新工科背景下功能材料專業(yè)實驗教學(xué)模式探索

李廣環(huán) 龍濤 黎相明

［摘 要］ 針對目前功能材料實驗實訓(xùn)體系教學(xué)中的實驗過于機械化、學(xué)生對實驗實訓(xùn)不重視、教學(xué)內(nèi)容興趣不高的問題，對功能材料專業(yè)實驗實訓(xùn)體系進(jìn)行改革。梳理實踐教學(xué)目標(biāo)和現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)實驗實訓(xùn)體系，以新工科內(nèi)涵為指導(dǎo)，加強與材料各相關(guān)專業(yè)的交叉融合。采用目標(biāo)導(dǎo)向式實驗實訓(xùn)方法，將實驗實訓(xùn)模塊化并形成體系，提升學(xué)生的專業(yè)交叉溝通能力、團隊協(xié)作能力、實驗規(guī)劃和管理能力，實現(xiàn)多模塊、多層次實驗教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)同，強化學(xué)生實驗技能和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。實踐表明，上述改革的教學(xué)方法能夠有效激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，提高其解決復(fù)雜工程問題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 功能材料；實驗實訓(xùn)；新工科；目標(biāo)問題導(dǎo)向式教學(xué)

［基金項目］ 2022年度廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項目“新工科背景下功能材料專業(yè)實驗實訓(xùn)體系的構(gòu)建”（71013307055）；2021年度廣東石油化工學(xué)院教學(xué)改革項目“新工科背景下功能材料專業(yè)實驗實訓(xùn)體系的構(gòu)建”（1234544）；2020年度廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項目“非貴金屬催化劑研制及電化學(xué)性能研究”（520107）

［作者簡介］ 李廣環(huán)（1983—），男，內(nèi)蒙古錫林郭勒人，博士，廣東石油化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院高級工程師，主要從事實驗室管理及新能源材料研究；黎相明（1991—），男，廣東湛江人，博士，廣東石油化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事教育教學(xué)及新能源材料研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）25-0144-04 ［收稿日期］ 2022-09-09

目前，我國正處于經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題能力的多樣化人才成為我國高校教學(xué)改革的重要方向［1-2］。2017年2月以來，國家積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，全力探索和打造工程教育中國模式，助力高等教育強國建設(shè)［3］。廣東石油化工學(xué)院是廣東省高水平理工科大學(xué)建設(shè)高校，是新工科背景下省域高等工程教育改革的重點高校，以培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才為主要目標(biāo)，旨在為地方培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型骨干人才，要求畢業(yè)生完成學(xué)業(yè)后具有較強的實踐動手和操作能力，以及解決實際生產(chǎn)復(fù)雜問題的能力。

實驗實訓(xùn)教學(xué)作為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生的動手能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。功能材料專業(yè)是本科教學(xué)的一類基礎(chǔ)學(xué)科，我國目前有60所高校開設(shè)了功能材料專業(yè)。在專業(yè)教學(xué)過程中，研究如何構(gòu)建提升學(xué)生分析解決實際工程問題能力的實驗實訓(xùn)體系具有十分重要的作用。本論文將通過梳理實踐教學(xué)目標(biāo)和現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)實驗實訓(xùn)體系，以新工科思想為指導(dǎo)，加強與材料各相關(guān)專業(yè)的交叉融合。采用目標(biāo)導(dǎo)向式實驗實訓(xùn)方法，將實驗實訓(xùn)模塊化并形成體系，提升學(xué)生的專業(yè)交叉溝通能力、團隊協(xié)作能力、實驗規(guī)劃和管理能力，實現(xiàn)多模塊、多層次實驗教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)同，強化學(xué)生實驗實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

一、傳統(tǒng)功能材料實驗實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

功能材料實驗實訓(xùn)是功能材料專業(yè)教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)，通過一系列的實驗實訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于實踐，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力［4］。然而目前大多數(shù)高校受教學(xué)時間不足、實驗條件缺乏或?qū)嶒炘O(shè)計方案不合理等多因素影響，開設(shè)的實驗課程往往都是從理論上對實驗的目的、原理以及應(yīng)用進(jìn)行講述，然后進(jìn)一步進(jìn)行固定的實驗操作，大多數(shù)情況下學(xué)生不需要分析和創(chuàng)新，難以實現(xiàn)真正意義上的將專業(yè)理論運用于實踐［5-6］。在此教育模式下學(xué)生的思維僅停留在機械性驗證，限制了學(xué)生對實驗過程的思考，發(fā)散思維被束縛。此外，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)更偏向于理論，而理論方面的實驗過分強調(diào)掌握基礎(chǔ)理論知識，在綜合實驗過程中通常的做法是首先按照規(guī)定好的實驗步驟進(jìn)行實驗，然后對實驗思考題進(jìn)行理論上的解答，忽略了在實驗過程中教師目標(biāo)問題導(dǎo)向下，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。傳統(tǒng)的實驗均要依附于理論課程，綜合實驗也要依附于理論課程［7］，功能材料開設(shè)的實驗一般包含化工原理實驗、無機化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗、材料加工實驗、功能材料綜合實驗等。各個學(xué)校開設(shè)的實驗課程都是以往的經(jīng)典實驗，這就會帶來一些問題，比如開設(shè)的實驗僅僅是驗證性實驗，并沒有培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維與舉一反三的能力；再如實驗內(nèi)容太單一，學(xué)生做實驗時無法聯(lián)系日常生活而提不起興趣。所以在教學(xué)過程中，可適當(dāng)結(jié)合國際相對比較前沿的新型功能性材料來增加學(xué)生對本課程的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

二、功能材料實驗實訓(xùn)教學(xué)模式構(gòu)建

（一）功能材料實驗實訓(xùn)教師隊伍改革

功能材料專業(yè)是根據(jù)材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢以及國家產(chǎn)業(yè)界對相關(guān)人才的迫切需求而設(shè)立的多學(xué)科交叉專業(yè)。然而，在傳統(tǒng)的師資隊伍中，幾乎所有的專業(yè)課教師都是材料、化學(xué)或化工專業(yè)背景出身，大部分專業(yè)教師都是從學(xué)校畢業(yè)后直接進(jìn)入學(xué)校工作，沒有企業(yè)工作經(jīng)歷，對實驗結(jié)果過于理想化，很難應(yīng)用于真實場景［8］，因此，在建設(shè)師資隊伍時還需其他經(jīng)驗較豐富的相關(guān)專業(yè)的教師，這樣就可以及時解決實驗課程中存在的問題，學(xué)生也能對實驗過程中所出現(xiàn)的異常情況有較為清晰的認(rèn)識，具體提出如下方案。

1.教師必須具備專業(yè)理論、安全應(yīng)急等方面的知識，同時具備一定的學(xué)歷，具有相關(guān)專業(yè)相應(yīng)的資格證書，確保實驗實訓(xùn)師資隊伍的專業(yè)性。

2.師資隊伍中應(yīng)有一定數(shù)量的具有企業(yè)工作經(jīng)歷的教師，此外還應(yīng)有專業(yè)相關(guān)如數(shù)據(jù)處理、儀器維護和分析的教師，確保培養(yǎng)體系的完整性。

（二）功能材料實驗實訓(xùn)教學(xué)改革新模式

1.目標(biāo)問題導(dǎo)向式教學(xué)。激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐熱情，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ龑?dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的積極性是迫切需要實現(xiàn)的目標(biāo)。目標(biāo)問題導(dǎo)向式教學(xué)就是依據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)與課程教學(xué)目標(biāo)對學(xué)生全面綜合素質(zhì)的要求，融合課程具體教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計循序漸進(jìn)式的可促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的多種類型教學(xué)問題，把目標(biāo)素質(zhì)要求化為問題體系，有效指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計，促進(jìn)課程教學(xué)有效逼近人才培養(yǎng)目標(biāo)［9］。設(shè)計的問題應(yīng)包括實驗基本操作問題、實驗重點操作問題、實驗難點操作問題。對于實驗基本操作問題，學(xué)生通過閱讀實驗教材及按步驟操作就可以解決；對于實驗重點操作問題，需要學(xué)生進(jìn)行一系列簡單的操作來達(dá)到綜合實驗的目的，需要學(xué)生動腦思考；對于實驗難點操作問題，由教師給出一個實驗，需要學(xué)生自己結(jié)合課程前后所學(xué)設(shè)計實驗步驟。在實驗教學(xué)中應(yīng)該讓傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式比例進(jìn)一步縮小，給予學(xué)生自由實驗和創(chuàng)新的空間。教師可利用微信、雨課堂提前發(fā)布功能材料實驗實訓(xùn)PPT、相關(guān)學(xué)習(xí)鏈接等相關(guān)信息，學(xué)生可以及時學(xué)習(xí)，將實驗預(yù)習(xí)碎片化，同時增加了師生間的溝通頻率。為了提高學(xué)生對專業(yè)認(rèn)識的興趣，在微信或雨課堂中推送標(biāo)準(zhǔn)實驗視頻，讓學(xué)生對經(jīng)典實驗有所了解。另外，在網(wǎng)絡(luò)上向?qū)W生展示大學(xué)期間涉及的各類實驗室的基本情況，使其了解功能材料未來就業(yè)方向、實驗設(shè)計理念、實驗課程設(shè)置情況、實驗儀器與設(shè)備以及在大學(xué)四年將接觸到的各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽等，同時也會借助一些典型實驗案例向?qū)W生進(jìn)行演示，使學(xué)生對專業(yè)概念形成更具體的認(rèn)識，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將實驗室安全教育作為首要的重點問題，圍繞實驗實訓(xùn)的內(nèi)容，重點對學(xué)生平時不重視的問題，比如安全用電、設(shè)備安全操作規(guī)程進(jìn)行培訓(xùn)，并將安全規(guī)范操作計入考試。涉及的實驗實訓(xùn)內(nèi)容要做到重常識、重應(yīng)用、不給出詳細(xì)操作步驟，教師的講解要簡明扼要、重點突出，更多地引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生主動思考，將更多時間留給學(xué)生思考和動手操作。讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)奧妙，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新實踐熱情。

2.建設(shè)“基礎(chǔ)性、提高性、綜合性、開放性”模塊實驗實訓(xùn)體系。為適應(yīng)不同層次學(xué)生的需要，功能材料專業(yè)的實驗教學(xué)體系由“基礎(chǔ)性、提高性、綜合性、開放性”四模塊教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成。化工原理、無機分析、有機物化實驗是專業(yè)基礎(chǔ)實驗課，重點建設(shè)的內(nèi)容定義為“基礎(chǔ)性”模塊。“提高性”模塊重點是和材料科學(xué)基礎(chǔ)、電子化學(xué)品材料、能源材料等緊密相關(guān)的實驗內(nèi)容，例如半導(dǎo)體器件的封裝、電解水制氫氣、納米催化劑設(shè)計等實驗。“綜合性”模塊是構(gòu)建集制備、提純、分析、表征、應(yīng)用于一體的綜合性實驗，增強各科知識點的交叉融合，促進(jìn)學(xué)生靈活運用知識點，掌握完整的知識體系，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。“開放性”模塊主要針對學(xué)有余力的學(xué)生，利用閑暇時間，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和意識。在“開放性”模塊中設(shè)置有科技文獻(xiàn)查詢及總結(jié)、項目申請、開題報答辯、中期檢查、結(jié)題以及論文撰寫等內(nèi)容，配有專業(yè)教師對每個環(huán)節(jié)進(jìn)行精心指導(dǎo)，切實培養(yǎng)了學(xué)生獨立開展科學(xué)研究課題或項目開發(fā)的能力。

3.功能材料專業(yè)實驗實訓(xùn)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)平臺創(chuàng)建。在實驗教學(xué)平臺方面創(chuàng)建與功能材料專業(yè)實驗實訓(xùn)培養(yǎng)體系相適應(yīng)的四級實驗教學(xué)平臺：功能材料專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗平臺、專業(yè)提升實驗教學(xué)平臺、綜合提升實驗教學(xué)平臺和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計教學(xué)平臺。（1）功能材料專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗平臺：主要面向一、二年級學(xué)生開設(shè)功能材料學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)課程方面的實驗，包括化工原理實驗、無機化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗以及計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用等。專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)主要是對學(xué)生進(jìn)行材料學(xué)科基礎(chǔ)知識、基本實驗方法和基本操作的訓(xùn)練，主要培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能。（2）專業(yè)提升實驗教學(xué)平臺：主要面向二、三年級學(xué)生。從專業(yè)系統(tǒng)性出發(fā)，分別從功能材料的制作、合成電化學(xué)品高純試劑提純、電化學(xué)品合成、電化學(xué)品器件組裝及測試四個方面設(shè)置了功能材料專業(yè)提升實驗?zāi)K，實驗內(nèi)容包含材料合成設(shè)計、材料結(jié)構(gòu)表征、材料組裝、性能測試與分析、應(yīng)用評價等方面，對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)提升實驗系統(tǒng)訓(xùn)練，主要培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識、實驗方法和手段的綜合應(yīng)用以及工程意識。（3）綜合提升實驗教學(xué)平臺：面向三、四年級學(xué)生。從提升訓(xùn)練出發(fā)，以Capstone課程為抓手，建立綜合提升實驗教學(xué)平臺。該平臺是以三、四年級學(xué)生為對象，在專業(yè)且有能力的教師指導(dǎo)下，2～3人一組組成團隊，運用掌握的各種實驗技能和分析能力解決課程實驗的綜合問題。該平臺可以幫助學(xué)生梳理本科階段所學(xué)知識，大幅度提升學(xué)生的綜合能力。以功能材料綜合實驗室、分析測試中心以及學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院為依托，建立企業(yè)聯(lián)系平臺，組織師生深入企業(yè)，邀請掌握先進(jìn)工程技術(shù)的企業(yè)工程師進(jìn)課堂。培養(yǎng)學(xué)生理論和實踐結(jié)合的思維，打造一支和企業(yè)需要結(jié)合緊密的應(yīng)用型人才隊伍，成為普通高校發(fā)展新工科并實現(xiàn)跨越發(fā)展的重要動力。（4）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計教學(xué)平臺：該實驗平臺主要依托功能材料專業(yè)實驗平臺、科研實驗室、學(xué)院的精密儀器分析平臺和學(xué)院的聯(lián)合實驗平臺，例如廣油—美聯(lián)新材料研究院、廣油—豐能高新技術(shù)研究院、廣東省橡塑材料制備與加工工程技術(shù)開發(fā)中心等科研平臺而構(gòu)建，圍繞功能材料特別是電子化學(xué)品領(lǐng)域，結(jié)合具體的創(chuàng)新項目課程，由各課題組結(jié)合自己的研究方向設(shè)置實驗，實驗教學(xué)內(nèi)容不僅要與本學(xué)科前沿緊密結(jié)合，還要與工程應(yīng)用以及發(fā)明創(chuàng)造密切聯(lián)系，該平臺面向各級本科生開放，重點面向高年級本科生開放，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

結(jié)語

功能材料專業(yè)是國家大力倡導(dǎo)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)，沿襲了材料學(xué)科實踐性較強的特點。新工科背景下功能材料實驗實訓(xùn)體系的建設(shè)對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和解決問題能力具有重要意義。廣東石油化工學(xué)院功能材料專業(yè)以新工科背景和高水平理工大學(xué)建設(shè)為契機，經(jīng)過多年探索實踐構(gòu)建的遞進(jìn)式綜合實驗訓(xùn)練體系，注重目標(biāo)問題導(dǎo)向式教學(xué)，并重視將科研成果與教學(xué)的結(jié)合，具有綜合訓(xùn)練程度高、實踐應(yīng)用性強的特點，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上形成了具有較強專業(yè)特色的綜合實驗實訓(xùn)體系，切實培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)綜合創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

［1］章曉波，王再友.新工科背景下地方高校功能材料專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)探索［J］.高教論壇，2019（12）：51-53.

［2］麥宇紅.新農(nóng)科背景下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（6）：254-258.

［3］高教司.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識［J］.復(fù)旦教育論壇，2017，15（2）：27-28.

［4］王顯威，朱倩倩，王小二，等.功能材料專業(yè)研究型實驗教學(xué)模式探索［J］.實驗室研究與探索，2017，36（8）：184-186.

［5］胡秀麗，王旭紅，姚霞喜.功能材料專業(yè)綜合性實驗教學(xué)改革的探索［J］.廣東化工，2017，44（13）：309-310.

［6］溫建武，曹林洪，王軍霞，等.“功能材料專業(yè)”實驗教學(xué)體系構(gòu)建及實踐探究［J］.高教學(xué)刊，2018（4）：83-85.

［7］姜寶成，劉輝，張昊春，等.面向新工科人才培養(yǎng)的能源動力大類專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)［J］.高等工程教育研究，2019（S1）：43-44+52.

［8］李曉丹，胡心雨.以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的材料專業(yè)綜合實驗教學(xué)改革與實踐［J］.廣州化工，2019，47（22）：168-170.

［9］李廣環(huán)，龍濤，任合剛，等.以提高學(xué)生化工安全與環(huán)保能力為目的的教學(xué)改革研究［J］.化工設(shè)計通訊，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