基于兴趣催化作用的大学生创新实践训练模式——以材料科学与工程专业本科生创新科研训练为例

黄柳青

（厦门大学材料学院，福建 厦门 361005）

一、背景

近年来，随着材料性能的不断提升、新材料的不断涌现，对材料行业人员的综合研究和创新能力提出了更高的要求，对高校材料专业的人才培养机制也提出了更高的要求。传统的人才培养模式主要包括实验教学和生产实习，教学模式缺乏探索性和自主性，在传统模式培养下的大学生难以深入了解理论知识与实际生产过程的内在联系，造成校内理论教学、实验教学与生产实习教学的脱节。传统的人才培养模式难以满足社会发展需求，迫切需要推进产教融合的新型教育模式。根据教育部《关于印发〈国家级大学生创新创业训练计划管理办法〉的通知》（教高函〔2019〕13 号）和有关文件精神要求，为进一步深化创新创业教育改革，增强学生创新精神、创业意识和创新创业能力，高等院校将进一步加大力度，支持本科生科研创新，推进本科生早期科研训练平台建设，提升学生实践能力和创新精神。当前大学生创新训练存在的三个不足：知识储备不足、兴趣不足、创新意识不足。［1］

自2019 年入职厦门大学材料学院以来，笔者主持了国家自然科学基金青年基金项目、福建省自然科学基金面上项目、深圳市基础研究面上项目、企业委托项目等。在项目研究过程中，笔者深刻体会到符合材料类产业发展方向的基础研究工作具有广泛应用前景，同时为现有产业中的相关企业研发人才队伍不完善而感到任重道远。笔者作为一名同时活跃在三尺讲台和企业一线的高校青年教师，承担了厦门大学材料学院材料科学与工程系本科三年级专业必修课“材料分析测试方法”的教学内容。这是一门理论与实际结合紧密的专业课，更是材料专业人才的工具课。通过产学研项目合作与交流，笔者深刻意识到“企业缺乏的部分理论知识，恰好是同学们课堂学习的内容”。面对海量的一线生产数据及难以避免的工业副产品，企业方经常因为研发能力不足而导致创新有限；而学生日常课堂所学的知识，刚好能够应用于企业的实际生产中，帮助企业解决部分生产难题。因此，当笔者在课余时间与学生进行讨论的时候，他们最常提出的一个问题就是“我们毕业后能在企业做什么？”笔者意识到这些“少年英雄”急于找到“用武之地”。而大学生创新创业训练项目刚好就是一个非常合适的平台，能让大学生们在校园时代实现“现学现用”，在专业理论课与实验课的基础上，解答一道没有标准答案、却有更优解的题目。基于对现有教学框架下材料专业大学生知识体系的了解，结合学生们对于企业生产研发的好奇心，培养他们对于利用学术专业知识点解决企业技术难题的兴趣，让兴趣成为材料专业大学生自主实践的驱动力，让他们在实践过程中学会独立思考、敢于质疑、不断创新。

打造适用于新工科背景下材料专业大学生创新实践训练模式，可利用企业搭建适用于材料专业本科生的创新实践平台，坚持兴趣引领的产学研一体化的教育模式。近年来，笔者通过与相关企业保持着密切交流，在大创项目实施过程中与不同年级材料专业本科生进行积极互动与讨论，了解他们对于材料学科知识及其相关行业的困惑，将科研项目中的部分基础理论研究及实验探索内容用来设立大创项目，结合材料专业本科阶段教学内容，引导大学生聚焦产业前沿动态，培养学生对于将课堂所学的专业知识应用于产业中具体的研发问题的兴趣，利用兴趣催化作用提高大学生的科研积极性，培养他们勇于创新的探索精神和敢闯会创的意志品格。经过几年的探索，目前已初步形成了一套材料专业人才的创新训练培养模式。

二、指导理念及具体做法

为深化大学生创新实践训练模式的改革，促进大学生创新创业训练计划的可持续发展，培育高质量的大创项目需要紧紧把握培养模式的问题实质与方法论要求，从“大创项目可以为学生们提供什么”的角度出发，真正明晰大创模式的逻辑起点，为大学生创新训练提供有力理论支撑和现实保障，培养适应科技创新型国家建设需要的高水平材料专业人才。

进行为期三年的实践与探索后，笔者带领厦门大学材料学院本科生成功申请获批国家级大创重点项目1 项、校长基金项目2 项、国家级大创项目3 项、省级大创项目1 项、校级大创项目1 项。下文将以厦门大学国家级大学生创新创业训练重点项目“基于杂质自催化作用回收单晶硅切割微粉的探索”为例，探索基于兴趣催化作用的新型工科人才培养模式的路径。

（一）立足产业需求，打造梯度团队

大学生创新训练项目应该紧密围绕经济社会发展和国家战略需求，能够嵌入与专业相关的现有产业链的关键环节，项目内容的主题应具有一定的学术价值和现实意义。光伏能源因其资源无限、清洁环保、安全可靠的特点，成为解决能源问题最重要的新能源之一。为实现我国2030 年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标，光伏行业具备长期的发展前景和空间。晶硅太阳能电池是目前商业化程度最高的太阳能电池，随着光伏产业的发展，太阳能级硅片作为晶硅电池的基底材料，其需求也逐年增长。但是，随之产生的光伏切割固废造成了巨大的经济损失和严重的环境污染，成为制约光伏产业发展的瓶颈之一。随着优质硅矿石资源的不断枯竭，将晶硅切割粉废料再生制造成高纯硅已经成为行业亟待解决的关键问题，对硅资源的高效利用和降低光伏发电总成本意义重大。因此，研究一种高效的回收技术来提纯金刚线切割粉中的高价值组分，实现光伏刚线固废的循环利用已成为当前半导体硅片制造工艺研究的一个热点。

本文大创案例的研究对象是光伏材料产业链中的关键固废材料——太阳能级晶硅切割粉。笔者从多家光伏企业合作过程中了解到，企业目前是将切割粉进行囤积或直接以极低价格售卖给建筑材料厂家，并无对切割粉进行高值化回收的产业化技术方案。因此，在与相关光伏企业进行充分交流后，企业表达了希望能够由高校来对切割粉固废进行表征及提出回收方案，企业安排相应研发人员参与该项目的研究过程；在现有合作基础上，由笔者担任校内指导教师，企业一线研发人员担任校外导师，与高校本科生共同组建一支多梯度的研发团队。

大创项目的内容设计与具体执行，关键是打造一支具有执行力、竞争力、创造力的梯度团队。正如舒尔茨等人指出的，人的资源是所有资源中最重要的。首先，校内指导教师在团队中扮演的角色包括研发内容框架的设计师、整合各方资源的联络员、引导学生开展深层次创新训练及初步学术研究的指导者；其次，企业一线研发人员是本团队中的校外指导教师，提供实验所需的原材料、工艺信息，并从企业视角指导本科生开展实验；最后，材料专业本科生是本大创项目的核心成员，承担本项目的具体研究任务，对研究方案进行可行性论证。通过三方紧密配合，校内指导教师可以根据材料专业本科生的理论知识水平，对大创内容框架进行合理设计；校外指导教师则可根据产业研发具体方向及方法，将大创内容的创新点与实际研发重点进行有机结合；材料专业本科生根据校内外导师的指导，可快速明晰光伏产业中关键材料回收难题的科学属性，灵活运用现有知识体系，大胆尝试解决具体科学问题。

（二）激发学生兴趣，感受科研魅力

兴趣驱动力对于有效提高大学生创新意识和思维具有关键作用。［2］大学生创新训练项目为材料专业本科生提供了一个能够接触实际产业与科学研究的交汇点，依托大创项目的研究将产业难题、前人的思辨观点连缀起来，努力探索与发现看似庞杂事物背后的科学规律。具体做法如下：首先，大创团队中的本科生通过实地走访企业生产线及大量调研工作，切实了解金刚线切割硅粉的产生过程及回收难题，学生根据光伏企业的具体需求搜集厦门大学分析测试平台相关信息后与企业实现对接；其次，在多次讨论及互访后，科研团队共同制定研发方案；最后，厦门大学科研团队对具体的问题进行深入研究并提出优化方案，企业对其进行小型试验并反馈至厦门大学科研团队，在一次次“提出问题、发现问题、解决问题”中采用科学方法攻克具体的技术难题。

在大学生创新训练项目实施过程中，指导教师可从以下三个维度激发学生科研兴趣：

兴趣激发点1：团队协作，施展特长

梯度团队是顺利开展大学生创新训练的有力保障。通过在厦门大学材料学院平台公布大创项目信息后，本科生根据自身兴趣及特点进行自主选择，并在与校内外指导教师进行充分沟通后加入该项目技术团队。通过校外指导教师带领团队实地走访企业，学生们发现了企业车间囤积的大量切割粉废料，切身感受到大量切割硅粉由于没有低成本、高效的回收方法而被废弃，如果处置不当会造成严重环境污染。通过校内外导师背景介绍及实地走访企业后，学生们对该项目产生了浓厚的兴趣，几位团队成员根据自身的兴趣点及特长进行自主选择其在团队中的主要角色，选任具有较强协调能力及沟通能力的同学为队长，其余同学主要分为实验操作组、理论分析组，具体分工可根据实际情况灵活安排。他们在假期主动完成部分文献调研工作，并多次组织线上文献综述汇报，返校后迅速投入课题，利用课余时间进入实验室开展课题实验。采取团队协作的方式不仅提升了训练效率，更让每位同学都能在项目中找准定位，实现通力合作与联合技术攻关。此外，与实际产业对接的方式，大大激发了同学们的兴趣点，颇具挑战性。

兴趣激发点2：自主创新，独立思考

培养大学生的自主创新科研精神是大学生创新训练项目的关键点。［3］经过企业实地调研后，学生们在校内导师的指导下开展有针对性的文献调研工作，掌握文献管理软件、知识资源库等的使用方法。在文献调研过程中，不断完善项目的实验方案，并对方案进行可行性分析。文献调研工作贯穿于项目实施过程，学生们结合专业课程所学习到的材料科学基础与分析测试方法，对金刚线切割硅粉进行初步分析后，发现切割硅粉纯度高达99%，具有极高回收价值。这一发现使得团队十分兴奋，他们根据研究对象的特点独立制定了一套研究方案，并利用“机械制图”课程上学习的CAD 制图知识自行设计了实验所需的模具，并在网络购物平台上找到商家进行模具订制。在实验过程中不断提升效率，总结实践经验。在项目开展期间，几位同学利用课余和寒暑假时间全身心投入项目的研究中，他们会为实验的新发现而兴奋不已，更多时候也会因为实验的失败而短暂失落，在实验室里听到他们最常说的话是：“原来科研就是起起——落落！”“实验又失败了，好难过！”“这不科学呀，不应该出现这个现象啊！”通过多次阶段性讨论，他们意识到失败是科研过程中的常态，必须要付出汗水和持之以恒的努力，加上不断反思和改进后才有机会收获成果。经过系统的大创训练后，几位同学均对项目背景及实验原理有深刻认识，不仅能够独立进行实验操作，还能完成部分分析测试及数据分析。在不断尝试的过程中，学生们对大创项目的研究产生了更加浓厚的科研兴趣，以更大的热情投入该课题的研究中，形成良性互动与增益循环。在该大创训练模式下，参与同学能够根据实验现象及文献调研结果独立提出实验方案，通过对实验过程中发现的现象进行细致分析与大胆畅想，同时，学会用科学方法验证他们的奇思妙想。

兴趣激发点3：产学研用，学以致用

在大学生创新训练项目中构建“产学研用”相结合的创新训练体系，是提高本科生自主创新能力的必由之路。在大创项目的选题、内容设计及执行反馈过程中，应将“产学研用”的思路贯穿始终，牢记四个训练重点“生产、学习、科研、实践”。首先，本科生们可以走出校园，利用公司的生产设备开展新技术研发，回到校园利用厦门大学材料学院基础研究平台对产品进行系统研究，校企合作可为本科生提供更大的实践平台，综合提升本科生的创新训练效果，为项目带来实践活力与研发热情。在本案例中，本科生们通过大创项目的执行，有机会走入光伏行业生产一线，接触光伏材料产业链条中的关键环节，把握研发重点及潜在突破口。校内导师对项目内容进行设计时，将实际研发需求与课堂教学内容相结合，引导学生利用课堂所学专业知识，剖析技术难题，降低学生进入课题研究的难度阈值。由具有一定行业背景的企业研发人员担任校外指导教师，可以让学生们在项目推进初期便能了解产业化研发思维，综合考虑成本、效率与应用前景，有助于提出更加合理有效的研究方案。通过“产学研用”整合平台优势，避免形成有效资源的空转，实现资源共享，建立多层次的学术交流平台及成果转化渠道。

（三）参加科创竞赛，拓宽科研视野

科创竞赛是检验大学生创新训练效果的有效途径之一，可使学生获得更大兴趣和驱动力。通过参加科创竞赛可以达到三个目的：一是获得一个展示项目研究背景与成果的舞台，通过理顺研究思路来讲好科创故事；二是借助比赛契机，在夯实大创项目研究基础的同时，发现研究过程中存在的问题并及时调整研究方向；三是与其他科创团队进行深入交流，学生的科研技能得到提升、研发思维得到拓展。借助科创竞赛，可促使本科生从实验室走向公众视野，将信息输入模式切换为信息输出模式，向大众展示研究工作与成果，在团体竞争中获得更大兴趣和驱动力。在大创项目案例实施过程中，笔者不断鼓励大创团队参加各项科创竞赛。在大创项目执行期间，几位团队成员先后获得第五届全国大学生材料设计邀请赛（MDC）特等奖，厦门大学第七届节能减排社会实践与科技竞赛二等奖，第十一届广东大学生材料创新大赛三等奖，第八届福建省“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。此外，几位同学在项目研究过程中撰写的国家发明专利“一种回收太阳能级硅金刚线切割废料的方法”，已获得正式授权。通过参加科创竞赛，本科生们拓宽了科研视野，认识到创新是企业发展的驱动力，通过科技创新能够提升企业的产品质量和市场竞争力。该经历有助于帮助本科生理解国家政策和行业发展动向，明确企业的主要研发方向。科创竞赛评审方式采取项目申报书和现场答辩的方式进行，本科生团队在撰写项目申报书的过程中，从行业背景、研究方案与创新点、可行性验证等方面进行细化分析，发现了该大创训练项目实施过程中存在的问题。此外，在现场答辩的过程中，评委在咨询和点评的过程中帮助他们发现问题，提出了宝贵的创业辅导建议。经过多轮比赛点评，本科生们更加明确了产品的研发设计要往节能环保、高性能的方向努力，要以可持续发展为目标。此外，科创竞赛为本科生们提供了一个高水平的合作交流平台。当团队成员参赛时，除了团队自身的展示，本科生们还可以近距离了解到其他优秀大创项目，与相关团队成员进行交流，拓宽科研视野。科创竞赛是展示本科生创新思维的重要载体，也是促进优秀本科生互相交流、思想碰撞的重要平台。以科创竞赛为载体，可进一步激发学生对科技创新的兴趣，在兴趣催化作用下夯实学业基础，提升科研素养，增强创新精神。

三、结语

经过三年多的探索，笔者深刻体会到培养大学生科研兴趣是科研训练中的首要环节。如何建立一种具有材料专业特色的创新人才培养模式，首先，需要引领大学生了解产业前沿动态，主动探索产业链中的运作机制；其次，积极引导大学生主动调研，并参与制定研究方案，掌握实验技能及分析能力；最后，鼓励大学生在科创竞赛中不断夯实理论基础，提升科研水平，扩展视野。该模式有效提升了学生的综合创新能力，实现了学生的学术思维和企业思维的有机结合。笔者将在材料领域继续探索及完善人才培养模式，努力推进实践教学资源共建、优化资源布局，为高校材料专业人才培养贡献一份力量。