材料专业大学生创新训练的实践与探索

2018-04-03刘瑞平李国华

实验技术与管理 2018年5期

刘瑞平, 王琪, 马峰, 李国华

(中国矿业大学(北京) 材料科学与工程系, 北京 100083)

“大学生创新训练计划”是以培养高素质的创新型人才为目标而设立,是教育部实施高等院校本科教育教学质量与教学改革工程的重要内容[1-3]。目前,大学生创新训练计划项目已经成为众多高校必修的创新教学环节。我校大学生创新训练项目以大学生进行创新性研究项目为主要教学内容,以项目形式开展,为期2年。在指导教师指导下,通过学生自主完成创新性研究项目的研究条件准备、研究方案制订与实施、研究成果总结、研究报告撰写等训练内容,使学生切实得到科学研究的锻炼,提高创新实践的能力[4]。针对不同的学科,大学生创新训练的组织与实施的具体方式也存在差别,在深入分析创新训练项目的各个过程(如资料查找、过程实践、团队协作等)的基础上,提出了具体的管理措施。

1 材料专业大学生创新训练现状

材料科学是在理论指导下通过实验研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科,旨在为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据[5-6]。同时,现代材料学科不仅更注重研究各类材料及它们之间相互渗透的交叉性和综合性,而且更强调与其他不同学科(如化学、物理、生物等)进行交叉、渗透,从而培养学生的发散性思维能力以及实验动手能力[7]。结合材料的专业背景,目前材料专业大学生创新训练存在以下几个问题:

(1) 实验性学科资助经费不足。足够的研究经费是大学生进行科技创新和学术创新必备条件之一。根据级别的不同,大学生创新训练项目的资助经费在0.8～1.4万元之间。材料科学是一门实验科学,在研发和设计新材料的过程中,需要进行多次实验才能得到优化的制备工艺,同时还需使用昂贵的测试表征设备对其微观结构和性能进行评价。我校材料系实验室建设相对滞后,专业实验室的空间小、部分设备老化、更新速度慢,不能保证所有大学生的研究工作[8-9]。

(2) 学生的专业知识缺乏。根据我校的实际情况,学生从大二下学期开始进入到大学生创新训练项目的科研选题环节。在这一阶段,由于学生对专业课的学习刚刚开始,对专业的认识不清晰、专业知识缺乏、相关的专业训练和科研训练更是空白,他们不会查阅专业文献、缺乏总结文献提炼问题的能力,也不了解相关的实验技术。

(3) 学生的自由支配时间较少。研究过程中投入足够的时间是大学生创新训练取得成果的必备条件之一[10-12]。材料专业大学生创新训练包括复杂的实验过程和数据处理与分析,因此,投入足够的时间是大学生创新训练取得满意效果的前提条件之一。然而,受传统教育的影响,如今高校重教轻学、重记忆轻思维、重知识轻能力的弊端并未从根本上得到改变[13]。大学生创新训练实施正处于大量专业课程的学习阶段,学生课程多、课业繁重,导致可以自由支配的时间较少。

(4) 学生在创新训练中处于“被动”角色。创新训练效果有3个层次:一是由导师提出课题与计划,学生按照实验计划完成；二是导师提出课题,学生在文献调研的基础上确定实验方案和实施过程；三是学生自己提出课题并有切实可行的实验计划。大多数学生的创新训练停留在第一层次,仅有少数可以达到第二或者第三层次。因此,大多数学生在创新训练实施过程中处于“被动”角色，而创新训练的培养最终目标是使学生具有独立科研与创新的能力。

2 基于材料专业特点的创新训练教学改革

针对大学生创新训练实施过程中存在的上述问题,以申报并获批的大学生创新训练项目的实施过程为例,从立项选题、计划安排、任务分配、实施指导、项目结题等各个阶段出发,对我校材料专业的大学生创新训练计划项目进行了深入的实践与探讨,取得了较好的效果。

2.1 积极与周边院校合作、获取多方经费支持

2014年获批校级大学生创新训练项目,项目涉及纳米材料的合成和表征,仅仅依靠大学生创新训练项目的经费远远不能满足学生的研究工作。因此,以上述项目为基础,成功申报并入选国家级大学生创新训练计划,还成功获得了教育部先进材料重点实验室开放课题以及中国科学院大学生创新实践训练计划的资助,解决了项目实施过程中经费短缺的问题。同时,积极与周边院校进行合作,如清华大学、北京科技大学、中国科学院过程与工程所等,利用其先进的实验平台及表征与测试设备对样品进行微观结构的观察与性能的测试表征,解决了我系测试表征设备不足的问题。通过上述两方面的措施,大大改善了学生的研究条件,激发了学生的研究兴趣,同时也为学生自己提出想法以及验证实验的实施创造了有利条件。

2.2 提倡学生自由讨论、使学生变“被动”为“主动”

由于学生的专业知识基础薄弱,积极创造机会为学生建立专业背景知识,如通过每周1次的研究生组会汇报、参观展会、能源存储与转化领域的媒体报道、微信群、QQ群等,创建多渠道的交流。在讲解新知识的时候,尽量做到深入浅出,同时通过PPT结合相关的研究内容进行讲解,使学生明白研究工作所需的知识点及相关课程,在后续进行课程学习时目标更明确。

在项目立项之初,给学生足够的时间去收集资料、查阅文献,最后使学生在阅读文献的过程中提出问题、发现问题,从而确定具体的研究方向。如氧化锡的制备与表征是一个研究内容较广的课题,其既可以作为传感器材料,也可以作为新能源材料使用。学生通过文献调研、讨论,同时结合自己的兴趣,确定了课题的研究目标——氧化锡作为高性能锂离子电池负极材料。在项目的实施过程中,提倡学生自由讨论,集思广益,有意识地培养学生的表达能力和沟通能力。同时要求学生每周至少阅读一篇相关文献,追踪国内外的最新研究进展,并以文字的形式将阅读文献内容、实验结果与讨论以及每周汇报的下周研究计划,以项目研究成果发表论文,提高学生在项目实施过程中的主动性。

2.3 研究任务分工明确、合理利用课余时间

针对学生课程任务繁重、自由支配时间较少的问题,在确定项目选题和研究内容后,根据每位学生的学习情况和兴趣合理分配研究任务,通过对项目的整体规划, 对每个成员的研究任务以及完成时间进行了详细的规定。

上述措施不仅可以提高每位成员的参与性和积极性,而且可以培养学生管理时间、统筹规划的能力。所带的大学生创新训练项目的研究内容，主要包括计算机理论计算模拟不同结构和组分的氧化物的性能、不同结构氧化锡的制备工艺参数优化、微观结构观察以及其电化学性能表征。根据不同的研究内容、学生的兴趣及相关课程学习情况,合理把各个研究内容分配给学生,同时鼓励学生积极参与其他研究内容的实验与讨论。这一举措极大地增强了每位成员的参与性,使每位成员在项目实施的过程中均有收获。

3 项目实施的效果

通过大学生创新训练项目以及上述措施的实施,在整个过程中,学生经历了实验的失败、艰难的探索以及最后的成功,在各位方面均有了提高。

3.1 课堂表现提升、理论知识提高

通过大学生创新训练项目的实施,使学生能够把所学的专业知识用到科研中,同时在研究中遇到问题时,学生能够积极查阅图书馆相关书籍及网络数据库搜寻相关知识,进行深入学习及讨论。在后续课程的学习中,学生能更有目的地主动去学习,强化了学生的课堂学习效果。实践表明,经过大学生创新训练项目的实施,学生在学习专业课时的课堂表现有了很大的提升,能够积极参与课堂教学的各个环节。

3.2 实践能力显著提高

通过大学生创新训练项目的实施,学生不仅能够熟练操作材料制备与表征的各种相关设备,而且能够对实验数据进行科学的分析,学生的实践能力显著提高。如通过上述项目的实施,学生不仅能够熟练掌握纳米材料合成与表征设备的操作规程与原理,同时学会了采用第一性原理进行模拟计算、Origin软件进行数据处理以及Diamond软件进行晶体结构表征等。