材料化学专业本科生创新能力培养模式的探索

王静静 黄秀兵 杨洲 高鸿毅 孙建林

[摘 要] 实验教学是当前高校教学模式的重要方法，是培养本科生创新意识、实践能力和创造能力的重要手段。结合材料化学专业的特点，从强化科研反哺教学政策的引导、鼓励科研资源向实验教学开放、倡导不同岗位教师联合指导和带动学生参加各级奖项的申报四个方面提出了“以研哺教、以赛促学”的长效作用机制。

[关键词]科学研究;实验教学;科技竞赛;培养模式

[基金项目] 2018年度国家自然科学基金项目“导热增强型相变储能材料的构筑及性能研究”（51802016）;2014年度北京市人才培养共建项目“发挥国家级实验教学示范中心作用，完善材料虚拟实验建设、推广与应用实践研究”（GJ201403）;2016年度北京市人才培养共建项目“实验教学示范中心与虚拟仿真实验教学中心相互融合协同发展”（2016GJ2）;2019年度中央高校基本科研业务费“蓄/传热一体化相变储能材料的设计制备与性能研究”（FRF-TP-19-001A2）

[作者简介] 王静静（1988—），女，安徽亳州人，博士，北京科技大学材料国家级实验教学示范中心工程师，主要从事材料化学实验研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）08-0084-04   [收稿日期] 2020-09-10

实验教学是当前高校教学模式的重要方法，是培养本科生创新意识、创新思维、创新精神和创新能力的重要手段，在高校学科建设和本科人才培养中起到了重要作用[1，2]。材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学，它兼具材料科学和化学学科的特性，旨在培养学生系统掌握材料科学、化学工程、化学等学科知识与实验技能。本专业是将专业基础理论用于实际工作的桥梁，其实验教学更是培育材料科学相关专业工作者必不可少的教学组成部分。

近年来，针对材料化学专业学生采取的实验教学模式与化学专业本科生基本一致。教学方式大多依托于理论课程开设，实验教学主要采用的是先由教师进行讲解，强调实验注意事项，再由学生操作的模式，导致学生对实验提不起兴趣，仅是按部就班进行操作。实验教学内容和方式相对比较单一，缺乏一定的自主性、创新性与趣味性，学生的兴趣及主动性不能得到充分的挖掘与发挥，致使学生在实践动手能力、分析和解决问题能力及创新意识的培养方面相对薄弱[3，4]。另外，本专业本科生所了解的材料制备方法和表征手段大部分停留在课堂和书本上，很多学生在本科毕业论文（设计）时才开始接触具体的材料合成和表征设备，实验操作能力差，将理论知识应用到实际操作中的能力不足，自主创新能力更为薄弱。在本科生的培养过程中缺乏较系统的科研规范训练，在近几年指导本科毕业论文撰写的过程中，发现学生在论文科学用语、语句逻辑、数据整理及表述、图表制作、文献调研等方面存在明显的不足，致使部分的毕业论文存在科学素养不够强、分析解决问题能力比较弱等问题。

为培养具有创新意识、实践能力和合作精神的材料化学专业本科生人才，本文提出了“以研哺教、以赛促学”的实验教学模式。在“科研成果向实验教学转化”及“创新人才培养以实验教学为核心目标”理念的引领下，将最新科研成果注入本科生创新能力培养的实验体系中，把科研工作的研究热点、最新进展及国内外最新内容及时融入到实验教学中，使实验教学的内容具有前沿性、新颖性和挑战性，从而助推科研反哺教学，实现教学与科研相互促进、协调发展的目标。鼓励本科生参与科技竞赛，是培养大学生创新能力的一个有效手段[5，6]。充分利用科研团队和学校资源共享等优势，汇聚富有创新能力的优秀学术骨干与实验技术精良的实验技术人员，以科技竞赛为切入点和着力点，鼓励学生参加院级、校级甚至国家级大学生创新类奖项的申报，激发学生勇于创新和挑战的兴趣与热情，进而对学生创新能力的培养、科研素养的形成起到促进作用。

一、强化科研反哺教学政策的引导

高校的科研团队实力比较雄厚，充分发挥政策引领和导向作用，加强科研人员对本科生人才培养贡献度的宣传力度，优化科研岗位教师业绩评价指标，提升科研人员投身实验教学的热情。在职称评定、业绩考核方面，适当向本科生实验教学倾斜，将本科生班主任、本科生导师制度纳入岗位评定体系中。支持科研岗位教师将科研项目引入实验教学大纲，把科研成果及时充实到实验教学内容，将科研元素渗透至本科生基础實验课程、科技创新项目或者毕业设计，构筑以培养本科生创新能力为核心的实验教学体系。

高校专职实验技术教师队伍力量较为薄弱，开放性实验课题设置在数量和质量上均难以保证，把科学研究与实验教学进行有机结合，能够有效增强学生的积极性以及自主探索能力。我校举办的系列学术讲座活动在吸纳本科生参与科学研究实验方面发挥了积极的作用，促使本科生能够紧跟科学前沿，追踪其发展动态。科研课题的开展离不开实验的检验与验证，科研又反过来给实验教学带来前沿性的实验课题[7]。从科研课题中抽提出的实验教学主题新颖、内容丰富，引导广大教师将科研方法、科学思维渗入本科生实验教学中，使得本科学生能够掌握最新的实验技能和表征测试技术，加深其对基础理论知识的理解，进而提升其科研水平、分析和解决问题的能力。

二、鼓励科研资源向实验教学开放

目前，高校教师的人才资源存在两种倾向，一种是“重视教学，忽略科研”;一种是“重视科研，忽视教学”，教学与科研存在一边倒的现象，二者不能有机结合[8]。科研的确是高校创新发展的强大动力，但未能及时将先进的科研成果转化为实验教学资源，并在此过程中培育一支富有创新精神的人才队伍，这样科研就难以实现可持续发展，更无法形成二者协同发展、相互促进的良性循环机制[9]。对于我校学科交叉性和专业性较强的材料化学专业来说，该专业本科生开设的实验教学课程仍与化学专业本科生一致，有可能导致学生缺少分析和解决材料化学问题的能力锻炼。而大多数的科研岗位教师具有较强的实践意识，鼓励和引导从事科研的教师承担实验和教学工作，把优质教师资源充实到实验教学中去，不仅增强了实验教学方面的师资力量，还将高校教师人力资源进行了优化配置。

此外，国内高校中大都存在教学与科研之间的不协调，如设备资源配备不合理、设备资源闲置浪费严重等问题[ 10 ]。相比于实验教学资源，科研团队的科研资源较为丰富，大型高精尖仪器设备存量稳步上升。但鉴于高精尖仪器设备价格昂贵，一些科研团队很少向本科生开放此类仪器设备，学生很少有机会自主获取这些高水平科研资源，进而导致本科生对实验仪器，特别是大型实验仪器的认识仅局限于书本知识[ 11，12 ]。实验室是培养创新人才的重要阵地，是科技创新的主要场所[ 13，14 ]。鼓励科研岗位教师在开展本科生实验教学工作的同时，针对大型仪器设备开设教学实验内容，不仅使得实验课独具特色，而且能够拓宽学生的知识面和视野，从而满足培养“双创”人才知识、素质和能力的新要求[ 15 ]。本科生通过亲自动手操作先进仪器设备，可以加深其对先进实验仪器原理、构造、注意事项等方面的认识，激发其对相关课程学习的积极性。同时，将实验室的科研仪器设备开放至本科教学中，也能够最大化地发挥仪器设备的自身价值。

三、倡导不同岗位教师联合的指导

受“重理论教学、轻实践教学，重书本知识、轻动手实验”的影响，本科生的实验动手能力较差[ 16 ]。因此，在开展开放性实验（如本科生科研训练计划，SRTP）的过程中需有教师进行指导。现阶段，作为本科生创新实践活动的指导教师基本为教学科研岗位的教师，这些教师不仅具有日常教学任务，同时也承担着多种科研项目。实验室技术人员是高校开展实验教学、推动实验技术研发、试验流程创新的重要人才[ 17 ]。考虑到本科生在科研工作中动手实践、独立思考的基础极为薄弱，为进一步提升本科生的基本科研素质及实验技术能力，创新性地提出汇聚富有创新能力的优秀学术骨干（如教授、副教授、讲师）与实验技术精良的实验技术人员（中级工程师）的新思路，组建兼具科研素质和实践能力的本科生创新能力培养实践团队。加强科研岗位教师与实验技术人员之间的沟通与交流，充分发挥团队成员的个体特长，形成和谐协作的团队精神。在指导老师的精心指导下，依托本专业良好的科研环境（如“分子与微结构可控高分子材料技术北京市重点实验室”）及硬件条件（高精尖大型SEM、XRD、DSC、XRF、TGA、FTIR、GC-MS等仪器设备），使学生熟练掌握中级实验技能（如在材料合成制备方面，掌握水热合成法、溶胶凝胶法等）以及表征与分析能力（如操作大型高精尖实验仪器设备技能，使用Origin、Materials Studio等基本科研软件探究构效关系），进而提升本科生与前沿性科研成果的契合度，为将来学生参与或承担科学研究工作打下扎实基础。

实验室安全是高校实验室建设与管理的重点环节，也是高校人才培养、学科建设的重要保证。相对于高校对研究生实验室安全教育的重视程度和实施的教学措施，对本科生的实验室安全教育缺乏足够的重视和专业性。本科生在开展开放性实验之前，由教学科研岗位教师为其制定研究方案。但在其进入实验室开展具体实验时，由于本科生平时主要进行基础理论课程的学习，实际操作能力较差，且材料化学类实验室基本涉及易燃易爆、毒性物质、腐蚀性物质等危险化学品及高温、高压等仪器设备，因此，加强本专业本科生的实验室安全意识，实现从“要我安全”到“我要安全”的转变，保障本科生的人身安全更是关键。结合科研团队实验室的特点，由实验技术岗位教师对其进行较系统的安全教育培训，如大型仪器设备的正确操作及注意事项、个人防护措施、危化品的采购与存储、高温高压特种设备的正确使用、涉水及涉电设备的注意要点、危险废弃物的处置等，进而培养其具有良好的实验室安全责任意识。通过建立针对本科生的实验室安全管理体系，健全本科生准入制度，为降低实验室安全事故事件发生率，共建平安、和谐、绿色校园提供保障。

四、带动学生参加各级奖项的申报

大学生科技竞赛是在紧密结合专业知识的基础上，以竞赛的方法激发学生理论联系实际和独立工作能力的一种方式，具有探索性、创造性和科学性，是培养具有实践创新能力人才的有效载体[ 18 ]。待学生进入实验室开展科研一段时间后，遴选专业热爱程度高、科研探索能力强的同学，鼓励他们基于参与的科研课题申报创新项目，积极参加“挑战杯”以及各类科技竞赛，无论获奖与否，这些学生完整经历了参加竞赛的全过程，共同收获的是调研资料的能力、掌握基本实验技术的能力、使用大型仪器以及应用软件分析的能力。更重要的是，学生在该过程中，通过凝炼实验课题的创新点、抽提实验关键技术，获得了数据整理、撰写研究报告或科技论文的能力。此外，在此過程中，能够培养学生在团队中的合作精神和协作意识，通过参赛提升学生的应变能力和语言表达能力。

近五年来，我校材料化学专业的本科生共开展创新创业项目270余项，其中包括市级40余项和国家级30余项。以赛促学的实验教学模式，吸引了广大本科生的参与，取得了一定的人才培养效益。在开展的创新创业项目中，有3个项目获得了市级一等奖，7个项目获得了国家级一等奖。依托我校材料化学专业课题组实验室开展的本科生开放性实验教学项目，在各类科技竞赛中喜获佳绩。其中“PCM灭火—非电气类小型火灾终结者”项目获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛北京赛区三等奖，“相熙新材料创业团队”项目获得北京地区高校大学生优秀创业团队三等奖。参赛作品的专业性赢得了专家评委、参赛学生和众多观众的一致赞誉。科技竞赛不仅能够驱动学生学习专业课程的理论知识，还可以锻炼其参与撰写国家发明专利和学术研究论文的能力。近五年，我校材料化学专业的本科生以第一作者或合作者的身分在国际高水平期刊（如Chemical Engineering Journal，European Journal of Inorganic Chemistry等）上共发表科研论文20余篇。基于共同的兴趣和目标汇集到一起，在敞开大门学生自愿报名参加的背景下，以赛促学的实验教学模式在促进学生志愿就业、免试推研和出国深造等人才培养方面发挥了积极作用，为学生构建和谐统一、融会贯通的专业知识体系奠定了基础。

五、结语

牢固确立高校工作中人才培养的中心地位，从科研课题中抽提实验教学内容，以科研实验资源转化实验教学资源为方法，将一些新思路、新技术渗透至实验教学中，倡导不同岗位教师进行联合指导，开展多方面、多层次的实验教学活动，以参加科技竞赛的方法激发学生探索科学问题的积极性和主动性，进而促进本科生灵活运用基础知识能力、创新能力和团队協作能力的提升，是推动科研工作和实验教学相互促进、构建科教融合长效机制的重要途径。

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