新工科背景下材料專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)

張龍，安東海，馬丙闖(昌吉學(xué)院物理系， 新疆 昌吉 831100)

0 引言

時(shí)至今日，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與實(shí)踐漸已成為高等院校人才培養(yǎng)的重要途徑[1]。培養(yǎng)高科技人才是新時(shí)代黨和國(guó)家賦予高等院校的使命，也是地方院校為服務(wù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)義不容辭的責(zé)任。新疆昌吉學(xué)院立志培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展、具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型材料專業(yè)人才。

當(dāng)前，人們非常關(guān)注環(huán)境污染和能源危機(jī)兩大問(wèn)題[2]。傳統(tǒng)化石能源的利用對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，如煤炭、石油等不可再生的能源。解決能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的有效手段就是開(kāi)發(fā)和清潔的可再生能源。所以，充足的太陽(yáng)能如何被高效的利用是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要課題。此時(shí)，培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才是昌吉學(xué)院基于新疆經(jīng)濟(jì)特色及新工科背景下的必然要求，而在材料專業(yè)人才培養(yǎng)中，對(duì)學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)尤為重要。因此，材料專業(yè)大學(xué)生如能更加全面地掌握專業(yè)理論知識(shí)、構(gòu)建科研思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力以及在教授理論知識(shí)的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐素養(yǎng)，是新工科背景下中國(guó)高校的重要使命之一[3]。設(shè)計(jì)完整的具有一定復(fù)雜度的專業(yè)性研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐能力，也是材料及相關(guān)學(xué)科教學(xué)改革的必然趨勢(shì)[4]。然而，目前在材料專業(yè)相關(guān)教學(xué)活動(dòng)中，鮮有專業(yè)性研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1 本科材料專業(yè)與研究生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的差異

材料專業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性的特點(diǎn)，其中實(shí)驗(yàn)是材料學(xué)科必不可少的實(shí)踐課程，從實(shí)驗(yàn)中尋求規(guī)律和真理是研究生的日常工作。與此同時(shí)，在當(dāng)前的高校本科生教學(xué)中，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占比過(guò)大，一定程度可以起到鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，但是鞏固所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，也有一定的局限性。在本科生中的實(shí)驗(yàn)中，考慮到教學(xué)目標(biāo)，很多實(shí)驗(yàn)都是進(jìn)行一些常態(tài)化的操作，很少考慮合成材料的普適性和工程化，但是對(duì)于研究生的培養(yǎng)卻往往重視研究的適用性。

高校在創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方式上來(lái)說(shuō)，本科生和研究生主要的不同點(diǎn)包括：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟町?。本科生?shí)驗(yàn)的目的主要是更加深刻的了解課本知識(shí)。而研究生則要通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找其機(jī)理并且有創(chuàng)新點(diǎn)的設(shè)計(jì)；(2)實(shí)驗(yàn)要求的不同。本科生只需要重復(fù)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)步驟，并了解在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的安全問(wèn)題，重在培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)技能。而研究生要在此基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新，追根溯源；(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)知上的差異。本科生來(lái)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是出于考核的需要，很少去關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身。而研究生實(shí)驗(yàn)是他們每天必須從事的主題工作。他們會(huì)關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中更加有主動(dòng)性；(4)教學(xué)模式的異同。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求的不同，導(dǎo)致教學(xué)方式存在很大的不同。在臨近畢業(yè)的時(shí)候，本科生開(kāi)始為畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)技能很難獲得提升。而研究生采用的是導(dǎo)師制，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且研究生整個(gè)階段主體工作就是實(shí)驗(yàn)。因此，如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓本科學(xué)生學(xué)會(huì)思考、發(fā)揮主觀能動(dòng)性，是材料專業(yè)教育者必須思考的一個(gè)問(wèn)題[5]。

2 實(shí)施本科與研究生交叉實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)模式的改革主要是對(duì)于本科與研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段的改變。主要方式：(1)研究生帶領(lǐng)著本科生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，以代替本科傳統(tǒng)的技能實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。一方面可以開(kāi)闊視野，另一方面也會(huì)使他們的實(shí)驗(yàn)技能得到進(jìn)一步的提高，同時(shí)創(chuàng)新意識(shí)也會(huì)得到一定的培養(yǎng)；(2)改變成績(jī)考核體系。本科生對(duì)傳統(tǒng)技能實(shí)驗(yàn)不感興趣，創(chuàng)新興趣也很難被激發(fā)，但是課程的考核關(guān)于本科生的畢業(yè)，合理的考核機(jī)制，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，也能促進(jìn)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

本科生的學(xué)習(xí)熱情在教學(xué)過(guò)程中不容忽略，教育者需要在科學(xué)研究和教學(xué)的發(fā)展過(guò)程中認(rèn)真地思考和設(shè)計(jì)，讓學(xué)生真正參與科學(xué)創(chuàng)新研究，促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。下面本文通過(guò)氮化碳光催化材料的制備為例了解新工科背景下材料專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的研究方案

3.1 氮化碳光催化材料的制備

(1)實(shí)驗(yàn)試劑：尿素，氯化鉀，氯化鋰，氯化鈉，溴化鉀，溴化鋰，三乙醇胺。上述試劑都為分析純級(jí)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程均用去離子水。

(2)實(shí)驗(yàn)方案：為了對(duì)比不同離子對(duì)氮化碳光催化產(chǎn)氫活性的影響，結(jié)合材料專業(yè)方向及培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)以下三組創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

第一組：將尿素(10 g)放入30 ml圓形坩堝中，放入升溫速率為5 ℃ min-1的馬弗爐中500 ℃預(yù)燒4 h，接著將所得樣品與KCl/LiCl(3.3 g/2.7 g)熔鹽研磨混合均勻，然后550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-KLi。第二組：將上述預(yù)燒后的樣品與KCl/NaCl(2.5 g/2.5 g)熔鹽先研磨混合均勻，接著在空氣下550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-KNa。第三組：將上述預(yù)燒后的樣品與KBr/LiBr(2.4 g/2.6 g)熔鹽先研磨混合均勻，接著在空氣下550 ℃高溫煅燒4 h，隨爐降至室溫后取出，用去離子水充分沖洗去除鹽分，放入60 ℃干燥箱干燥，將最終樣品命名為CN-Br。

3.2 氮化碳光催化材料結(jié)構(gòu)表征

利用BRUKER AXS D8型粉末X射線衍射儀測(cè)定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，粉末衍射源為Cu Ka X射線管，加速電壓為40 kV，加速電流為40 mA；用Hitachi S-4 800型掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌；用帶積分球的Shimadzu UV 2500型分光光度計(jì)測(cè)試樣品的紫外可見(jiàn)漫反射光譜；通過(guò)FTLA2000-104型傅里葉紅外分光光度計(jì)測(cè)試樣品的傅里葉紅光光譜；采用氮?dú)馕奖缺砻娣e分析儀Builder 4200測(cè)定樣品的比表面積。

3.3 光催化性能分析與報(bào)告撰寫(xiě)

樣品的光催化分解水產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)帶有石英蓋的密閉剝離反應(yīng)器中進(jìn)行。反應(yīng)器中含有50 mg催化劑和100 ml溶液(10 ml的三乙醇胺犧牲劑和90 ml高純水)。反應(yīng)器下裝有磁力攪拌器以確保反應(yīng)過(guò)程中光催化劑能均勻的分散在溶液中。反應(yīng)器上加300 W氙燈作為反應(yīng)光源，在光源發(fā)生處安裝一個(gè)截至波長(zhǎng)420 nm的濾光片。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2)實(shí)驗(yàn)原理(3)實(shí)驗(yàn)儀器與相關(guān)藥品(4)實(shí)驗(yàn)步驟(5)材料表征(6)光催化性能分析(7)數(shù)據(jù)記錄與處理(8)注意事項(xiàng)(9)實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

3.4 成績(jī)考核

考試方式方法是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改革,加大平時(shí)學(xué)習(xí)積累的比例,將平時(shí)積累分為實(shí)驗(yàn)、課堂互動(dòng)、作業(yè)、上課表現(xiàn)和論文寫(xiě)作。論文寫(xiě)作主要是參照研究生的培養(yǎng)方案進(jìn)行設(shè)定的，可以打破以往學(xué)生固定思維的做法—平時(shí)不努力臨考搞突擊,這樣可以有效地促進(jìn)學(xué)的主觀能動(dòng)性，改變以往學(xué)生的不思考不主動(dòng)的局面,學(xué)生的論文寫(xiě)作能力也會(huì)得到有效的題高，為自己進(jìn)一步深造打下基礎(chǔ)。學(xué)生為了寫(xiě)科研文章,他們將會(huì)在知識(shí)的海洋自由探尋，更加積極得查閱古今中外的相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn),從而攻克自己所從事的行業(yè)的難題，從而更加增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的動(dòng)力。所以,論文的創(chuàng)新性能判斷出學(xué)生在課下是否下功夫，成為考核中的一個(gè)重要的指標(biāo)?？傊?在機(jī)械工程材料這門(mén)課的教授過(guò)程中,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以學(xué)生為主體，教師循序漸進(jìn)式地引導(dǎo)學(xué)生思考。能將教師傳授的知識(shí)學(xué)以致用的學(xué)生才是社會(huì)最為需要的高素質(zhì)合格人才[6]。

具體考核方式如下：

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告的撰寫(xiě)(10分)；實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備(10分)；實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備分工協(xié)作(5分)；智能導(dǎo)學(xué)：學(xué)習(xí)進(jìn)度(5分)；師生互動(dòng)(10分)；實(shí)驗(yàn)操作：操作正確(15分)；操作熟練(10分)；實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)協(xié)作(10分)；總結(jié)創(chuàng)新：實(shí)驗(yàn)結(jié)果小結(jié)(10分)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析(15分)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推廣應(yīng)用(附加分10分)

4 結(jié)語(yǔ)

材料專業(yè)本科生開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式是培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的有力措施。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅提高了學(xué)生操作技能和歸納設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，同時(shí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生的邏輯思維能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)不斷的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷的改進(jìn)與積累實(shí)驗(yàn)思維，鍛煉了學(xué)生的提出問(wèn)題、處理問(wèn)題的能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要協(xié)調(diào)課題組其他成員共同探討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，團(tuán)結(jié)協(xié)作能力也不斷提高。通過(guò)考核方式的不斷更新，更全面、真實(shí)地反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和科研創(chuàng)新能力，對(duì)其他專業(yè)課的教學(xué)有著一定的借鑒意義。