材料综合实验课程创新性实验项目的设计与实施

吴雪艳， 陈秋龙， 周伟敏， 曹力军， 朱申敏

（上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240）

0 引 言

创新驱动和人才为本是建设制造强国的基本方针之一，“创新人才培养水平明显提高”是全面建成小康社会的重要目标［1-3］。材料科学与工程专业作为一门工科专业，对学生利用专业知识解决问题的能力具有很高的要求，因此本科生创新能力和工程实践能力的培养是实现专业培养目标的一个重要方面［4-5］。实验教学是材料科学与工程人才培养的关键一环，学生在实验过程中能够发现问题，分析问题，进而利用仪器设备、实验原理与方法解决问题，这是一个强化学生理解与运用专业知识概念、原理、方法，进而培养学生解决实际工程问题能力的过渡过程［6-9］。在当前学生普遍学习兴趣不足的形势下，如何运用一定的教学策略，选择合适的教学方法，通过教学方式、形式的改变激发学生的学习动力，提高学生的学习兴趣，进而改进教学实效显得十分重要［10］。研究表明，学习是一个主动的构建过程，在学习过程中，学生倾向于用已有的知识和经验来与新概念相关联，整合新旧概念，构建出一个学生理解的新认知体系［11］。因此，要提高教学成效，给学生提供一个能够让他们进行主动思考、实际操作的机会，通过这样的机会，他们能主动应用课程的知识来解决相关问题，此过程同时也为学生提供了创新的机会。

上海市精品课程“材料综合实验”是针对材料科学与工程专业大学三年级学生开设的为期1 年的实验课程，执行主体是材料科学与工程实验教学中心。课程最后阶段设有学生自主创新性实验环节，目的是考查学生综合运用多门专业课程的概念与理论以及在“材料综合实验”课程上学到的各种实验技术与方法进行实验实践，解决问题的能力，并培养学生的创新能力［12］。

如何围绕教学大纲为学生设置合适的实验项目，并保证实验项目的开展，实现课程目标，是教师在课程中需慎重考虑的重要问题。“材料综合实验”课程教学团队在教学过程中结合国家战略发展的需要和专业培养目标的要求，进行了教学改革初探，并通过实践，取得了一些成果，积累了一定的经验。

1 实验项目的设计与过程管理

1.1 实验对象的选择

在“材料综合实验”课程的“基础实验”教学中，实验对象以传统的金属材料为主，通过该阶段的教学，学生对材料科学基础、材料性能、材料加工原理、材料组织结构表征等核心课程的理论、概念有了进一步的理解，对材料的结构、微结构、物理性能、力学性能等方面的实验原理、实验技术与方法已经进行了学习，达到能够安全、正确操作相关实验设备，并运用这些技术手段来分析材料性能的课程要求。特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料等新材料是我国材料领域的重点发展方向［1］。为了拓宽学生的知识领域，在创新性实验项目的实验对象的安排上，除包含金属材料，还安排了多种新材料实验对象，例如奥氏体钢、Al-Fe等金属材料、特种功能材料如纳米陶瓷铝合金材料TiB2／ 42、可降解医用材料如镁、锌合金、功能性高分子材料如PVDF 电纺纤维膜、功能性无机非金属材料如纳米SiO2球、过渡金属硫化物MoS2、金属层状双氢氧化物等。学生可以在一定程度上根据自己的兴趣以小组为单位选择实验项目，学生从最初阶段就意识到自己是实验项目的主导者，调动了学生的积极性，激发了学生的责任感，有助于后续实验项目的顺利实施。

1.2 确定实验方案

创新性实验开展之前，教师即向学生传达了明确的课程要求，确定好各个时间节点。一般而言，在实验对象选择完成之后的第1 周确定实验方案。在指导教师的带领下，学生要花费较多的精力用于文献调研。文献调研首先要围绕实验对象，考虑到自己的研究目的，有目标地查阅一些综述性的文章，了解国内外研究现状与研究水平，分析当前研究的不足与存在的问题，提出自己的研究方向，再以此为出发点，细化查阅相应科技论文，了解该方向的国际前沿研究结果，结合实验室现有的条件，综合考虑实验硬件设施的可利用性，设计出具有可行性的细化实验方案，并对项目实施过程中可能存在的困难有所预测，思考相应的解决办法。实验方案的确定对后续实验项目的开展至关重要，因此在本阶段，指导教师要适度地参与，注意监测学生文献调研的类型、文献出版时间、保证学生全面、合理地选择专业数据库进行调研。指导教师还要积极与学生就文献调研结果进行讨论，对学生进行创新性启发，对实验方案的可行性进行把关。文献调研与实验路线设计的过程实际上是学生自主学习、提取有效信息、分析思考、鉴别判断、进行创新思维的过程。这种搜集信息，进行批判性思考，开展创新性思维的过程，是学生解决本专业实践问题的基础。例如研究20Cr2Ni4MoV钢的连续冷却项目时，学生通过文献调研和可行性分析，确定的实验方案是利用热膨胀仪测量并绘制20Cr2Ni4MoV钢的过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线，利用光学显微镜、扫描电子显微镜观察材料的微观组织结构变化，研究其组织演变规律。在研究可降解生物材料时，通过文献调研，确定的实验方案为通过检测模拟体液浸泡样品后的pH 值、样品在腐蚀前后的重量和腐蚀过程中的析氢量来分析金属材料的降解过程，通过分析腐蚀产物的组成与形貌，分析腐蚀方式及反应机理。

1.3 注重实验安全教育

材料科学与基础专业的实验中既会涉及化学品，又要用到各种实验仪器，保证实验教学的安全是学生顺利开展实验实践的基础［13］。

材料科学与工程学院在本专业学生入学之初会统一对学生进行安全教育，要求学生必须在校“安全教育与考试管理系统”上通过在线考试。在课程前期的教学中也在不断强化学生的安全意识。在每个实验项目开展之前，学生都要进行安全知识学习，由指导教师重点指出本次实验可能存在的危险和应采取的防护措施，学生根据具体实验项目的安全要求，在领取防化学、防冲击、安全面罩、防护眼镜、安全手套、安全鞋等劳防用品后才可以进入实验室，以防止发生意外伤害，保障学生的安全。对于涉及化学合成、生物材料检测等方向的实验时，尤其要注意对学生进行相关规范操作的培训，例如锂电池电极材料的研究涉及使用高压反应釜和真空手套箱、电化学工作站等实验装置和测试设备；生物材料要涉及生物活性物质的特殊保存方式、超洁净操作和生物安全等问题［14］。学生在之前的学习中大多数没有受过这些方面的培训，因此针对具体的创新实验项目，系统细致的安全操作培训是绝对必要的。

1.4 场地与仪器合理安排

虽然实验教学中心已有700 m2以上的实验室面积，仪器价值几千万元，但由于在整个创新性实验阶段有多个项目在同时进行，仍然存在实验空间不足、仪器台套数不够、缺乏某些特定实验设备的问题，无法满足学生的需求。解决这个问题的途径之一是整合学院资源，充分利用科研团队的实验室。部分实验项目是由科研团队的研究成果转化而来的，研究团队也向学生开放自己的实验室和科研设备，这在很大程度上解决了空间拥挤、仪器不足的问题。预约制也是解决实验室空间与设备使用冲突的有效途径。对于一些特殊的实验室，如化学合成实验室，课程教学团队要求项目小组合理安排实验时间，并在中心预先进行预约登记，具体精确到“时”，以提高实验室的利用率。对于实验中普遍使用的仪器，预约制显得尤其必要。学生在课程前期已经掌握了大部分仪器的规范操作技能，因此中心延长了这些设备的开放时间，除了本课程的课堂时间外，学生还可以预约在自己的课余时间使用这些仪器，这种开放制度在一定程度上避免了学生的使用冲突［15］。对于中心不具备的价值高、操作复杂的大型设备，如透射电子显微镜，中心与学院实验管理中心进行沟通，学院为实验教学开设绿色通道，学院的大型设备优先满足实验教学需要，科研需求也为教学让路，学院会安排设备助教根据学生的预约时间为学生进行设备操作。

1.5 过程监督与结题考核

创新性实验项目是由学生以组为单位自主完成，时间跨度大，而且各组实验时间分散，多个实验项目同时进行，因此管理相对复杂，过程监督是一个非常必要的管理手段。实验方案确定后，项目组要向课程教学团队汇报实验方案，并将实验方案中各个阶段的完成时间节点列出，教学团队根据预期目标，在时间节点进行督促检查。由于实验方案有可能要根据每一步的实验结果进行调整，存在着一定的不确定性，因此允许项目组适当进行机动安排，这种情况下教学团队更要密切关注实验进展情况，以保证该项目在规定时间内完成。

根据课程安排，学生在规定的时间以书面实验报告的形式提交项目总结，并以口头汇报的形式向所有学生和课程教师展示自己的成果，包括陈述实验的目的与意义，实验结果与误差分析，实验结果的讨论，以及实验项目可优化之处等。课程教学团队和指导教师组成评审组，听取学生汇报，根据项目总体执行情况、实验的创新性、实验方法、实验结果分析的准确性、合作能力、口头汇报的效果进行评审，并提出意见和建议。

2 创新性实验项目开展的效果评价

2.1 对学生综合能力的提高具有积极的推动作用

学生对创新性实验项目表现出更高的兴趣，创新性项目作为自主实验项目，全程由学生主导，学生的主动意识被极大地调动起来，从实验路线的设计到项目的具体实施，学生主动利用自己的课余时间，锻炼了学生的自我管理能力和时间管理能力。当实验进展没有达到预期效果或出现没有按时完成实验计划的情况时，学生积极分析问题发生的原因，主动思考，利用查阅文献等方法寻找解决问题的途径，而不是坐等指导老师的帮助。

（1）强化了学生的创新能力。创新性实验项目与课程前期其他实验的最大区别在于研究路线是由学生根据自己对实验对象所了解的研究背景和国内外研究现状自主确定，实践活动是按照自己的思路设计实验方案并实施。这种项目能够最大程度激发学生的创新性思维。例如，同时有两组学生选择了SiO2纳米球为研究对象，通过查阅文献，确定了不同的研究路线，一组同学的实验目的是利用SiO2无毒害、适于作为载体的特点，制备银包覆的SiO2抗菌材料，另一组学生则合成出了具有特殊核-壳结构的SiO2-MnO2球，用做锂离子电池电极材料，并评估它的电化学性能。这种自主运用材料科学与工程专业的理论和技术手段，选择合理的研究方法，设计新实验，并分析、解释实验结果，获得合理有效的结论的过程，是对学生创新能力的强化。

（2）学生的国际化视野更开阔。特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料等新材料是《中国制造2015》明确提出的新材料发展重点领域，基于这些方向的实验项目的设置，使学生的实验对象符合国家战略发展方向［1］。实验方案的确定建立在文献调研基础上，这个过程使学生了解到相关领域国内外的前沿现状。另外，部分实验项目来源于学院科研团队的研究成果，指导教师也来自于科研团队，有些团队承担着国家重大科研项目，这使学生有机会接触到国际前沿研究领域，了解本专业的最新国际热点，站在国家需求的角度，立足当前，把握本方向的发展趋势，拓展了国际化视野［16］。

（3）培养学生的团队合作能力。以小组为单位的整个项目执行过程对学生的合作、交流、沟通水平要求较高，学生要从组内选出领导者，并就工作内容进行分工，保证内部沟通顺畅。项目的开展既是对领导者公信力、管理水平和协调能力的锻炼，也是对整个团队交流协商能力和责任担当意识的训练，在团队合作的基础上充分利用个人的专长有利于更有效地开展工作，加快项目进程。创新型实验的执行中会存在着许多不确定性，往往不能完全按照预先设计的实验方案进行，中间可能会经历大大小小的失败，这就考验了学生的抗挫折能力，学生要耐得住失败的打击，并积极查出问题的根源，进而改进实验方案，解决问题，不轻言放弃。这种坚韧意志的养成有利于学生在今后步入社会后应对工作中的挑战。

2.2 开设创新性实验项目面临的考验

实验项目开展的深入程度在一定程度上取决于学生的学习能力和逻辑思维能力，学生从文献资料中吸取知识的速度、质量和数量对其确定方案、实施实验、解决问题等各方面都有较大影响。实验的执行过程也是学生快速成长的过程，项目深度不应作为考核的唯一指标。

创新性实验要求获得科研团队较大的支持。由于创新实验项目选题与指导很大程度上依赖于科研团队的贡献，而科研团队自身科研已经承受着较大的压力，如何鼓励科研团队加入实验教学值得认真思考与布局。材料学院已形成了科研反哺教学的优良传统，科研团队愿意以自己的研究成果更新教学实验项目。教师在指导过程中进一步宣传自己的研究领域与研究水平，吸引本科生在后续的毕业设计、研究生攻读时选择自己的方向，达到双赢。

硬件设施水平制约着项目的创新性与执行周期。由于创新性实验涉及面广，甚至会同时包括金属、陶瓷、聚合物和生物材料四大类，因此要求实验室要有相应的实验空间、仪器种类。如果空间、仪器种类有限，就难以同时开展多个实验项目，这必然会延长实验周期，对于那些在实验中对时间要求严格的项目，甚至于会关乎成败。同样，只有保证了合适的空间和设备，学生的设想才能更容易付诸实践。这要求课程教学团队和指导教师能预先对各种硬件设施有较客观认识，并且对供学生研究的实验对象有深入了解，以确保自身的硬件条件能够满足学生可能开展的研究路线要求。

3 结 语

通过实践发现，在材料综合实验课程的后期引入创新性实验项目，建立以学生小组为执行主体的项目运行模式，保证学生最大程度地发挥独立自主性，对于激发学生学习兴趣，培养学生的创新能力、国际化视野、团队合作能力都有较大的促进作用，学生在创新性实验项目执行过程中成长速度更快，取得了良好的教学成效。创新性实验项目能否达到预期效果，除了与学生自身能力有关外，也与科研团队对教学的支持度、实验室硬件条件有关。