基于科研平台的新能源材料与器件专业本科实验教学改革探索

宋 鸽 王 建 王 慧 陈艳丽 刘喜正

(1.天津理工大学材料科学与工程学院， 天津 300384; 2.天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院， 天津 300384; 3.临沂科技职业学院， 临沂 276000)

为了满足新一轮工业革命对于创新型复合人才的需求，教育部在2017年提出开展新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，形成全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育，为强国建设培养高水平人才。工科专业的培养目标是立足工程应用来开展工程实践能力培养[1]。新能源材料与器件专业是为满足国家新能源战略发展对专业人才需求设置的新兴专业，以材料、化学、化工、电子与机械等学科为基础进行人才培养。作为新工科专业，实践动手与创新能力是人才培养的重要目标之一，作为以交叉学科为特色的新专业，学生培养过程中各相关学科均需要涉及，如何通过优化课程内容与课程设置方式，充分调配实验平台与教师队伍资源为培养学生服务，是目前面临的重要问题。

天津理工大学新能源材料与器件专业于2016年招收第一届本科生，在学生培养实践中充分利用高水平科研平台设备资源与具有交叉学科背景的高层次人才队伍智力资源，突破现有本科实验教学的有限空间，和单一材料学科培养的内容限制，优化创新实验教学内容，改革实验教学模式，将以材料学为基础的实验技能培养，提升至创新与应用能力相结合的综合能力养成新模式，通过多元化的实验教学设计提高学生的综合创新能力，从而实现培养兼具材料、化学、化工、电子与机械等多学科交叉背景，具有较强解决实际问题能力的高素质创新应用型人才的目标[2]。

一、新能源材料与器件专业本科实验教学现状

实践能力是工科类专业学生的必备能力，实验教学是培养学生动手能力、提升综合素质的最直接手段，也是工科学生培养的重要环节。在实验教学过程中，提高学生分析问题与解决问题的能力以及提高学生综合科技创新水平与钻研技能是主要目标[3]。

天津理工大学新能源材料与器件专业实验课程教学主要以材料和化学学科为基础，具体包括4个部分：化学基础实验、材料综合实验、新能源材料综合实验与专业设计实验。其中，化学基础实验主要包括基础化学和物理化学理论课中有关化学及实验室相关的基本操作；材料综合实验主要训练学生材料学方面的基本实验操作技能，通过实际操作和应用加深其对课堂所学理论的理解，提升基本操作技能水平；新能源材料综合实验是帮助学生在经过多层次、多方式的全面训练后，掌握新能源材料科学的基本理论和技术，成为新能源材料与器件及相关技术领域从事新型材料研制、质量检验、产品开发、教学及技术管理的高级专门人才；专业设计实验包括锂电池课程设计等，主要是对专业理论课程学习的完善，培养学生相关专业基础操作与在实际生产中发现问题、解决问题的能力。在内容方面，缺少有关化工、电子、机械等方面的基础实验，制约了学生后期综合技能的提升与深化；同时各实验设计独立开展，相互之间逻辑关系不强，在高年级阶段的专业实验中对于基础实验技能的加强与提升效果不明显，无法进一步强化学生综合创新能力，影响了人才培养质量。总体来看，目前实验教学过程中存在以下问题。

1.实验教学目标的交叉学科背景体现不明显

受传统教学专业实验设置思路限制，实验教学目标侧重于材料与化学方面，工程放大方面的化工、机械以及器件及电子学相关的基础实验较少，不利于学生综合水平的提升。同时，受传统模式中重知识传播、轻创新能力培养的影响，教学目标创新能力、综合能力方面的培养考核要求少，多作为理论教学的辅助。考核方式存在局限性，致使实验目标倾向于文字化、数字化，未真正实现培养综合性、复合型人才的目标要求。

2.有限课时条件下学生动手机会少，训练效果不理想

实验类课程资源有限，学时偏少，学生无法获得充分的练习提升机会；实验设计缺乏新意[4]，不能激发学生主动学习的兴趣；实验内容多以典型实验操作、结果验证为主，时效性不足。实验课程综合性不足，与实际科研、生产关联性差，不利于激发学生的创新欲望。同时不同基础实验之间很少建立有机联系，学生在工作后面临实际问题时，无法迅速形成基于已有技能的解决策略。

3.教学方法灵活性差，不利于学生个性化培养

教学方式方面多以大课为主，无法将理论知识转化为实践操作全过程覆盖每一位学生。考核方式单一，学时、学分固定，不能因材施教，不利于学生个性化发展[5]。

二、天津理工大学新能源材料与器件专业教学改革探索

天津理工大学新能源材料与器件专业依托“功能材料”国家级实验教学示范中心、 “材料微结构”教育部国际合作联合实验室、“新能源材料”学科创新引智基地、天津市先进多孔功能材料重点实验室、电子显微镜中心等多个高水平科研平台。在本科教学过程中，学校增加了科研型教师前沿讲座、学术报告、指导大创活动等科研教学互动，拓宽了学生视野。以高水平科研领军人才讲授前沿课为牵引，推动科教融合，紧密结合本专业的前沿科研动态，更新教学内容。对优秀本科生进行学业培养与文化浸润，激发其科研兴趣，培养其良好的科学素养。

1.强化交叉学科特色，明确实验教学在创新型人才培养过程中的目标导向

从产业需求出发，以结果为导向[6]，优化专业培养目标，建立“产业需求→教学改革→综合能力提升→服务产业发展升级”的新人才培养模式(见图1)，培养符合新能源材料与器件领域产业需求的高水平技术管理人才。以材料、化学、化工、机械、电子等相关学科为基础，探索建立面向新兴专业的交叉学科实验教学体系，提升学生综合实践能力，为学生开拓更多的就业和成才机会，帮助学生在工作之初更快、更好地适应工作环境与工作要求。

图1 面向新工科建设的新能源材料与器件专业实验教学内容设置思路

根据产业发展需求和结果导向建立实验教学目标新体系。在基础实验部分增加机械和电子方向各两次基础实验，完成基础技能的培训之后，根据学生兴趣，分成不同课题小组进行培养。在第三学期设立新能源材料与技术前沿先导课，每周请一位科研骨干进入本科课堂，结合个人研究方向介绍国际研究前沿，由此激发学生对于前沿课题的兴趣。前沿课程让学生了解熟悉领域前沿发展，结合后续的新能源材料综合实验、锂离子电池/太阳能电池/发光材料与器件课程设计以及专业设计等系列实验课程，统筹规划，根据一个课题分阶段设计不同课程的实验目标，根据教师个人研究方向分课程进行指导。

2.依托科研平台，建立第二课堂，有效提升学生实验技能水平

依托学科优势，精心设计实验内容，使实验课程在专业性的基础上，体现连贯性、可持续性、时效性，逐步锻炼提高学生的科研实验能力，开阔学生国际视野。在创新型人才培养过程中，综合性实验课程分为基础验证性实验与探索创新性实验两部分。基础验证性实验在本科教学实验室完成，探索创新性实验则在指导教师实验室进行。

依托科研平台资源，建立实验教学第二课堂，解决实验教学学时有限、无法开展探索性实验的问题。在综合性创新实验中，结合新能源专业教师科研方向，将实验划分为新材料开发、电化学基础、新能源材料制备、新能源器件综合管理等不同方向的兴趣小组，展开创新实验研究，并通过科研平台的多样化科研优势，优化教学内容，强化实验内容的时效性、综合性，提高学生参与实验的热情，加强学生设计实验、数据分析与仪器设备使用能力的训练。对专业实验的部分内容进行自主设计，学生可根据自己的兴趣爱好选择科研团队。第二课堂的建立，为有科研兴趣和科研余力的学生提供了机会与平台。

例如，新能源材料与器件专业综合实验教学在材料化学方向开设了脱合金法制备纳米多孔金属材料实验，依托科研平台多孔金属材料特色团队，实验课程内容紧密结合当前基础理论研究和能源应用热点，有力地激发了学生学习的热情与兴趣；实验内容既有基础实验知识，又有专业知识，使学生在了解多孔材料在新能源、催化领域应用的开放性应用前景的同时，提升其实验能力。在电子方向，本专业开设了锂离子电池管理系统设计实验。电池管理系统是电动汽车的中枢神经系统，负责管理支配电池系统的充放电过程，对于电动汽车平稳运行、电池安全稳定充放电至关重要。通过模拟电池管理系统实验，一方面加深了学生对于新能源器件下游应用端的理解，另一方面帮助学生建立了电池从材料、器件到集成应用的全链条开发思路。

3.以项目为依托、比赛为牵引，开展多元化教学

学生在前沿教学课程选题后，以教师科研项目为依托，以各类创新比赛为牵引，结合研究院的教师、研究生、科研方向等科研资源，形成一对一、一对多的实践教学。鼓励本科生积极参加“互联网+”“大创”等创新创业大赛，以赛促学，以赛促教[7-8]。通过科研任务、实验大赛等方式锻炼学生将理论和实际生产结合的能力，强化其工程综合能力和社会责任意识[9]。

传统的实验因学生精力、能力有限，不能够深入开展独立的课题研究。通过引入研究生辅助教学，可及时规范学生实验操作，形成良好的实验习惯，大大提高了学生的实验技能水平。

2021年，依托新能源材料与低碳技术研究院科研团队传统科研优势，2名本科生与研究生组成了“材聚天‘锂’新型电池研发团队”，参加中国大学生知行促进计划第四届动力电池创新竞赛，提出了面向新型电池的电解质原位固态化方案，解决了高比能柔性锂空气电池中的电池寿命短、工作环境苛刻等关键问题。决赛阶段与清华大学、北京大学、中国科学技术大学、北京理工大学等高水平大学团队同台竞争，最终获得决赛银奖的好成绩。在这个过程中，学生的实践、创新思维能力得到了系统、快速的锻炼，并且让学生逐步建立起了“产学研用”的科研意识。

三、改革效果

通过调查问卷形式对我校新能源材料与器件专业2017—2020级232名学生(以收回答卷数量为统计依据)从实验教学目标、课程内容设置与课程方式等多个方面进行了相关调查。问卷显示，在教学目标方面，75.43%的学生能够更加深入了解本专业的培养目标与要求，66.81%的学生对于专业的就业前景更具信心，同时45.26%的学生认为基于高水平科研平台所开展的创新实验课程有助于未来工作与学习深造。

通过依托高水平科研平台的实验教学改革，学生动手能力、工程实践能力，特别是综合创新能力与学习兴趣有显著提升。学生参与实践创新、科研竞赛的积极性明显提高。在大四上学期开设的新能源材料与器件综合创新实验课程与毕业论文中，学生开展研究的深度和广度得到进一步提升，本科生作为第一作者或共同作者在核心期刊发表的研究论文、专利申请数量均实现了新的突破。其中，2018级学生张添予以第二作者身份将研究成果发表在材料学一区Top期刊AdvancedScience上，常诚悦所研究的成果发表在一区杂志ACSAppliedMaterials&Interfaces上。在学科专业竞赛方面，不仅参与度逐年提升，获奖比例与获奖质量也有了显著提升。2018级学生刘天麒的项目获得2020年“挑战杯”天津市大学生创业计划竞赛金奖；2019级本科生陈虹芹、林轩宇组队参加了第四届中国大学生动力电池大赛，在全国100多支队伍中脱颖而出，以前三名的成绩获得全国银奖。学生反馈结果表明：超过85%的学生认为依托于高水平科研平台开展研究，能够更好地将课堂的理论知识与学科前沿相结合，而学科的交叉进一步促进了本科期间学生所学知识的融会贯通；超过80%的学生认为来自学科前沿的课题研究具有更强的趣味性，前沿训练与课题研究的开展极大地激发了学生学习探索的内在动力，实现了从“要我做”到“我要做”；超过95%的学生认为相关训练能让大家更早接触到科学前沿与工程实践问题，在解决实际问题中提高个人实践能力，提升毕业论文研究水平和专业自信心。

四、结语

新工科要求培养具有较强动手能力的创新型人才，天津理工大学新能源材料与器件专业实验教学通过引入交叉学科基础内容，以高水平科研平台为依托，探索建立人才培养新体系，深度改善实验教学内容。以项目为依托，以比赛为牵引，引导学生参与科研实验，开拓第二课堂，综合利用平台人力、智力以及设备资源，推动科教融合，为培养具有较强创新能力的学生提供了新思路。