新工科背景下材料专业大学生创新意识的培养

张龙，安东海，马丙闯(昌吉学院物理系， 新疆 昌吉 831100)

0 引言

时至今日，创新能力的培养与实践渐已成为高等院校人才培养的重要途径[1]。培养高科技人才是新时代党和国家赋予高等院校的使命，也是地方院校为服务当地经济义不容辞的责任。新疆昌吉学院立志培养德智体美劳全面发展、具备创新精神和实践能力的高素质应用型材料专业人才。

当前，人们非常关注环境污染和能源危机两大问题[2]。传统化石能源的利用对环境造成了严重的污染，如煤炭、石油等不可再生的能源。解决能源短缺和环境污染问题的有效手段就是开发和清洁的可再生能源。所以，充足的太阳能如何被高效的利用是经济社会发展的一个重要课题。此时，培养具有工程创新能力的高素质人才是昌吉学院基于新疆经济特色及新工科背景下的必然要求，而在材料专业人才培养中，对学生综合实践能力培养尤为重要。因此，材料专业大学生如能更加全面地掌握专业理论知识、构建科研思维、培养创新能力以及在教授理论知识的基础上培养学生的工程实践素养，是新工科背景下中国高校的重要使命之一[3]。设计完整的具有一定复杂度的专业性研究型教学实验，不仅可以提高学生创新思维能力和实践能力，也是材料及相关学科教学改革的必然趋势[4]。然而，目前在材料专业相关教学活动中，鲜有专业性研究型教学实验内容。

1 本科材料专业与研究生在实验教学存在的差异

材料专业具有很强的实践性的特点，其中实验是材料学科必不可少的实践课程，从实验中寻求规律和真理是研究生的日常工作。与此同时，在当前的高校本科生教学中，传统的验证性实验课程在整个实验教学中占比过大，一定程度可以起到锻炼学生的动手操作能力，但是巩固所学知识的同时，也有一定的局限性。在本科生中的实验中，考虑到教学目标，很多实验都是进行一些常态化的操作，很少考虑合成材料的普适性和工程化，但是对于研究生的培养却往往重视研究的适用性。

高校在创新意识和创新能力的培养方式上来说，本科生和研究生主要的不同点包括：(1)实验目的的差异。本科生实验的目的主要是更加深刻的了解课本知识。而研究生则要通过实验寻找其机理并且有创新点的设计；(2)实验要求的不同。本科生只需要重复简单的实验步骤，并了解在实验过程中需要注意的安全问题，重在培养其实验技能。而研究生要在此基础上提出创新，追根溯源；(3)对实验认知上的差异。本科生来到实验室进行实验是出于考核的需要，很少去关注实验内容本身。而研究生实验是他们每天必须从事的主题工作。他们会关注实验细节，在实验设计中更加有主动性；(4)教学模式的异同。由于实验目的和实验要求的不同，导致教学方式存在很大的不同。在临近毕业的时候，本科生开始为毕业设计做准备，然后进入实验室进行实验，实验技能很难获得提升。而研究生采用的是导师制，在导师的指导下进行实验，且研究生整个阶段主体工作就是实验。因此，如何在实验教学中让本科学生学会思考、发挥主观能动性，是材料专业教育者必须思考的一个问题[5]。

2 实施本科与研究生交叉实验教学模式

教学模式的改革主要是对于本科与研究生实验教学阶段的改变。主要方式：(1)研究生带领着本科生进行创新实验训练，以代替本科传统的技能实验训练。一方面可以开阔视野，另一方面也会使他们的实验技能得到进一步的提高，同时创新意识也会得到一定的培养；(2)改变成绩考核体系。本科生对传统技能实验不感兴趣，创新兴趣也很难被激发，但是课程的考核关于本科生的毕业，合理的考核机制，可以充分调动学生学习的主动性和积极性，也能促进提升学生的综合素养和创新能力。

本科生的学习热情在教学过程中不容忽略，教育者需要在科学研究和教学的发展过程中认真地思考和设计，让学生真正参与科学创新研究，促进学生的综合素质和创新能力。下面本文通过氮化碳光催化材料的制备为例了解新工科背景下材料专业大学生创新实验教学设计与实践。

3 创新实验的研究方案

3.1 氮化碳光催化材料的制备

(1)实验试剂：尿素，氯化钾，氯化锂，氯化钠，溴化钾，溴化锂，三乙醇胺。上述试剂都为分析纯级；实验过程均用去离子水。

(2)实验方案：为了对比不同离子对氮化碳光催化产氢活性的影响，结合材料专业方向及培养方案，设计以下三组创新实验。

第一组：将尿素(10 g)放入30 ml圆形坩埚中，放入升温速率为5 ℃ min-1的马弗炉中500 ℃预烧4 h，接着将所得样品与KCl/LiCl(3.3 g/2.7 g)熔盐研磨混合均匀，然后550 ℃高温煅烧4 h，随炉降至室温后取出，用去离子水充分冲洗去除盐分，放入60 ℃干燥箱干燥，将最终样品命名为CN-KLi。第二组：将上述预烧后的样品与KCl/NaCl(2.5 g/2.5 g)熔盐先研磨混合均匀，接着在空气下550 ℃高温煅烧4 h，随炉降至室温后取出，用去离子水充分冲洗去除盐分，放入60 ℃干燥箱干燥，将最终样品命名为CN-KNa。第三组：将上述预烧后的样品与KBr/LiBr(2.4 g/2.6 g)熔盐先研磨混合均匀，接着在空气下550 ℃高温煅烧4 h，随炉降至室温后取出，用去离子水充分冲洗去除盐分，放入60 ℃干燥箱干燥，将最终样品命名为CN-Br。

3.2 氮化碳光催化材料结构表征

利用BRUKER AXS D8型粉末X射线衍射仪测定样品的晶体结构，粉末衍射源为Cu Ka X射线管，加速电压为40 kV，加速电流为40 mA；用Hitachi S-4 800型扫描电镜观察样品的微观形貌；用带积分球的Shimadzu UV 2500型分光光度计测试样品的紫外可见漫反射光谱；通过FTLA2000-104型傅里叶红外分光光度计测试样品的傅里叶红光光谱；采用氮气吸附比表面积分析仪Builder 4200测定样品的比表面积。

3.3 光催化性能分析与报告撰写

样品的光催化分解水产氢实验是在一个带有石英盖的密闭剥离反应器中进行。反应器中含有50 mg催化剂和100 ml溶液(10 ml的三乙醇胺牺牲剂和90 ml高纯水)。反应器下装有磁力搅拌器以确保反应过程中光催化剂能均匀的分散在溶液中。反应器上加300 W氙灯作为反应光源，在光源发生处安装一个截至波长420 nm的滤光片。实验报告撰写：(1)实验目的(2)实验原理(3)实验仪器与相关药品(4)实验步骤(5)材料表征(6)光催化性能分析(7)数据记录与处理(8)注意事项(9)实验总结。

3.4 成绩考核

考试方式方法是在原有的基础上进行改革,加大平时学习积累的比例,将平时积累分为实验、课堂互动、作业、上课表现和论文写作。论文写作主要是参照研究生的培养方案进行设定的，可以打破以往学生固定思维的做法—平时不努力临考搞突击,这样可以有效地促进学的主观能动性，改变以往学生的不思考不主动的局面,学生的论文写作能力也会得到有效的题高，为自己进一步深造打下基础。学生为了写科研文章,他们将会在知识的海洋自由探寻，更加积极得查阅古今中外的相关书籍和文献,从而攻克自己所从事的行业的难题，从而更加增强其学习的动力。所以,论文的创新性能判断出学生在课下是否下功夫，成为考核中的一个重要的指标。总之,在机械工程材料这门课的教授过程中,充分发挥学生的主观能动性，以学生为主体，教师循序渐进式地引导学生思考。能将教师传授的知识学以致用的学生才是社会最为需要的高素质合格人才[6]。

具体考核方式如下：

实验准备：实验研究报告的撰写(10分)；实验材料的准备(10分)；实验准备分工协作(5分)；智能导学：学习进度(5分)；师生互动(10分)；实验操作：操作正确(15分)；操作熟练(10分)；实验操作任务协作(10分)；总结创新：实验结果小结(10分)；实验结果的分析(15分)；实验结果的推广应用(附加分10分)

4 结语

材料专业本科生开展创新实验的教学模式是培养创新意识和创新能力的有力措施。创新实验的设计不仅提高了学生操作技能和归纳设计实验方案的能力，同时创新实验提高了学生的逻辑思维能力和创新能力。通过不断的重复实验，不断的改进与积累实验思维，锻炼了学生的提出问题、处理问题的能力，同时实验过程需要协调课题组其他成员共同探讨实验现象，团结协作能力也不断提高。通过考核方式的不断更新，更全面、真实地反映学生实验操作能力和科研创新能力，对其他专业课的教学有着一定的借鉴意义。