材料科学与工程专业综合设计型实验在本科生创新能力培养中的作用

刘海辉+张兴祥+宋俊+赵义平

（1.天津工业大学材料科学与工程国家实验教学示范中心，天津 300387；2.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387）

摘要：针对天津工业大学大学材料科学与工程专业实验教学中存在的问题，分析了开设综合设计型实验对创新型人才培养的必要性，介绍了实验教学中心在改革与实践中所取得的建设成效。

关键词：材料科学与工程专业；综合设计型实验；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）24-0275-02

2016年8月中共中央、国务院印发了《国家创新驱动发展战略纲要》[1]，到2020年我国要进入创新型国家行列，基本建成中国特色国家创新体系。《纲要》对高等学校的人才培养提出了明确的要求。人才培养是高等学校最重要的职能，如何优化人才成长环境，培养更多的创新创业人才是当前的首要任务。目前的高等学校实验教学过程中主要开设基本型实验，包括基础性实验和专业实验[2]，实验的类型比较固定，教师讲解或演示后学生按照实验教程完成即可，对创新能力的培养作用有限，简单的重复性工作对提升实验教师队伍的水平不利[3]。如何利用现有的实验条件提高本科生的创新能力，是当前面临的一个难题。

一、专业实验教学的现状与主要问题

材料科学与工程专业具有很强的实验性，要求培养的本科生具有良好的“动手能力”，为了培养学生的实验技能，从大学一年级起，根据自己专业特色，陆续开设“物理、无机、有机、物化实验”等基础实验，以及“金属材料、非金属材料、高分子化学和物理、材料近代分析测试和材料科学实验”等专业性实验，逐渐培养学生的基本实验动手能力和素养。天津工业大学材料科学与工程实验教学中心则根据自己的专业特色开设《化学纤维实验》和《橡胶塑料实验》等基本型实验。基本型实验的设置、操作要求达到规范化、标准化，通过严格要求进一步夯实实验技能基础。引导学生树立科学态度对待实验，帮助学生提高观察问题、分析问题和解决问题的能力，为后续的综合性设计实验、研究创新型实验（毕业论文）打下良好的基础。基本型实验也存在一些难以克服的问题：⑴教学大纲制定过程中，实验教学是为配合理论教学设置的，把实验学时依附于理论总学时，学生在教师的指导下，按照“规定动作”完成“规定任务”，得到早已估计到的实验结果，实验内容相对陈旧；⑵实验注重单项实验技能的培养，缺乏多个实验技能的相互关联、协同；⑶实验课程的评价考核体系不健全。实验考核方式主要是依据实验报告，以实验结果的准确与否评价实验成绩而忽略了对实验方法、实验过程以及分析解决问题能力的考核。考核方式对学生的创造性要求较低，学生在实验中的能动性不大，无形中降低学生对实验课的重视程度，加之現在部分学生的学习主动性不强，极易造成对实验课程不重视和互相抄袭实验报告等问题。为了培养更多的高水平创新型人才，必须对实验教学内容进行改革，以适应“厚基础、宽专业、强能力、高素质”创新型材料科学与工程专业人才培养的需要。

二、基础型实验的改革

天津工业大学材料科学与工程实验教学中心经过论证，引入近年来最新高分子科研成果，增加了一些创新性强、有利于提高学生实验兴趣和实验能力的实验，结合中心教师科研项目开发的“反相聚合制备聚丙烯酰胺微球实验”、“高聚物结晶结构的计算机模拟实验”等特色实验项目，一方面满足了传统《高分子化学实验》、《高分子物理实验》等基本型实验的内容要求，另一方面对实验内容进行了设计性、思考性、趣味性提升，在学生中受到广泛好评。为开设综合设计型实验做准备。

三、综合设计型实验

在基本型实验课程基础上，天津工业大学材料科学与工程实验教学中心在第三学年第一学期开设《材料科学研究方法实验》、《材料科学与工程大型综合实验》等实验课，学生分成3—5人小组，在教师指导下查阅相关文献，设计实验内容，确定操作方案，实施操作，最终完成实验，撰写实验报告，整个实验过程强化了学生对材料各种性能测试和分析手段的运用能力，以及围绕材料“设计→合成→加工制备→性能检测→应用”主线的综合实验能力。学生在教师指导下，内部分工协作，查阅资料、选定材料、设计实验工艺流程和参数、实施操作、完成预定目标，实验过程中学生既各司其责又密切配合，在规定时间内完成实验工作，通过每个成员的努力，合作完成实验课程。综合设计型实验方案要求在阅读相关文献基础上完成，教师通过阅读学生提交的书目报告或小组会面谈掌握学生对实验的掌握情况，决定是否批准开始实验。为了紧跟材料科学发展的前沿，中心开设的综合设计型实验中有50%的实验是从教师获得国家级或省部级技术发明奖、科学技术进步奖或发表的SCI收录论文的内容简化而来的，使本科生有机会接触到学科发展的前沿，有利于调动学生的实验积极性。如，根据国家技术发明二等奖的获奖内容设立的“中空纤维超滤膜的制备与性能测试”和“储热调温纤维的制备及性能表征”实验，报名人数达到60人，不得不开设4—6轮才能满足学生的需要。由于学生参加综合型设计实验的积极性提高，教师开设实验的积极性也得到了促进，教育部创新团队负责人、教育部新世纪人才、天津市高层次创新型科技领军人才、天津市特聘教授、天津市131创新型人才第一层次入选者等知名教授亲自开设综合设计型实验，显著提高了实验教师的职称和学历水平，使学生不但在课堂上，还能在实验室中近距离接触知名教授。实验个数已经由2011年6个，提升到2016年的30个，学生的选择范围大大拓宽，一些学生兴趣不大的实验被自然淘汰。2015年，中心在中央财政支持地方高等学校建设专项资金资助下，购进了3D打印机，2016年首次开设的“3D打印技术在生物医用材料制备中的应用”受到学生热捧，新技术的应用加深了学生对材料科学与工程专业知识的认识。

四、实验教学示范作用明显

随着实验教学内容的日益丰富、实验教学设施的日益完善，天津工业大学材料科学与工程实验教学中心在被批准为天津市实验教学示范中心之后，又被评为天津市优秀实验教学中心，2013年获批为国家级实验教学示范中心。目前中心开设的基础型实验和综合设计型实验服务于校内五个本科专业，年实验教学达到60000人·时[4]，2015年还为中国民航大学和新加坡的访学团开设特色实验课程。中心成立以来，先后有北京工业大学、燕山大学、沈阳化工学院、黑龙江工业大学等学校的教师代表来校学习、交流，并在天津市教育委员会举办的实验教学中心建设大会上作经验介绍，对其他高校的实验教学中心建设起到了一定的示范作用。

实验教学是材料科学与工程方面创新型人才培养的必备手段，实验中心的建设是一个综合性的系统工程，涉及到实验教学体系的改革，实验内容的调整，实验方法与手段的改变，实验室管理模式与运行方式的改进，实验技术队伍的建设等方面，必须要领导重视，教师和学生共同努力，才能取得良好的效果，也才能在创新型国家建设中发挥更大的人才培养作用。

参考文献：

[1]中共中央国务院.《国家创新驱动发展战略纲要》.2016年8月19日

[2]潘清林，黄继武，徐国富，等.材料科学与工程实验教学中心的改革与实践[J].实验室研究与探索，2009，28（1）：11-14，38.

[3]魏雪芬.高校实验教学队伍建设发展的探索与实践[J].教育教学论坛，2016，（48）：163-164.

[4]天津工业大学材料科学与工程实验教学中心.“十二五”国家级实验教学示范中心申请书.2013年3月.