新材料时代材料化学专业实验课程体系设置

2019-07-16郭敏杰樊志王培然

黑龙江教育·高校研究与评估 2019年7期

郭敏杰樊志王培然

摘要：现代社会已经进入新材料时代，材料化学专业建设如何跟上时代发展步伐，培养满足新材料时代的专业人才，值得思考。材料化学专业的应用性和实践性都很强，实验课程体系设置对于人才培养尤为重要。文章论述了天津科技大学材料化学专业实验课程体系的设置思路，重点介绍了材料化学专业的实验课程体系架构、实验教学模式及内容等方面的实践和经验，分析了专业实验课程体系的设置对新材料时代的材料化学专业技术人才培养的重要性。

关键词：新材料时代;材料化学;实验课程体系;人才培养

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2019）07-0052-03

新材料是指那些新近发展或正在发展的具有比传统材料性能更为优异的一类材料。其技术特点是探索材料的微观结构、制备与宏观性能的关系，通过材料设计、材料加工、性能评价等研究过程，获得能满足各种需要的新型材料。新材料技术已经成为世界各国必争的战略性新兴产业，成为当前最重要的、发展最快的科学技术领域之一。我国材料化学专业是1998年教育部对本科专业目录进行调整产生的专业，经过20年的专业建设，目前我国约有170所大学招生，专业培养目标日益明确、专业基础理论得到拓宽和加强、课程结构不断优化，在学科建设上取得了很大进展[1]。但在新材料时代背景下，如何跟上国家“十三五”材料领域建设步伐，培养满足新材料时代的材料化学专业人才，并在我国材料人才队伍中彰显各个大学的专业特色，就值得各高校的材料化学专业教师进行思考。

材料化学专业涵盖的学科范围较宽，各高校的专业方向、培养方案和课程体系差别较大，但基本都包括化学和材料科学的基础理论、基本知识和实验技能等三方面能力的培养[2]。作为培养学生创新思维和综合能力、促进知识向能力转化重要途径的实验技能培养环节，总是能够体现各高校的专业办学特色，因此材料化学专业实验课程体系设置及改革便仁者见仁、智者见智，成为专业人才培养的焦点[3-4]。

天津科技大学材料化学专业于2003年开始招生，每年招生两个班，授予理学学士学位，学制四年，实行弹性学习年限。本文以搭建材料化学专业实验课程体系架构、建立多层次实验体系为出发点，针对新材料和新物质结构不断涌现的新材料时代特征，将材料发展思维和时代特征引入课堂，激发学生的科研潜能，注重科研与实践能力并重，培养具有一定的科学素养和材料时代感的理科应用型人才，同时更好地体现材料化学学科交叉的特性。

一、紧跟新材料发展时代脉搏，科学搭建材料化学专业的实验课程体系架构

作为综合型学科，材料化学专业应用性和实践性都很强，化学基础实验、综合性和创新性实验教学环节十分重要[5]。材料化学专业实验课程教学体系应以利于培养学生创新能力和应用能力为主旨，一方面加强对专业知识的理解;一方面加强专业实践技能训练，培养学生的创新思维和创新能力。

天津科技大学的材料化学是理科专业，以实验为主且与实践紧密相关的特点更为明顯，实验教学贯穿教学活动意义重大。基于此，2017年修订培养方案时，我们突出专业技能训练环节（该环节注重将材料领域一些最新的研究成果引入实验课程内容），设置“科技论文写作I（第4学期）—科学实验（第5学期）—科技论文写作II（第6学期）—实验技能训练I（第6学期）—综合化学实验（第6学期）—实验技能训练II（第7学期）”的渐进式材料科研能力培养模式，让材料科学知识与实践能力贯穿于大二、大三和大四年级。专业培养方案中四大基础化学实验224学时，7学分（天津科技大学规定实验课程32学时/学分，理论课程16学时/学分）;材料化学实验学时80学时，2.5学分;科研能力培养训练环节12学分;毕业论文（16周8学分）等其他专业集中实践环节11学分。专业实践教学环节合计32.5学分，占学科基础课和专业教育课程85.5学分的38%。专业集中实践环节共计40学分，加上个性化课程14学分，占总学分170学分的31.8%。经过十几年的专业建设摸索及经验总结，已经建立起基础实验、专业实验、专业技能训练三个层次的实验架构体系，兼顾全面的基础化学实验知识体系和多方位专业综合实验技能培养。每年专业都有接近1/2的学生考研，迄今为止已有多位学生在清华大学、复旦大学、南开大学、天津大学和中国科学院化学研究所等单位进一步求学深造。

天津科技大学材料化学专业申报的教育部自主设置“新材料与技术”二级硕士点2013年获批招生，目前下设磁学与磁性材料、新型生物材料和新能源材料三个研究方向，这对于天津科技大学材料化学学科延续性都有重要的意义，研究生教育必会反哺本科教学。

二、凝练专业方向特色，建立符合新材料时代特征的多层次实验内容

作为本科实验教学，应考虑知识的连续性、全面性和趣味性，教学内容以提高学生的实验兴趣、发挥学生主观能动性为出发点，注重激发学生的时代感和探索精神[6]。天津科技大学材料化学专业自成立以来，一直注重专业建设和实验课程建设，基于紧跟材料时代发展步伐的建设思路，培养计划历经2006年、2010年、2014年和2017年几次较大的修改，目前已经形成生物材料与纳米材料相结合的专业发展方向。

2017年培养方案修订时，正值国家发布“十三五”材料领域科技创新的新材料时代背景。我们立足京津冀，以服务滨海新区为出发点，建设以“基础实验、专业实验、科学实验、开放实验、毕业论文”构建的 “五段式”实验教学模式，培养理科应用型创新型人才。培养方案侧重从培养学生了解大材料的基本原理出发，建立和培养学生掌握一级学科材料科学与工程的实验课程，开设特色化、微型化、绿色化的研究与开发性材料化学实验。

具体做法是：（1）开发基础实验中综合性、设计性实验环节，减少验证性实验项目;（2）综合化学实验与新材料实验有机结合，完成设计性与综合性的中级化学实验过渡;（3）以综合化学实验和专业化学实验为主体的专

业实验体系设计;（4）科学实验、综合实验及毕业论文融合;（5）通过开放实验和毕业论文环节培养创新能力。

1.基础实验教学重视学生对于基础实验知识的积

累，重点突出实验原理和方法的共性，强化基础实验技能训练;综合实验结合专业特色方向及学院优势特色研究方向，引入综合性强的实验;设计性实验内容随学科的发展而更新，达到培养学生研究能力和创新思维的目标，提高学生的自主性和综合实践能力，培育学生探究能力及创新潜质。

2.专业实验围绕新材料特点，拓展专业实验技能，使学生掌握相关材料的制备方法、结构表征与性能测试等。专业实验内容以综合性、设计性实验为主，以团队合作模式操作，培养学生严谨细致的实验精神和团队意识，使之具备对材料开发或研究中出现的问题进行预测、归纳分析及提出可行的研究方案的能力。

3.精炼设置实验项目，注重实验项目的广泛性，实验项目涵盖无机、有机、高分子、复合材料等各领域。如增开“量子点的合成及其应用”实验，让学生在掌握无机材料合成技术的同时，熟悉荧光光谱和紫外吸收等表征手段，也了解不同类型量子点在光电器件、传感生物医药等众多领域中的应用;增开“环糊精衍生物的合成及分离纯化”实验，让学生掌握多步有机合成技术的同时，熟悉元素分析、质谱等表征手段，同时了解超分子识别及组装的科学前沿领域，引导学生走进2016年诺贝尔化学奖——“分子机器”的奇妙世界。通过材料性能的表征，让学生感受新型材料的神奇，凸显材料专业的应用性特点，让学生真正体会到知识应用的乐趣和应用价值[7]。

总之，实验内容在继承传统材料学基本理论的基础上，注入了新材料的多功能性、智能性等特点，同时注重大材料学科环境下材料之间的关联教育[8]。实验安排充分考虑了材料制备及分析的统一性和连贯性，各实验间具有借鉴性，有利于培养学生科学研究思路，提高分析问题、解决问题的能力。不得不提的是，实验项目的实施一方面得益于2016年天津市高校“十三五”综投建设投资，也更得益于2015年化工与材料学院的整合成立，学院平台的大型仪器设备，如热分析仪、纳米粒度仪、X-射线衍射仪、扫描电镜以及电化学分析仪等先进设备融入实验教学中，既保证了实验项目的顺利进行，也为学生的毕业论文和今后科研工作中对材料的检测技术的应用提前打下良好的基础。

三、满足新材料发展的市场需求，培养新材料领域的现代技术人才

高等教育的主要目的是培养人才。大学承担着培养有专业理论和实践技能的人才的任务[9]，大学更应该培养学生的社会责任感。国家《“十三五”材料领域科技创新专项规划》中提到：重点发展材料人才队伍建设，提升创新创业人才队伍的整体素质和水平，着重提高企业技术创新创业人才的水平和比例，满足材料领域发展的需求。目前我国每年材料类本科毕业生约4万余人，硕士和博士毕业生约1万人，但材料行业仍然面临基础研究人才队伍不稳、工程应用技术队伍流动性不够、新兴产业人才流动性过大等主要问题。

天津市周边有15个大中城市，有广阔的新材料消费和配套市场。近年来，以金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、催化剂与石化产品、复合材料、纳米材料及特种纸等为代表的新材料产业在天津经济发展中的作用与地位稳步提高。新材料产业的发展需要大量的高级人才，形成对行业发展的支撑。为了与上述天津的优势产业接轨，我们计划开设部分开放实验项目。在目前的滨海新区建立的3～4个与专业紧密联系的相对稳定的学生实习、培训基地，设立企业导师指导学生开放实验，保持定期联系，专业首先定位于服务滨海新区建设，一毕业便就业，更快地融入滨海新区建设。2016届本专业毕业生的一次就业率达到97%，其中从事材料相关专业的一次就业率也达到80%。随着天津滨海新区的蓬勃发展，以及对周边地区的产业带动，本专业毕业生也将会有足够的事业发展空间。

2018年6月召开的《新时代全国高等学校本科教育工作会议》上，教育部长陈宝生指出，高教大计、本科为本;要引导学生求真学问、练真本领。材料化学专业的学生必须有宽口径的材料学基础知识和化学理论，同时又必须具有现代化仪器操作技能和创新能力，善于将基础知识转化为科学技术和社会生產力[10]。这种能力必须通过系统理论培养及严格的科学技能训练逐步形成，因此实验教学的独特作用很重要。教学的本质在于通过师生互动，使受教者自我觉悟。这种特点在实验教学设计过程中尤为突出。近年来天津科技大学一直实施推进各类科技竞赛活动，专业学生参加大学生创新创业项目和全国大学生“挑战杯”科技竞赛等各类学科竞赛人数越来越多，多人获得国家、天津市及校级各级奖励。鉴于此，通过鼓励企业导师将企业课题引入大学生创新创业项目和全国大学生“挑战杯”科技竞赛，也会使得开放实验训练环节更加规范，学生学以致用，研究兴趣和科研创新能力得到提升;同时鼓励学生参加学术会议、发表论文等，这对学生将来继续求学深造或者求职均有益处。指导过程中，教师与学生相得益彰[11]。

我们常说人类的文明史就是材料的发展史。当现代社会进入以纳米材料、信息材料和能源材料为主要特征的新材料时代，教育工作者如何在传统材料和新型材料之间找到教学切入点，将材料科学教育进行传承与创新，这确实是个值得思考的问题。本文仅以天津科技大学为例，叙述了天津科技大学材料化学专业实验课程体系的设置情况，浅析了实验课程体系对新材料时代的材料化学专业技术人才培养的意义，以期抛砖引玉，与同行共同探索专业实验课程的改革，结合新材料发展趋势，不断构建完善材料化学专业实验框架，努力培养出适应新时代、新需求的新型材料化学人才。

参考文献：

[1]刘辉，黄剑锋，殷立雄，等.工科背景下材料化学专业学生创新能力培养方式探索[J].大学教育，2016，（1）.

[2]任志宇，陈志敏，李明霞.材料化学“自主开放”实验教模式的构建[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2015，（1）.

[3]丁能文，游维雄，陈军，等.浅淡材料化学专业的高分子化学实验教学改革[J].大学教育，2016，（6）.

[4]陈万平.材料化学课程内容与专业课程体系设置的探析[J].大学化学，2016，（12）.

[5]王爱萍，朱志斌.材料化学专业实验特色化的教学模式研究[J].实验科学与技术，2014，（6）.

[6]吴艳光，杜飞鹏，张云飞，等.应用型材料化学专业实验教学的新探讨[J].山东化工，2017，（7）.

[7]晁小练，彭战辉，杨祖培.压电陶瓷传感器的制作及压电效应演示综合性实验设计——介绍一个材料化学综合实验[J].大学化学，2017，（4）.

[8]李井葵，陈俐.高校实验室教学科研相融合对创新型人才培养研究探索[J].高校实验室工作研究，2013，（3）.

[9]吴伟，张晓云.美国加州大学洛杉矶分校材料化学实验室管理的感想[J].实验技术与管理，2015，（9）.

[10]田俐，刘胜利，申少华，等.教学与科研互动培养创新型应用人才——材料化学专业实验教学新模式探讨[J]. 当代教育理论与实践，2011，（7）.

[11]董国君.材料化学专业实验课程研究性教学探究[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2015，（2）.