新工科背景下材料專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(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)兩大問題[2]。傳統(tǒng)化石能源的利用對環(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)境污染問題的有效手段就是開發(fā)和清潔的可再生能源。所以，充足的太陽能如何被高效的利用是經(jīng)濟(jì)社會發(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、構(gòu)建科研思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力以及在教授理論知識的基礎(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[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)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方式上來說，本科生和研究生主要的不同點(diǎn)包括：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟町悺１究粕鷮?shí)驗(yàn)的目的主要是更加深刻的了解課本知識。而研究生則要通過實(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)簡單的實(shí)驗(yàn)步驟，并了解在實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的安全問題，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)對實(shí)驗(yàn)認(rèn)知上的差異。本科生來到實(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。一方面可以開闊視野，另一方面也會使他們的實(shí)驗(yàn)技能得到進(jìn)一步的提高，同時(shí)創(chuàng)新意識也會得到一定的培養(yǎng)；(2)改變成績考核體系。本科生對傳統(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；實(shí)驗(yàn)過程均用去離子水。

(2)實(shí)驗(yàn)方案：為了對比不同離子對氮化碳光催化產(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)測試樣品的紫外可見漫反射光譜；通過FTLA2000-104型傅里葉紅外分光光度計(jì)測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測定樣品的比表面積。

3.3 光催化性能分析與報(bào)告撰寫

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420 nm的濾光片。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫：(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)和論文寫作。論文寫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)生的論文寫作能力也會得到有效的題高，為自己進(jìn)一步深造打下基礎(chǔ)。學(xué)生為了寫科研文章,他們將會在知識的海洋自由探尋，更加積極得查閱古今中外的相關(guān)書籍和文獻(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)。總之,在機(jī)械工程材料這門課的教授過程中,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學(xué)以致用的學(xué)生才是社會最為需要的高素質(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(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

材料專業(yè)本科生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式是培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(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)生的提出問題、處理問題的能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程需要協(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，對其他專業(yè)課的教學(xué)有著一定的借鑒意義。