新工科背景下“材料综合实验”“科研参与式”教学模式改革

2023-02-01康大伟

化工设计通讯 2023年12期

韩雪，康大伟

（内蒙古民族大学化学与材料学院，内蒙古通辽 028000）

2017年，教育部积极推进新工科建设，随后，认定612个“新工科”研究与实践项目，系统推动和引领高等教育深层次改革[1]。新工科建设发展的根本目的在于培养学生运用知识解决实际问题的能力，同时也是培养本专业杰出人才的关键手段。在新工科背景下的教学过程中，学生不仅需要掌握学科知识，还需要具备跨学科合作、实践操作和创新能力。通过参与新工科的科研项目和实践教学，学生可以锻炼实践能力和创新思维，提高自己的综合素质和科研水平。此外，学生需要接触和掌握最新的科技成果和前沿知识，通过参与科研项目，学生可以培养自己的创新意识和创造力，从而更好地适应未来科技发展的需求。

材料化学是一门重要的学科，专注于研究新型材料的制备、性质及应用。在当今社会的各个领域都发挥着重要作用，为人类的科技进步和可持续发展提供了关键支持。其研究对象涵盖了金属材料、无机材料、高分子材料等多种类型。在建筑、能源、医疗、电子领域都有非常广泛的应用，随着科技的不断进步和创新，材料科学将会在更多领域中发挥重要作用。

材料综合实验是材料化学专业的一门非常重要的专业实验课程，目的在于使学生对化学新材料的前沿的发展、制备材料原理、操作流程，以及制备工艺方法和手段等有所理解和掌握；材料化学理论知识和实验相结合，能够掌握材料的制备流程和方法控制手段，锻炼学生操作实验的动手能力，在操作过程中，能够理论和实践相结合，对材料的合成机理进行深入分析和了解；培养了学生发现问题、分析问题和解决相关材料合成和制备方面问题的基本能力，培养学生创新意识和科研素养，为今后的生产实践和科学研究打下坚实的基础[2]。

在新工科建设的引领下，培养学生具备创新思维和综合科研素质是材料综合实验课程的核心要求，要将这一教学理念与新工科建设相融合[3]。在当前科技发展迅速的形势下，如何运用一定的教学策略，适合的教学模式，激发学生的学习动力，提高学生的学习兴趣，进而提高学生创新意识和科研素养十分重要。

1 科研参与式教学改革方案

1）材料综合实验教学现状与改革

材料综合实验的传统教学模式通常以教师为中心，采用课堂讲解、实验操作和成绩评定三个环节相结合的方式进行教学。这种模式注重实验操作技能的训练和理论知识的学习，但存在一些问题。

实验内容陈旧：传统的材料综合实验教学内容相对陈旧，通常以经典实验方案为主，缺乏对新材料、新工艺和新应用领域的探索和研究，难以满足现代材料科学的发展需求。

教学方法单一：传统的教学模式采用单一的教师讲解和学生操作相结合的方式，缺乏个性化和差异化的教学方法，难以满足不同学生的学习需求和兴趣爱好。

实验设备落后：传统的材料综合实验教学设备相对落后，缺乏先进的测试和制备设备，难以进行高水平的实验研究和探索。

材料化学专业是本校的特色专业，近些年，我院新引进的大型仪器设备（如SEM，TEM，PXRD，3D 打印等）为实验教学的改革提供了基础条件。近些年科技发展迅速，传统的实验项目不能跟进科研的发展，只是让学生照着实验教材再做一遍，缺乏真正的探索和创新，不能让学生了解前沿发展，限制了学生的创新思维发展。因此，选择具有前沿性的实验项目势在必行。例如，将传统的实验项目更换为与教师科研相结合的项目“材料的3D 打印应用”，该实验项目具有探究性、前沿性和新颖性等特点，是对学生掌握CAD 画图的深入。将传统的合成项目改为综合性科研项目实验“探究ZIF-67的合成方法与应用”，该实验项目的开展能够让学生做好文献调研，自主写实验步骤、注意事项、数据分析、论文及报告等过程。不仅能够让学生了前沿发展，更能够培养学生的合作能力、科研思维和创新能力。总之，材料化学实验项目与教师科研课题相结合或来自生产实际有利于学生主观能动性、创造力的发挥和全面提高综合素质。

2）建立客观的实验成绩评价体系

传统的材料综合实验成绩评价体系通常以实验报告和平时表现为依据，这种评价方式存在一定的主观性和片面性，不能全面反映学生的实验能力和水平。实验评价方式不科学：传统的材料综合实验成绩评定通常以实验报告和平时表现为依据，这种评价方式存在一定的主观性和片面性，不能全面反映学生的实验能力和水平。

在科研参与式教学模式中，科学客观的成绩评价体系非常重要。在成绩评定环节主要包含以下几个部分。

文献调研：课前小组学生根据教师给的实验题目进行文献调研，总结该实验背景和发展前沿，以PPT汇报的形式与同学分享。教师根据学生汇报情况进行评价。

设计实验过程：根据调研文献和实验室现有的药品及仪器设备，对实验步骤进行设计，教师指导修改，对最后的实验设计进行评价。

实验操作：实验过程中，学生需要掌握正确的操作方法和技能，能够独立完成实验任务，并获得准确的实验数据。教师可以根据学生的操作规范、实验技能掌握程度和实验结果准确性等方面进行评价。

实验报告：可以通过对实验报告的撰写质量、内容完整性、数据处理与分析和注意事项总结等方面进行评价，了解学生对实验的掌握程度和独立思考能力。

论文书写：实验结束后要求学生以论文的形式书写，既是对本实验的总结又能锻炼学生的写作能力，为毕业论文的书写做准备。教师对论文书写质量进行评价。

材料综合实验的成绩评价体系应该以客观、公正和全面为原则，综合考虑学生在文献调研、实验过程设计、实验操作、实验报告及论文书写等几个方面进行评定。对学生参与实验的付出予以鼓励，增强了学生对实验课的责任感和完成实验的成就感，从而提高了学生对参与实验教学的积极性，同时培养学生的创新能力，提高科研素质。

2 科研参与式教学模式在材料综合实验教学中的优势

材料化学专业强调理论与实践的紧密结合，它要求学生既要具备深厚的专业理论知识，又要熟练掌握实验技巧和拥有创新能力。该门课程涵盖金属、非金属材料，纳米材料和高分子材料等材料化学的基本知识、相关原理、实验技术和研究方法。但是，当前材料化学实验教学中存在着实验项目缺乏灵活性、实验内容与学科发展前沿脱节、实验知识更新缓慢等问题[4]。因此，科研参与式教学模式在实验教学中能够发挥其优势。

1）对学生综合能力提高起到积极的作用

提高学生文献调研能力。高分子材料、无机非金属材料、金属材料和纳米材料是新材料发展的重点领域，基于这些方向使实验设置符合国际发展方向。教师给学生研究方向，学生在确定实验路线之前要进行国内外文献调研和总结，有助于培养学生了解本专业最新的国际热点，了解目前科技前沿状态，扩展新视野，强化学生创新能力。学生通过总结文献调研，自主设计实验流程、实验表征、总结实验注意事项等，教师进行修改，调动了学生的积极性和激发学生的创新思维。例如两组学生在做关于氧化锌制备时，通过查阅文献确定了不同路线的研究方案。一组同学利用硝酸锌、无水乙二胺和氨水制备具有花状结构的氧化锌，这样的结构比表面积大，适用于光催化降解等。另一组同学根据醋酸锌和乙二醇制备具有微球状的氧化锌，通过石墨烯掺杂制备电池材料。两组同学自主设计实验，分析、解决实验中遇到的难题，讨论实验结果，对学生创新能力的培养起到了强化的作用。

培养学生团队合作能力。科研参与式教学模式以小组为单位，将学生分为5人一组。从文献调研到流程设计再到最后的数据分析，都需要组内成员进行合作。在每组中选出组长，协调内部沟通和推进实验项目。在项目进行过程中，会经历多种挫折，这就考验学生通过团队合作解决问题，这种方式对培养学生团队合作能力起到非常重要的作用。

利用科研参与式教学模式不仅能够让学生了解科学前沿知识、提高实验技能，更能够激发学生学习兴趣，培养学生科研素养、创新意识和团队协作等综合能力的提高。

2）有利于积累教师的教学经验

教师进行科研参与式教学的同时，能够全面地观察学生的能力和兴趣，以便于因材施教和更好地与学生沟通[5]。例如，能够在科研参与式教学中发现有些学生文献调研、文献总结能力不够深入，有些同学思维活跃，能够从实验中提出问题并努力解决问题，但是在实验步骤操作不够仔细。教师针对学生存在的情况给予指导和建议，在教学中对前者多给予一些文献调研的经验并鼓励学生多练多思考，对后者教师应多安排一些实验操作的机会，从而使同学的阅读文献能力和动手能力都能得到进一步的提高。在指导学生的过程中，教师也能够通过学生获取科研的灵感，调动教师科研和教学的积极性。科研参与式教学将科研成果运用于材料学实验课程改革，可以实现科研与教学的统一。

3）有利于教师和学生之间的沟通

良好的师生关系是促进学生学习、努力、自信和创新的催化剂。在大学课堂中，学生与教师的交流仅限于课堂，课下交流机会很少，教师很难了解学生。而将科研参与式教学模式引入教学中，教师有更多的机会与学生沟通，能够更加深入地理解学生，关心他们的需求，成为他们人生道路上的良师益友。在交流过程中，教师丰富的专业知识和经验也在潜移默化中达到对学生创新思维和科研素养培养的目的。此外，在与学生交流的过程中，了解学生对实验内容、操作等的熟练程度，以及对于此教学方法的态度等，这些是对教师所教授内容的反馈，以便教师总结经验，提升自己的教学水平。

3 科研参与式教学模式面临的考验

1）科研参与式教学模式在一定程度上考验学生的综合能力，从文献调研、总结到实验方案的确定，从实验操作、解决实验中遇到问题到数据分析、报告撰写等都需要学生自主完成。学生的个体差异不同，教师在布置完任务后，要及时指导完成较为困难的学生，此外，教师应考虑学生的兴趣和学生能力，在此基础上甄选合适的实验题目，研究课题应该是对理论知识的深化和拓展，实验选题难度应该适中。

2）实验室现有的仪器设备也是影响科研参与式教学模式开展的因素之一，它们是开展实验的基础。应及时更新和升级实验仪器设备、提高设备的使用率和完好率、加强设备的维护和管理等。只有这样，才能更好地满足实验教学的需求，提高实验教学的质量和效果。实验方案的选择应结合实验室拥有的仪器设备进行。

3）教师的规范管理也是非常必要的。为了使科研参与式教学过程更加有效，教师应该制定合理并详细的计划和规章制度。在开展活动中，如果教师分配完任务后便撒手不管，任由学生自己研究，自己发展，没有规划的小组讨论和指导，学生遇到问题不能够及时解决，就会影响学生的进度和对实验的积极性。所以，合理的规范管理制度和检查制度是科研参与式教学模式正常进行的前提。

4 科研参与式教学模式的价值

科研参与式教学模式在教学过程中具有重要的价值。科研参与式教学是以学生为中心的教学，克服“灌输式教学”的先天性弊病。传统式实验教学以验证性实验为主，缺乏对学生创新性和科研素养的培养。科研参与式教学恰恰弥补了这一点，学生参与实验的完整过程，包括文献调研、自主设计实验过程、分析实验数据等。同时，科研参与式教学模式注重教师与学生合作的形式，在此过程中能够对学生兴趣和自主学习的培养。

其次，能够缓和教学和科研的冲突。大学教师肩负着培养高层次应用型人才和推动知识创新的双重使命。教学和科研是两个重要的任务，但往往面临相互冲突的困境，使人难以抉择。实现教学与科研项目的互动，可以在一定程度上将大学教师的教学与科研有机地结合起来，从而达到事半功倍、双赢的效果。