材料创新设计大赛背景下学生创新实践能力培养的探索与实践

李晓伟,耿 欣,曹 俊,孙红美

(1.山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255000；2.诸城市龙城中学，山东 潍坊 262226)

工科生是企业未来主要的建设力量之一，在科技高速发展的今天，需要较高的创造能力和实践能力，才能与时俱进，紧跟产业前沿[1]。工科生本科阶段的各种大赛则为学生提供了创新实践的平台，帮助学生系统地认识创新实践的内涵、组织形式和应用价值。山东理工大学材料科学与工程学院为工科学生主办的材料创新设计大赛，旨在深化创新创业教育改革，培养学生的创新意识和实践能力，引导、支持、鼓励学生开展科技创新活动，展示科技创新成果，培育一批有创新潜质和研究能力的优秀人才，以推动万众创新。大赛始于2013年，每年一届，迄今为止已成功举办六届。笔者通过指导学生参加材料创新设计大赛，在文献调研、创新立意、实践操作、科学思维等方面培养了学生的创新实践能力。

1 工科生创新实践能力培养的现状

目前，在我国本科教育模式中，教师讲授仍占据主导地位，学生自主学习为辅[2]。在课堂理论授课环节，仍有不少教师侧重知识点的讲授，缺少对学生创新意识和实践能力的关注，忽略了学生对创新实践的诉求，使得课堂缺乏吸引度[3]。在实验授课环节，不少学生仅仅按照实验指导书进行规范操作，得出实验结果，缺少主动思维和探索过程，使得实验环节乏味无趣，创新实践能力得不到有效提升。如果学生的创新实践能力得不到有效的提升，势必难以应对当今日新月异发展的科学技术所带来的机遇和挑战。因此，学生必须具备一定的创新意识和实践能力，才能持续成长，适应社会发展。

2 通过材料创新设计大赛培养学生的创新实践能力

2.1 培养学生的文献调研能力

文献是人类智慧的载体，通过文献调研能够有效地掌握学科发展动态，是开展科研工作的基础和前提[4]。学生文献调研可分为四个阶段：最初阶段，教师指导学生系统学习文献数据库使用、文献分类检索等知识。第二阶段，教师下载几篇学科领域的代表性文献，分发给小组成员，指导学生进行阅读、翻译和讨论。在这个阶段，学生已经掌握了一定的文献阅读技巧和文献查阅方法。第三阶段，教师指导学生分工协作，在学科细分领域中查阅不同研究课题组的文献，精读后讨论。在这个阶段，学生已经掌握了现有研究现状，并且通过讨论，可以对比分析并自行指出现有研究的借鉴之处和不足之处，提出问题。最后阶段，教师引导和鼓励学生就提出的问题，进行有目的性的文献调研。在这个阶段，学生已经对所提出的问题具有明确的目标，并能够提出切实可行的研究方案。参赛学生通过文献数据库的使用和大量的文献查阅训练，提升了自己的文献调研能力，同时培养了科学思维。

2.2 培养学生的创新立意能力

创新立意是科研工作的核心内容之一，也是决定科研水平的关键指标。创新立意的过程大致包括研读文献，形成假说，提出创新等。本科生刚刚接触材料创新设计大赛，对新材料充满好奇，很多学生是在老师的指导下，通过研读文献来构建所研究课题的创新之处。比如，本组学生通过研读锂离子电池方面的文献，了解到硅负极的循环稳定性是制约锂离子电池发展的关键因素，明确了将硅材料多孔化和碳复合可改善硅负极的循环稳定性。同时，了解到硅烷产业每年排放大量的含硅工业废料，不但造成巨大浪费，还存在严重的环境污染隐患。于是，学生提出“将工业硅废料作为制备锂离子电池硅负极的硅源”，这将极大地降低硅负极成本，又可显著提高其工业附加值。该课题的创新性体现在：既实现了工业硅废料的再利用，大大提高其工业附加值，又为锂离子电池高比容量、高循环稳定性的硅负极材料提供了一条廉价的制备途径，可作为绿色能源产业链上的重要一环。在这一过程中，指导老师对学生的思路给予充分肯定和适度引导，培养了学生的创新立意能力。

2.3 培养学生的实践操作能力

实践操作是开展科研工作极为重要的一步，也是科研成败的关键之一。学生完成了科研选题，提出了创新点，接下来需要实践操作来验证和修正。实践操作主要体现在研究内容和研究方案的制定上。本组学生在老师的引导下，经过相互讨论，确立了与硅负极的循环稳定性直接相关的两个研究内容，包括多孔结构对硅负极嵌脱锂过程中体积变化产生的机械应力的减缓和碳复合对硅负极粉化及导电性的影响。对应上述研究内容，学生参照文献资料，针对性地制定了切实可行的研究方案。最后，小组成员分工明确，有序地开展相关材料的制备和性能测试。在这一过程中，学生通过动手操作，切身体验，不断用实验结果修正研究思路，验证课题的创新立意，有效地培养了实践操作能力。

2.4 培养学生的科学思维能力

科学思维大致可包括数据分析处理和结果讨论两个过程，在科学研究中占有十分重要的地位。实验数据分析处理是获得实验结果和得出实验结论的重要途径。工科生实验数据分析处理的经验大多来自本科实验课，多是实验数据的记录，缺乏对实验数据准确性的判断，更缺乏对实验数据的深入分析和对实验结果的讨论。为了培养学生的科学思维能力，指导教师充分参与到学生的实验环节，要求学生准确详细地记录实验测试结果，引导学生对偏离数据进行鉴别，对缺失数据进行补充。指导学生运用统计分析等手段，对实验结果进行分析处理，肯定学生总结出来的结论，同时鼓励学生进行深入挖掘，探索背后机理。在这一过程，不仅培养了学生的科学思维能力，还培养了学生严谨的科研态度和勇于探索的科研精神。

3 总结

学生在备战材料创新设计大赛中，通过开展文献调研、创新立意、实践操作和科学思维等过程，初步培养了创新实践能力。同时，小组负责人通过安排分工、组织讨论、编制预算和把握进程，科研管理能力也得到了提升。此外，笔者在指导学生备战大赛中发现充分调动学生科研热情，可以进一步激发学生的探索欲，更能有效地提高学生的创新实践能力。