新工科背景下功能材料专业实验教学模式探索

李广环 龙涛 黎相明

［摘 要］ 针对目前功能材料实验实训体系教学中的实验过于机械化、学生对实验实训不重视、教学内容兴趣不高的问题，对功能材料专业实验实训体系进行改革。梳理实践教学目标和现有实验教学内容，重构实验实训体系，以新工科内涵为指导，加强与材料各相关专业的交叉融合。采用目标导向式实验实训方法，将实验实训模块化并形成体系，提升学生的专业交叉沟通能力、团队协作能力、实验规划和管理能力，实现多模块、多层次实验教学环节协同，强化学生实验技能和创新实践能力的培养。实践表明，上述改革的教学方法能够有效激发学生的实验兴趣，提高其解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 功能材料；实验实训；新工科；目标问题导向式教学

［基金项目］ 2022年度广东省高等教育教学研究和改革项目“新工科背景下功能材料专业实验实训体系的构建”（71013307055）；2021年度广东石油化工学院教学改革项目“新工科背景下功能材料专业实验实训体系的构建”（1234544）；2020年度广东石油化工学院人才引进项目“非贵金属催化剂研制及电化学性能研究”（520107）

［作者简介］ 李广环（1983—），男，内蒙古锡林郭勒人，博士，广东石油化工学院材料科学与工程学院高级工程师，主要从事实验室管理及新能源材料研究；黎相明（1991—），男，广东湛江人，博士，广东石油化工学院材料科学与工程学院副教授（通信作者），主要从事教育教学及新能源材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）25-0144-04 ［收稿日期］ 2022-09-09

目前，我国正处于经济结构调整和发展方式转变的关键时期，培养具有创新能力和解决复杂问题能力的多样化人才成为我国高校教学改革的重要方向［1-2］。2017年2月以来，国家积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，全力探索和打造工程教育中国模式，助力高等教育强国建设［3］。广东石油化工学院是广东省高水平理工科大学建设高校，是新工科背景下省域高等工程教育改革的重点高校，以培养应用技术型人才为主要目标，旨在为地方培养技术应用型骨干人才，要求毕业生完成学业后具有较强的实践动手和操作能力，以及解决实际生产复杂问题的能力。

实验实训教学作为创新型人才培养的重要环节，对学生的动手能力和解决实际问题能力的培养至关重要。功能材料专业是本科教学的一类基础学科，我国目前有60所高校开设了功能材料专业。在专业教学过程中，研究如何构建提升学生分析解决实际工程问题能力的实验实训体系具有十分重要的作用。本论文将通过梳理实践教学目标和现有实验教学内容，重构实验实训体系，以新工科思想为指导，加强与材料各相关专业的交叉融合。采用目标导向式实验实训方法，将实验实训模块化并形成体系，提升学生的专业交叉沟通能力、团队协作能力、实验规划和管理能力，实现多模块、多层次实验教学环节协同，强化学生实验实践能力和创新能力的培养。

一、传统功能材料实验实训教学现状

功能材料实验实训是功能材料专业教学中非常重要的环节，通过一系列的实验实训教学，学生能够将理论应用于实践，有利于培养学生的实践技能、创新能力和解决复杂工程问题的能力［4］。然而目前大多数高校受教学时间不足、实验条件缺乏或实验设计方案不合理等多因素影响，开设的实验课程往往都是从理论上对实验的目的、原理以及应用进行讲述，然后进一步进行固定的实验操作，大多数情况下学生不需要分析和创新，难以实现真正意义上的将专业理论运用于实践［5-6］。在此教育模式下学生的思维仅停留在机械性验证，限制了学生对实验过程的思考，发散思维被束缚。此外，传统的实验教学更偏向于理论，而理论方面的实验过分强调掌握基础理论知识，在综合实验过程中通常的做法是首先按照规定好的实验步骤进行实验，然后对实验思考题进行理论上的解答，忽略了在实验过程中教师目标问题导向下，让学生自行发现问题、分析问题和解决问题。传统的实验均要依附于理论课程，综合实验也要依附于理论课程［7］，功能材料开设的实验一般包含化工原理实验、无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验、材料加工实验、功能材料综合实验等。各个学校开设的实验课程都是以往的经典实验，这就会带来一些问题，比如开设的实验仅仅是验证性实验，并没有培养学生的發散思维与举一反三的能力；再如实验内容太单一，学生做实验时无法联系日常生活而提不起兴趣。所以在教学过程中，可适当结合国际相对比较前沿的新型功能性材料来增加学生对本课程的兴趣，激发学生学习的热情。

二、功能材料实验实训教学模式构建

（一）功能材料实验实训教师队伍改革

功能材料专业是根据材料与技术的发展趋势以及国家产业界对相关人才的迫切需求而设立的多学科交叉专业。然而，在传统的师资队伍中，几乎所有的专业课教师都是材料、化学或化工专业背景出身，大部分专业教师都是从学校毕业后直接进入学校工作，没有企业工作经历，对实验结果过于理想化，很难应用于真实场景［8］，因此，在建设师资队伍时还需其他经验较丰富的相关专业的教师，这样就可以及时解决实验课程中存在的问题，学生也能对实验过程中所出现的异常情况有较为清晰的认识，具体提出如下方案。

1.教师必须具备专业理论、安全应急等方面的知识，同时具备一定的学历，具有相关专业相应的资格证书，确保实验实训师资队伍的专业性。

2.师资队伍中应有一定数量的具有企业工作经历的教师，此外还应有专业相关如数据处理、仪器维护和分析的教师，确保培养体系的完整性。

（二）功能材料实验实训教学改革新模式

1.目标问题导向式教学。激发学生自主学习及创新实践热情，通过适当的方法引导学生学习和创新的积极性是迫切需要实现的目标。目标问题导向式教学就是依据专业人才培养目标与课程教学目标对学生全面综合素质的要求，融合课程具体教学内容，精心设计循序渐进式的可促进学生自主学习、激发学生学习兴趣的多种类型教学问题，把目标素质要求化为问题体系，有效指导教学设计，促进课程教学有效逼近人才培养目标［9］。设计的问题应包括实验基本操作问题、实验重点操作问题、实验难点操作问题。对于实验基本操作问题，学生通过阅读实验教材及按步骤操作就可以解决；对于实验重点操作问题，需要学生进行一系列简单的操作来达到综合实验的目的，需要学生动脑思考；对于实验难点操作问题，由教师给出一个实验，需要学生自己结合课程前后所学设计实验步骤。在实验教学中应该让传统的“灌输式”教学模式比例进一步缩小，给予学生自由实验和创新的空间。教师可利用微信、雨课堂提前发布功能材料实验实训PPT、相关学习链接等相关信息，学生可以及时学习，将实验预习碎片化，同时增加了师生间的沟通频率。为了提高学生对专业认识的兴趣，在微信或雨课堂中推送标准实验视频，让学生对经典实验有所了解。另外，在网络上向学生展示大学期间涉及的各类实验室的基本情况，使其了解功能材料未来就业方向、实验设计理念、实验课程设置情况、实验仪器与设备以及在大学四年将接触到的各类创新创业比赛等，同时也会借助一些典型实验案例向学生进行演示，使学生对专业概念形成更具体的认识，提升学生的学习兴趣。将实验室安全教育作为首要的重点问题，围绕实验实训的内容，重点对学生平时不重视的问题，比如安全用电、设备安全操作规程进行培训，并将安全规范操作计入考试。涉及的实验实训内容要做到重常识、重应用、不给出详细操作步骤，教师的讲解要简明扼要、重点突出，更多地引导学生，帮助学生主动思考，将更多时间留给学生思考和动手操作。让学生发现奥妙，发挥学生的创新实践热情。

2.建设“基础性、提高性、综合性、开放性”模块实验实训体系。为适应不同层次学生的需要，功能材料专业的实验教学体系由“基础性、提高性、综合性、开放性”四模块教学内容构成。化工原理、无机分析、有机物化实验是专业基础实验课，重点建设的内容定义为“基础性”模块。“提高性”模块重点是和材料科学基础、电子化学品材料、能源材料等紧密相关的实验内容，例如半导体器件的封装、电解水制氢气、纳米催化剂设计等实验。“综合性”模块是构建集制备、提纯、分析、表征、应用于一体的综合性实验，增强各科知识点的交叉融合，促进学生灵活运用知识点，掌握完整的知识体系，从而提高学生的综合素质，培养学生解决复杂问题的能力。“开放性”模块主要针对学有余力的学生，利用闲暇时间，开展创新创业实验，培养学生的创新创业精神和意识。在“开放性”模块中设置有科技文献查询及总结、项目申请、开题报答辩、中期检查、结题以及论文撰写等内容，配有专业教师对每个环节进行精心指导，切实培养了学生独立开展科学研究课题或项目开发的能力。

3.功能材料专业实验实训创新、创业平台创建。在实验教学平台方面创建与功能材料专业实验实训培养体系相适应的四级实验教学平台：功能材料专业基础训练实验平台、专业提升实验教学平台、综合提升实验教学平台和创新创业设计教学平台。（1）功能材料专业基础训练实验平台：主要面向一、二年级学生开设功能材料学科基础和专业基础课程方面的实验，包括化工原理实验、无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验以及计算机在材料科学与工程中的应用等。专业基础实验教学主要是对学生进行材料学科基础知识、基本实验方法和基本操作的训练，主要培养学生的基本实验技能。（2）专业提升实验教学平台：主要面向二、三年级学生。从专业系统性出发，分别从功能材料的制作、合成电化学品高纯试剂提纯、电化学品合成、电化学品器件组装及测试四个方面设置了功能材料专业提升实验模块，实验内容包含材料合成设计、材料结构表征、材料组装、性能测试与分析、应用评价等方面，对学生进行专业提升实验系统训练，主要培养学生的专业知识、实验方法和手段的综合应用以及工程意识。（3）综合提升实验教学平台：面向三、四年级学生。从提升训练出发，以Capstone课程为抓手，建立综合提升实验教学平台。该平台是以三、四年级学生为对象，在专业且有能力的教师指导下，2～3人一组组成团队，运用掌握的各种实验技能和分析能力解决课程实验的综合问题。该平台可以帮助学生梳理本科阶段所学知识，大幅度提升学生的综合能力。以功能材料综合实验室、分析测试中心以及学校的创新创业学院为依托，建立企业联系平台，组织师生深入企业，邀请掌握先进工程技术的企业工程师进课堂。培养学生理论和实践结合的思维，打造一支和企业需要结合紧密的应用型人才队伍，成为普通高校发展新工科并实现跨越发展的重要动力。（4）创新创业设计教学平台：该实验平台主要依托功能材料专业实验平台、科研实验室、学院的精密仪器分析平台和学院的联合实验平台，例如广油—美联新材料研究院、广油—丰能高新技术研究院、广东省橡塑材料制备与加工工程技术开发中心等科研平台而构建，围绕功能材料特别是电子化学品领域，结合具体的创新项目课程，由各课题组结合自己的研究方向设置实验，实验教学内容不仅要与本学科前沿紧密结合，还要与工程应用以及发明创造密切联系，该平台面向各级本科生开放，重点面向高年级本科生开放，培养学生的创新能力和实践能力。

结语

功能材料专业是国家大力倡导的战略性新兴产业相关专业，沿袭了材料学科实践性较强的特点。新工科背景下功能材料实验实训体系的建设对于培养学生的动手能力和解决问题能力具有重要意义。广东石油化工学院功能材料专业以新工科背景和高水平理工大学建设为契机，经过多年探索实践构建的递进式综合实验训练体系，注重目标问题导向式教学，并重视将科研成果与教学的结合，具有综合训练程度高、实践应用性强的特点，在教学内容和教学方法上形成了具有较强专业特色的综合实验实训体系，切实培养了学生的专业综合创新能力。

参考文献

［1］章晓波，王再友.新工科背景下地方高校功能材料专业应用型人才培养探索［J］.高教论坛，2019（12）：51-53.

［2］麦宇红.新农科背景下现代农业复合型人才培养实验教学平台的建设实践［J］.实验技术与管理，2020，37（6）：254-258.

［3］高教司.“新工科”建设复旦共识［J］.复旦教育论坛，2017，15（2）：27-28.

［4］王显威，朱倩倩，王小二，等.功能材料专业研究型实验教学模式探索［J］.实验室研究与探索，2017，36（8）：184-186.

［5］胡秀丽，王旭红，姚霞喜.功能材料专业综合性实验教学改革的探索［J］.广东化工，2017，44（13）：309-310.

［6］温建武，曹林洪，王軍霞，等.“功能材料专业”实验教学体系构建及实践探究［J］.高教学刊，2018（4）：83-85.

［7］姜宝成，刘辉，张昊春，等.面向新工科人才培养的能源动力大类专业实验教学体系建设［J］.高等工程教育研究，2019（S1）：43-44+52.

［8］李晓丹，胡心雨.以专业认证为导向的材料专业综合实验教学改革与实践［J］.广州化工，2019，47（22）：168-170.

［9］李广环，龙涛，任合刚，等.以提高学生化工安全与环保能力为目的的教学改革研究［J］.化工设计通讯，2021，47（4）：92-93.

Abstract： In view of the problems that the experiment in the current functional material experimental training system teaching is too mechanized， the students do not pay attention to the experimental training and the teaching content is not high， the functional material experimental training system is reformed. Sort out the practical teaching objectives and existing experimental teaching contents， reconstruct the experimental training system， and strengthen the cross integration with materials related majors under the guidance of the new engineering connotation. Adopt the objective- oriented learning method， modularize the experimental training and form a system， to improve the students professional communication quality， team cooperation quality and experimental management quality， achieve effective cooperation in multi-level experimental teaching links， and strengthen the cultivation of students experimental skills and innovative practice ability. Practice shows that the above teaching methods can effectively stimulate students interest in learning and improve their ability to solve complex engineering problems.

Key words： functional materials; experimental training; emerging engineering education; objective-oriented learning