新工科背景下“材料綜合實驗”“科研參與式”教學模式改革

韓 雪，康大偉

（內蒙古民族大學 化學與材料學院，內蒙古 通遼 028000）

2017年，教育部積極推進新工科建設，隨后，認定612個“新工科”研究與實踐項目，系統(tǒng)推動和引領高等教育深層次改革[1]。新工科建設發(fā)展的根本目的在于培養(yǎng)學生運用知識解決實際問題的能力，同時也是培養(yǎng)本專業(yè)杰出人才的關鍵手段。在新工科背景下的教學過程中，學生不僅需要掌握學科知識，還需要具備跨學科合作、實踐操作和創(chuàng)新能力。通過參與新工科的科研項目和實踐教學，學生可以鍛煉實踐能力和創(chuàng)新思維，提高自己的綜合素質和科研水平。此外，學生需要接觸和掌握最新的科技成果和前沿知識，通過參與科研項目，學生可以培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力，從而更好地適應未來科技發(fā)展的需求。

材料化學是一門重要的學科，專注于研究新型材料的制備、性質及應用。在當今社會的各個領域都發(fā)揮著重要作用，為人類的科技進步和可持續(xù)發(fā)展提供了關鍵支持。其研究對象涵蓋了金屬材料、無機材料、高分子材料等多種類型。在建筑、能源、醫(yī)療、電子領域都有非常廣泛的應用，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，材料科學將會在更多領域中發(fā)揮重要作用。

材料綜合實驗是材料化學專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)實驗課程，目的在于使學生對化學新材料的前沿的發(fā)展、制備材料原理、操作流程，以及制備工藝方法和手段等有所理解和掌握；材料化學理論知識和實驗相結合，能夠掌握材料的制備流程和方法控制手段，鍛煉學生操作實驗的動手能力，在操作過程中，能夠理論和實踐相結合，對材料的合成機理進行深入分析和了解；培養(yǎng)了學生發(fā)現問題、分析問題和解決相關材料合成和制備方面問題的基本能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和科研素養(yǎng)，為今后的生產實踐和科學研究打下堅實的基礎[2]。

在新工科建設的引領下，培養(yǎng)學生具備創(chuàng)新思維和綜合科研素質是材料綜合實驗課程的核心要求，要將這一教學理念與新工科建設相融合[3]。在當前科技發(fā)展迅速的形勢下，如何運用一定的教學策略，適合的教學模式，激發(fā)學生的學習動力，提高學生的學習興趣，進而提高學生創(chuàng)新意識和科研素養(yǎng)十分重要。

1 科研參與式教學改革方案

1）材料綜合實驗教學現狀與改革

材料綜合實驗的傳統(tǒng)教學模式通常以教師為中心，采用課堂講解、實驗操作和成績評定三個環(huán)節(jié)相結合的方式進行教學。這種模式注重實驗操作技能的訓練和理論知識的學習，但存在一些問題。

實驗內容陳舊：傳統(tǒng)的材料綜合實驗教學內容相對陳舊，通常以經典實驗方案為主，缺乏對新材料、新工藝和新應用領域的探索和研究，難以滿足現代材料科學的發(fā)展需求。

教學方法單一：傳統(tǒng)的教學模式采用單一的教師講解和學生操作相結合的方式，缺乏個性化和差異化的教學方法，難以滿足不同學生的學習需求和興趣愛好。

實驗設備落后：傳統(tǒng)的材料綜合實驗教學設備相對落后，缺乏先進的測試和制備設備，難以進行高水平的實驗研究和探索。

材料化學專業(yè)是本校的特色專業(yè)，近些年，我院新引進的大型儀器設備（如SEM，TEM，PXRD，3D 打印等）為實驗教學的改革提供了基礎條件。近些年科技發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的實驗項目不能跟進科研的發(fā)展，只是讓學生照著實驗教材再做一遍，缺乏真正的探索和創(chuàng)新，不能讓學生了解前沿發(fā)展，限制了學生的創(chuàng)新思維發(fā)展。因此，選擇具有前沿性的實驗項目勢在必行。例如，將傳統(tǒng)的實驗項目更換為與教師科研相結合的項目“材料的3D 打印應用”，該實驗項目具有探究性、前沿性和新穎性等特點，是對學生掌握CAD 畫圖的深入。將傳統(tǒng)的合成項目改為綜合性科研項目實驗“探究ZIF-67的合成方法與應用”，該實驗項目的開展能夠讓學生做好文獻調研，自主寫實驗步驟、注意事項、數據分析、論文及報告等過程。不僅能夠讓學生了前沿發(fā)展，更能夠培養(yǎng)學生的合作能力、科研思維和創(chuàng)新能力。總之，材料化學實驗項目與教師科研課題相結合或來自生產實際有利于學生主觀能動性、創(chuàng)造力的發(fā)揮和全面提高綜合素質。

2）建立客觀的實驗成績評價體系

傳統(tǒng)的材料綜合實驗成績評價體系通常以實驗報告和平時表現為依據，這種評價方式存在一定的主觀性和片面性，不能全面反映學生的實驗能力和水平。實驗評價方式不科學：傳統(tǒng)的材料綜合實驗成績評定通常以實驗報告和平時表現為依據，這種評價方式存在一定的主觀性和片面性，不能全面反映學生的實驗能力和水平。

在科研參與式教學模式中，科學客觀的成績評價體系非常重要。在成績評定環(huán)節(jié)主要包含以下幾個部分。

文獻調研：課前小組學生根據教師給的實驗題目進行文獻調研，總結該實驗背景和發(fā)展前沿，以PPT匯報的形式與同學分享。教師根據學生匯報情況進行評價。

設計實驗過程：根據調研文獻和實驗室現有的藥品及儀器設備，對實驗步驟進行設計，教師指導修改，對最后的實驗設計進行評價。

實驗操作：實驗過程中，學生需要掌握正確的操作方法和技能，能夠獨立完成實驗任務，并獲得準確的實驗數據。教師可以根據學生的操作規(guī)范、實驗技能掌握程度和實驗結果準確性等方面進行評價。

實驗報告：可以通過對實驗報告的撰寫質量、內容完整性、數據處理與分析和注意事項總結等方面進行評價，了解學生對實驗的掌握程度和獨立思考能力。

論文書寫：實驗結束后要求學生以論文的形式書寫，既是對本實驗的總結又能鍛煉學生的寫作能力，為畢業(yè)論文的書寫做準備。教師對論文書寫質量進行評價。

材料綜合實驗的成績評價體系應該以客觀、公正和全面為原則，綜合考慮學生在文獻調研、實驗過程設計、實驗操作、實驗報告及論文書寫等幾個方面進行評定。對學生參與實驗的付出予以鼓勵，增強了學生對實驗課的責任感和完成實驗的成就感，從而提高了學生對參與實驗教學的積極性，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提高科研素質。

2 科研參與式教學模式在材料綜合實驗教學中的優(yōu)勢

材料化學專業(yè)強調理論與實踐的緊密結合，它要求學生既要具備深厚的專業(yè)理論知識，又要熟練掌握實驗技巧和擁有創(chuàng)新能力。該門課程涵蓋金屬、非金屬材料，納米材料和高分子材料等材料化學的基本知識、相關原理、實驗技術和研究方法。但是，當前材料化學實驗教學中存在著實驗項目缺乏靈活性、實驗內容與學科發(fā)展前沿脫節(jié)、實驗知識更新緩慢等問題[4]。因此，科研參與式教學模式在實驗教學中能夠發(fā)揮其優(yōu)勢。

1）對學生綜合能力提高起到積極的作用

提高學生文獻調研能力。高分子材料、無機非金屬材料、金屬材料和納米材料是新材料發(fā)展的重點領域，基于這些方向使實驗設置符合國際發(fā)展方向。教師給學生研究方向，學生在確定實驗路線之前要進行國內外文獻調研和總結，有助于培養(yǎng)學生了解本專業(yè)最新的國際熱點，了解目前科技前沿狀態(tài)，擴展新視野，強化學生創(chuàng)新能力。學生通過總結文獻調研，自主設計實驗流程、實驗表征、總結實驗注意事項等，教師進行修改，調動了學生的積極性和激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。例如兩組學生在做關于氧化鋅制備時，通過查閱文獻確定了不同路線的研究方案。一組同學利用硝酸鋅、無水乙二胺和氨水制備具有花狀結構的氧化鋅，這樣的結構比表面積大，適用于光催化降解等。另一組同學根據醋酸鋅和乙二醇制備具有微球狀的氧化鋅，通過石墨烯摻雜制備電池材料。兩組同學自主設計實驗，分析、解決實驗中遇到的難題，討論實驗結果，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了強化的作用。

培養(yǎng)學生團隊合作能力?？蒲袇⑴c式教學模式以小組為單位，將學生分為5人一組。從文獻調研到流程設計再到最后的數據分析，都需要組內成員進行合作。在每組中選出組長，協(xié)調內部溝通和推進實驗項目。在項目進行過程中，會經歷多種挫折，這就考驗學生通過團隊合作解決問題，這種方式對培養(yǎng)學生團隊合作能力起到非常重要的作用。

利用科研參與式教學模式不僅能夠讓學生了解科學前沿知識、提高實驗技能，更能夠激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作等綜合能力的提高。

2）有利于積累教師的教學經驗

教師進行科研參與式教學的同時，能夠全面地觀察學生的能力和興趣，以便于因材施教和更好地與學生溝通[5]。例如，能夠在科研參與式教學中發(fā)現有些學生文獻調研、文獻總結能力不夠深入，有些同學思維活躍，能夠從實驗中提出問題并努力解決問題，但是在實驗步驟操作不夠仔細。教師針對學生存在的情況給予指導和建議，在教學中對前者多給予一些文獻調研的經驗并鼓勵學生多練多思考，對后者教師應多安排一些實驗操作的機會，從而使同學的閱讀文獻能力和動手能力都能得到進一步的提高。在指導學生的過程中，教師也能夠通過學生獲取科研的靈感，調動教師科研和教學的積極性?？蒲袇⑴c式教學將科研成果運用于材料學實驗課程改革，可以實現科研與教學的統(tǒng)一。

3）有利于教師和學生之間的溝通

良好的師生關系是促進學生學習、努力、自信和創(chuàng)新的催化劑。在大學課堂中，學生與教師的交流僅限于課堂，課下交流機會很少，教師很難了解學生。而將科研參與式教學模式引入教學中，教師有更多的機會與學生溝通，能夠更加深入地理解學生，關心他們的需求，成為他們人生道路上的良師益友。在交流過程中，教師豐富的專業(yè)知識和經驗也在潛移默化中達到對學生創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。此外，在與學生交流的過程中，了解學生對實驗內容、操作等的熟練程度，以及對于此教學方法的態(tài)度等，這些是對教師所教授內容的反饋，以便教師總結經驗，提升自己的教學水平。

3 科研參與式教學模式面臨的考驗

1）科研參與式教學模式在一定程度上考驗學生的綜合能力，從文獻調研、總結到實驗方案的確定，從實驗操作、解決實驗中遇到問題到數據分析、報告撰寫等都需要學生自主完成。學生的個體差異不同，教師在布置完任務后，要及時指導完成較為困難的學生，此外，教師應考慮學生的興趣和學生能力，在此基礎上甄選合適的實驗題目，研究課題應該是對理論知識的深化和拓展，實驗選題難度應該適中。

2）實驗室現有的儀器設備也是影響科研參與式教學模式開展的因素之一，它們是開展實驗的基礎。應及時更新和升級實驗儀器設備、提高設備的使用率和完好率、加強設備的維護和管理等。只有這樣，才能更好地滿足實驗教學的需求，提高實驗教學的質量和效果。實驗方案的選擇應結合實驗室擁有的儀器設備進行。

3）教師的規(guī)范管理也是非常必要的。為了使科研參與式教學過程更加有效，教師應該制定合理并詳細的計劃和規(guī)章制度。在開展活動中，如果教師分配完任務后便撒手不管，任由學生自己研究，自己發(fā)展，沒有規(guī)劃的小組討論和指導，學生遇到問題不能夠及時解決，就會影響學生的進度和對實驗的積極性。所以，合理的規(guī)范管理制度和檢查制度是科研參與式教學模式正常進行的前提。

4 科研參與式教學模式的價值

科研參與式教學模式在教學過程中具有重要的價值?？蒲袇⑴c式教學是以學生為中心的教學，克服“灌輸式教學”的先天性弊病。傳統(tǒng)式實驗教學以驗證性實驗為主，缺乏對學生創(chuàng)新性和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)?？蒲袇⑴c式教學恰恰彌補了這一點，學生參與實驗的完整過程，包括文獻調研、自主設計實驗過程、分析實驗數據等。同時，科研參與式教學模式注重教師與學生合作的形式，在此過程中能夠對學生興趣和自主學習的培養(yǎng)。

其次，能夠緩和教學和科研的沖突。大學教師肩負著培養(yǎng)高層次應用型人才和推動知識創(chuàng)新的雙重使命。教學和科研是兩個重要的任務，但往往面臨相互沖突的困境，使人難以抉擇。實現教學與科研項目的互動，可以在一定程度上將大學教師的教學與科研有機地結合起來，從而達到事半功倍、雙贏的效果。

5 結束語

材料綜合實驗是材料化學專業(yè)核心課程，也是專業(yè)知識的擴展和延伸，在專業(yè)教學領域是非常重要的組成部分?？蒲袇⑴c式教學模式打破了傳統(tǒng)驗證性實驗過程，在實驗項目上、在考核制度和互饋制度上應進行改革?？蒲袇⑴c式教學模式能夠保證師生之間交流溝通，同時可以鍛煉學生創(chuàng)新精神和科研素養(yǎng)。