的学生对学科前沿的科学技术、先进的测试方法和手段非常热爱，“B+X”实验教学体系中精品实验能发掘学生的潜质，激发学生的创新思维。

2.3.2 将重大科研成果及时转化为实验教学内容加强工程训练

提出重大科研项目与专业实验“零距离接触”的口号，将获“国家科技进步二等奖”的“碳纤维制备”“高强高模聚乙烯纺丝”“多功能纳米复合材料的制备”等14 个最新科研成果连同仪器设备引入本科实验课程体系，提升“三层次、七模块”必修实验教学课程内容的先进性和前沿性，还提升课程内容的工程性、设计性和综合性。开设第三层次、三个模块的大型综合设计性实验，让学生直接接触科学前沿和尖端工程技术。这些科研项目都是急需的新产品或阶段性要解决的技术难题。由于这些项目处在探索研究阶段，还没有一个完整的结果，不会给学生思考问题带来束缚和框框，相反可以充分发挥学生的创造性思维，调动学生做实验的积极性。

2.3.3 将自制仪器引入实验教学内容加强专业技能

依托学科自制仪器设备的优良传统，开设了一些充分体现学科特色的实验。把声速仪、切片水分测定仪、解偏正仪这些为行业发展、产品的质量提高作出巨大贡献而发明的仪器，引入实验课程体系[6-7]，将微型共混仪及注塑机、聚合物纺丝拉伸流动过程在线测量系统等这些当前学科科研使用的仪器和方法，连同科研内容，开设综合性设计性实验、选修实验及课外课程项目。不但让学生了解了学科的前沿和特色，而且掌握了新的专业技能和测试方法。

2.4 依托“互联网+”，着力加强实验拓展性与延伸性

实验中心的“互联网+”学习平台是“B+X”实验教学模式学习支撑保障平台之一[8]。有了“互联网+”实验教学能够使实验教学内容克服课程体系时间和空间的束缚，使实验自由拓展和延伸。通过在线平台，有效地保障了“B+X”模式下的两个着力点“重基础”“强应用”的实施。

将课程体系中每个实验项目拍摄编辑成视频课程，把每个实验环节包括原理、操作、数据分析等实验基础知识编成视频课程章节，将这些知识点组成习题库，通过计算机随机组卷。学生在线随时随地重复学习实验课程，随时随地对自己掌握的实验知识进行评价。学生可以把实验基础知识变得更加“厚重”。

科学进步、学科发展，社会需求、行业发展所需的知识，远远超过了实验课程体系中教授的知识。课程体系中的实验内容又受到时间、空间、资源和其他规定的限制，不能随便和及时更新，也不能无限增加内容。有了在线学习平台和“互联网+”，教师可以“海量”地将学科、专业相关知识设计成实验内容，通过视频课程供学生自学或选修，学生根据兴趣自己网上学习课程。材料类或其他专业的学生，通过视频课程可以相互学习其他专业实验课程。此外，实验虚拟仿真课程的建设，让学生在网上可以模拟实验过程进行实验学习和操作，并进行自身测试，来增强、增加对专业技能和技术的应用性。

2.5 突出个性化培养，创新教学方法和手段

根据学生的个性和特长组织实验教学，充分激发学生对实验的兴趣，充分发挥学生的个性和潜力，着力点充分考虑培养学生的综合能力和创新能力[9]。要保证大部分学生系统地获得实验的基础知识、基本实验方法、基本实验操作，又要使优秀的学生脱颖而出，发挥学生的个性和特长，灵活学习、勤于动手、多思考、多交流，善于将学和用联系在一起。

“B+X”实验教学体系使课外实验室和在线学习平台增加了数十倍于课程体系内的学习内容，供学生凭兴趣选修和自学。同时在实验课程体系中，通过增加综合性、设计性和研究性实验，培养学生的动手能力和创新能力。

“B+X”模式下，学生有三种学习方法：必修、选修、自学，既考虑到教师在实验教学中专业知识指导和引导，又考虑到学生的个性化发展[10]，充分发挥学生的个性和特长，使毕业生与就业单位的科研、生产研发和管理达到良好的衔接，从而使学生能够在社会生产、管理和服务的第一线解决实际问题，真正发挥实验教学在培养学生中的作用，满足社会对人才培养的要求及学生个性发展的需求。

2.6 管与控双管齐下，创新运行体制和保障

2.6.1 教研相长，创新实验室管理体制

中心统筹了“211 工程”建设、重点实验室、重点学科等学科实验室建设资金以及各项实验教学投入资金，统筹规划、调配资源、合理布局，制定了实验室短、中、长期规划。在实验室用房紧张的情况下，实验中心有权处置安排协调来自各个方面的资源，坚持公共资源的公共性、透明性、科学性、合理性、效率性、责任性和服务性。通过教学科研一体化的共享平台，实现“B+X”模式下的两个着力点“强实践、重创新”的实施。

2.6.2 24 h 开放实验室，建立高校实验室管理新模式

为符合现代高校实验室发展的要求，满足学生个性化学习的需求，实验中心自主研发了一套实验室智能管理系统[11-12]。系统结合先进的实验室管理理念，把网络技术、计算机技术、电子技术、智能卡技术、安防技术等结合在一起的智能化、流程化、系统化的高科技管理系统和管理平台。无须管理人员在场的情况下，无论下班时间还是节假日（非工作时间）实验室实行24 h 自动开放运行。所有仪器设备100%实行网上预约，通过每月定期岗前培训、安全准入、预约刷卡开门等手段实现24 h 开放。用先进的实验室管理理念开放实验室，建立高校实验室管理新模式，让学生真正成为实验室的主人。

2.6.3 综合学生实验评分体系，提倡“做实验而不是背实验”

引导本学科的学生重视实验环节，坚持“实验是做出来的，而不是背出来的”理念，培养学生平时注重实验的每个环节和细节，要求学生在平时实验中勤动手、勤观察、勤思考、勤记录，培养学生养成良好的实验习惯。正确引导学生学习观，学实验是做实验而不是为了考实验。“三层次、七模块”的7 门实验课程都建立了综合评定实验成绩，淡化期末考试权重。以一级实验“材料科学基础实验”为例，这门课是专业基础实验课，共开设10 个实验，为全校3 个学院6个与材料相关的专业设置。这门课的实验成绩是一个综合成绩，综合成绩=平时成绩（40%）+期末考试成绩（60%）；综合成绩中的平时成绩（40%）由10 个实验项目成绩组成，相当于单个实验项目占平时成绩的4%（100 分中的4 分）；而单个实验的平时成绩又经细化，分成了6 个评分项目（见表1）。

表1 实验平时成绩评分表

单项实验在线打分标准是以5 分制来计算。特别是权重比较大的实验报告，除了有实验目的、实验原理、实验仪器和耗材、实验步骤、实验计算和实验思考，特别是计算和思考，必须有原始实验记录，必须有自己对实验的独立思考。这样引导学生做好每个实验每个环节，这个综合评分系统，侧重学生平时的总体成绩，就是有些小失误，在整个评分系统都几乎可以忽略不计，就是期末考试如果有点闪失（必须50分以上），只要平时成绩在优良以上，综合成绩也会及格，这样减轻了学生考试压力，让学生能够更好地重视平时的实验。

建立“B+X”实验教学体系后，将学生主动学习作为引导方向，将学生平时成绩的50%放在在线学习平台上评定，学生在线观看实验视频课程，提交预习报告，进行自我考试并由线上评分系统打分，这样能够更好地鼓励学生积极主动地参与课程实验。

3 建设成效

实验教学新体系自2013 年试点运行，经过7 年的教学实践，受到相关师生的一致好评。近3 年，本科生获得科技创新项目国家级立项22 项，上海市立项32 项，校级立项150 余项。超过200 名本科生参加了国际、国家级和省部级各类竞赛和创新创业大赛，在美国大学生数学建模竞赛、中国石油工程设计大赛、上海高校化学实验竞赛、上海市大学生先进材料创新创意大赛等20 多项赛事中共获得国际二等奖1 项、国家级一等奖3 项、二等奖15 项、三等奖21 项，省部级和上海市各类奖项70 多项。本科生以第一作者身份发表科研论文19 篇，30 多名本科生分别在Polymer、SCI ADV MATER 及国内核心期刊上以第二、三作者身份发表了文章，严琦同学以第一者在国际期刊J.PHYS.CHEM.B（IF：3.187）发表文章，本科生申请发明专利10 项；本科生继续深造率一直保持在50%以上，其就业率连续3 年接近100%。

在实践的过程中，该教学体系还取得了其他成效：与该实验教学新体系相关的项目——“材料类专业‘新工科’人才培养体系的构建与实践”获得2017 年上海市重点教改项目，并在2018 年被教育部列为首批新工科研究与实践项目。“互联网+实验教学，创新实验教学模式的探索与实践”获得了2017 年中国纺织工业联合会（纺织之光）教改立项；“基于互联网的实验教学探索与实践”获得2016 年上海市高校本科重点教学改革项目。相关建设课程“材料科学基础实验课程”获得2017 年东华大学核心课程建设项目、2017 年上海市教委重点课程建设项目以及2018 年上海市精品课程。“高分子材料物理化学实验”虚拟仿真课件获得2018 年上海市首批虚拟仿真实验教学项目。

教育部高分子材料教学指导委员会的部分专家、学校教学督导组专家以及教师认为，该模式针对目前专业实验存在的问题进行了大力度的教学改革，可有效提高学生的学习主动性和教学效果，并向学校建议给予大力支持。通过在“全国高校材料实验教学研究会”“教育部高分子材料教指委”等组织的研讨会上作有关培养模式报告，该教学体系也受到了业内同行赞誉与借鉴，得到专家与同行的热烈反响，具有了一定的示范效应。