建设国家级实验教学示范中心培养材料科学创新人才

2015-12-23刘春林朱梦冰陈智栋李锦春

实验室研究与探索 2015年9期

杨燕，刘春林，朱梦冰，陈智栋，李锦春

(常州大学材料科学与工程学院，江苏常州213164)

0 引言

常州大学原为中国石油化工集团公司直属本科院校，是一所以材料、化工学科为特色的大学，学科发展和实验室建设相互促进，在学校实验室建设和人才培养方面走出了一条特色之路。材料专业是常州大学最早建立的专业之一，经过几十年的实践和发展，在人才培养、实验室建设、科学研究和社会服务等方面都形成了自己的特色［1］，取得了一定的成绩。

1 实验中心现状介绍

材料科学与工程实验教学中心(以下简称“中心”)以江苏省材料科学与工程基础实验中心、江苏省高分子材料工程实验中心和江苏省基础化学实验中心为基础，依托“材料科学与工程”博士点、“新能源材料科学与工程”江苏省优势学科、“化学工程与技术”江苏省优势学科、“光伏科学与工程”江苏省协同创新中心、“先进催化与绿色制造”江苏省协同创新中心、“光伏科学与技术”江苏省国家重点实验室培育点、“绿色催化材料与技术”江苏省重点实验室、“表面材料工程”江苏省重点实验室等平台建设而成。中心现有固定资产约9 000 万元，仪器设备4 500 台(套)，建筑面积15 万m2。

20 多年来，中心秉承学校“大工程观”育人理念的基础上，吸收国际工程教育认证的核心理念，面向新能源、新材料、新技术产业对材料科学与工程专门人才的需求，结合学校材料、化工等相关专业培养目标与毕业要求，明确以工程实验相关能力、素养的培养为导向，对照工程教育认证课程体系及支持条件的标准要求构建实验教学体系，设计实验教学内容、配置实验教学仪器设备、加强师资队伍建设、改进实验教学方法、完善质量管理机制、强化实验室安全文化、建设信息化资源，力争建设成符合国际工程教育认证标准，以新能源材料、清洁工艺催化材料和石化安全功能材料为特色的高水平国家级实验教学中心。

中心以“学生为本”、“目标导向”和“持续改进”的核心理念作为建设的指导思想。通过开展社会对材料类等专业人才工程应用能力的需求调研，确立了中心的实验教学目标要求为“提高安全素养、加深理论认知、强化操作技能、提升工程能力、培养创新能力”，并以此为目标导向，形成了“平台建设工程化，实验体系分层次模块化，实验内容综合化，教学方法多元化，教师队伍双师化，教学管理信息化，制度措施规范化，安全教育一贯化”的实验教学改革思路，取得了很好的建设成效。

2 依托实验教学示范中心培养创新人才

创新人才的培养是一项系统工程［2］，必须全面提高学生创新思维、实践能力和科学素质［3-5］，实验教学在培养学生创新能力方面有着特殊的作用。实验教学示范中心作为高校人才培养体系的重要组成部分，在推动高校加强学生实践能力和创新能力培养［6-7］，加快实验教学改革和建设，促进优质教学、科研资源整合和共享［8-10］，提升办学水平和教育质量方面有着重要作用。材料科学与工程实验教学中心依托学科优势，坚持以人为本，积极探索，创新改革，将实验教学示范中心建设和人才培养相结合，在促进创新人才培养方面取得了良好的成效。

2.1 改革教学体系

中心依据材料类专业工程教育认证标准要求［11-13］，以实验教学目标为导向，构建了以新能源材料、清洁工艺催化材料、石化安全功能材料为特色的“内容四模块、能力四层次、安全不间断”的实验教学体系(见图1)。

图1 实验教学体系示意图

(1)内容四模块。根据材料类工程教育认证补充标准对学科专业知识领域的要求，中心将材料类专业课程体系总结归纳为“基础知识”、“材料制备”、“制备工艺”和“表征与测试”。根据材料类专业设置及课程体系的特点，整合了“高分子材料、金属材料、新能源材料、功能材料”四个模块的实验内容，能够满足化工、机械、安全、环境等专业对材料类实验教学内容的需求，形成既相互独立又相互融通的“内容四模块”。①高分子材料模块。聚合物结构设计及合成，高性能化高分子材料的制备及成型加工，石化安全功能材料制备与应用;②功能材料模块。电子功能材料，催化材料的设计、制备与应用;③金属材料模块。金属材料设计与制备，金属材料强韧化以及表面腐蚀与防护;④新能源材料模块。光伏材料和储能材料的设计与制备，光伏器件、组件和系统的设计及制备。

(2)能力四层次。围绕“加深理论认知、强化操作技能、提升工程能力、培养创新能力”的实验教学理念，搭建专业基础型、专业技能型、工程实践型、创新研究型的“四层次”实验体系。各层次对学生专业能力的训练各有侧重，循序渐进，持续提高学生的实践能力，启迪学生科学思维和创新意识。

(3)安全不间断。基于材料行业高度系统集成、安全因素复杂等特点，强化学生在实验过程中的安全意识已成为实践教学的重要内容之一。中心将实验室安全管理和人才培养相结合，注重对学生的安全素质培养，在实验教学全过程中贯穿安全“人格品质、意识思维、工程能力”不间断的安全意识行为训练，做到安全意识行为训练4 年不间断，培养安全素质高和工程应用能力强的综合性创新人才。

2.2 改革教学内容

2.2.1 注重“两基本，三结合”

为了适应当今社会对人才的需求，中心以提升实验教学内涵为抓手，注重学生的基本规范的养成和专业基本能力的培养(两基本)，采取真实体验与虚拟仿真、实验教学与科学研究、实验教学与工程实际相结合(三结合)的策略，对相关的实验教学内容进行了整合(见图2)。

图2 实验教学内容

(1)专业基础实验。使学生学习掌握典型的材料专业的单元操作、数据处理、实验规范和实验方法，注重基本规范的养成和专业基本能力的培养，提高学生的动手能力和实验能力。

(2)专业技能实验。以综合性、设计性实验项目为主，学生在掌握综合应用实验方法的基础上，进一步深化和拓展专业理论知识，采用真实体验与虚拟仿真相结合的教学模式，有效扩展和延伸了现场实验教学。

(3)工程实践。充分利用校内实习基地和校外实践基地的优质资源为实践教学服务，将实验教学与工程实际相结合，让学生能够深入到科研和生产第一线，做到认识实习、上机训练、生产实习、课程设计和毕业设计等实践环节连续化、系统化和规范化，培养学生解决实际工程问题的能力。

(4)创新研究性实验。中心提供创新研究平台，学生参加教师的科研课题或自主设计创新研究项目，实现实验教学与科学研究相结合。通过学生参加“创新”大赛、全国“挑战杯”科技大赛等竞赛活动，将课内实验和课外训练相结合，培养学生的创新创业能力。

2.2.2 坚持教学科研相结合

中心鼓励教学经验丰富、科研能力强，并取得一定成果的教师将科研成果转化成实验项目，由于密切结合实际科研课题，学生通过关联实验项目链的设计、模仿与重现，更加有助于学生创新能力的训练与意识的养成。同时，这些综合性实验的开设，“配合课程教学，培养学生实验设计、仪器选择、测试分析的综合能力”，实现了工程教育认证对实验课程的标准要求。如功能材料专业实验项目链“粉体催化剂材料制备实验—强酸性阳离子树脂催化材料制备实验—催化剂结构与性能表征实验—催化剂活性评价实验—催化剂稳定性评价实验—PET 合成工艺实验”融合了3 项国家科技进步二等奖“苯酚烷基化清洁催化技术及工业应用”、“钴酸镧等高性能超细氧化物催化剂制备和应用技术”、“多晶硅冷氢化生产核心专用加热合成反应成套工艺”和10 多项发明专利。该实验不仅综合了催化剂的制备、结构与性能表征、活性、稳定性评价等专业知识，在实验过程中学生既要熟悉实验操作技能，又要了解和掌握当前国内外前沿的催化剂性能评价指标和体系，拓宽视野，激发了学生的学习兴趣和热情。

2.2.3 积极发挥科研对教学的反哺作用

(1)科研实践促进学生创新。教师科研项目的大量增加，科研水平的不断提高，为学生的毕业实习、毕业设计(论文)、学生研究计划、开放实验研究、竞赛选题等提供了大量的研究课题和研究内容，增加了学生实践研究的机会，增强了实践研究的能力。近年来，学生毕业设计(论文)题目85%以上源于教师的科研项目，一批学生承担的开放实验项目和课外科技创新项目都直接或间接来源于指导教师的科研课题。学生参与科研实践，不仅在实践中深化了课程知识，而且增强了提出问题、分析问题和解决问题的能力，培养了创新精神、创新意识和创新能力。

(2)科研平台与实验教学平台资源共享。中心积极协调促进各类科研平台和科研实验室以多种形式向本科教学和本科生开放，将学科和科研的优势条件纳入本科生实验教学之中。这些平台和实验室以各种形式承担本科生相关实验教学任务，提高了综合性、设计性、创新性实验内容，推进实验课程体系改革及实验内容的整合和优化，学生经过与科研过程基本一致的实验程序学习，初步掌握科学研究的基本思路与方法，培养其科学研究和创造性思维能力。

2.3 创新教学方法与教学手段

中心遵循“以学生为本”的理念，经过多年的研究与探索，总结出一套行之有效的“跟进式教育”方法，跟进学生的成才需求，跟进学生的实验学习困扰，跟进学生的能力短板，对实验教学过程中运用的方式与手段进行大胆的改革创新，努力提升人才培养水平。

2.3.1 建立集现场教学、网上虚拟、仿真模拟、工程实践“四位一体”教学方法

为了实现实验教学体系中“专业基础型、专业技能型、工程实践型、创新研究型”的“能力四层次”要求，中心在传统的现场实验教学基础上，引入了网上虚拟、仿真模拟、工程实践，构成“四位一体”的多维度实验教学方法，形成了现代化、多元化的实验教学模式。“四位一体”教学方法在物理平台上体现为“实验室－机房－仿真室－校内实习基地”四个平台的结合，在平台功能上体现为“验证－综合－工程－创新”四种实验类型的结合。

(1)网上虚拟实验教学方法。中心以典型高分子材料、金属材料、新能源材料及功能材料的制备工艺过程为原型，自主开发集2D 虚拟动画展示、多媒体授课、实验预习、数据处理为一体的材料虚拟实验室，涵盖了“聚丙烯聚合工段仿真”、“聚氯乙烯合成工艺仿真”、“金属材料热处理工艺”、“挤出成型”、“压制成型”、“注射成型”等多种工艺技术。中心利用网上虚拟实验平台，将书本中静态的平面工艺流程动态化，将单元操作流程、实验操作视频和实验原理动画等信息生动逼真地呈现在学生面前，丰富了实验教学手段，有效扩展和延伸了现场实验教学，使学生更易于理解和掌握相关专业知识。

虚拟实验室还配备了Materials Studio 分子模拟软件、ANSYS、FLUENT、PRO/E、Moldflow、离散元软件EDEM 等涉及聚合反应机理研究、热力学动力学分析、参数化模型研究的教学科研软件，为学生提供了对实验结果进行数据处理及分析的软件平台。

(2)3D 材料模拟仿真实验教学方法。中心在二维虚拟的基础上，与企业共同开发了3D 材料模拟仿真平台。场景以真实工厂为背景进行设计，采用烟雾、火焰、声音等特效，真实感强，学生在高逼真的虚拟场景中可漫游和自由穿行，实现人机互动;操作者可以一人多角色全流程体验，也可以多人多角色协同演练。学生通过3D 材料模拟仿真平台的实践训练，弥补了工厂实习环节实践时间短、动手操作机会少的不足，工程应用能力得到了明显的提高。目前中心已开发“聚苯乙烯合成3D 虚拟仿真”、“PET 合成3D 虚拟仿真”。

(3)工程实践教学方法。中心建立了材料成型加工实验实训基地，配备了双螺杆挤出、注塑成型、挤管成型、超硬材料六面顶液压机等多条与工业化生产相同的材料成型加工生产线。中心利用实验实训基地的工程化装置条件，促进学生将专业知识用于实践，使他们对生产设备的运行使用、生产工艺过程等环节加深了理解，解决了学生对所学知识不能融会贯通、工程概念不清楚以及工程素质不高的问题，为他们今后从事材料的制备、成型加工、结构分析与性能研究等工作，打下了坚实的基础。通过工程实践的教学方法，显著提高了学生的工程应用能力，就业优势显著。

2.3.2 建立综合的实验教学考核方法

中心探索实验教学考核方法改革，把握实验教学的目标与特点，突出学习、安全、实践和创新等多方面素质和能力的综合考评，建立了过程性评价和结果性评价相结合的实验教学考评机制。同时，中心还成立了实验中心督学组，聘任经验丰富的实验教师对学生监督指导，包括实验预习报告、课堂操作、课堂纪律、实验报告，以及遵守实验室规章制度、参与实验室环境、安全卫生工作等。

(1)过程性评价。中心针对每个实验项目制定出具体的评分标准，包括实验预习、基本操作规范及过程、安全、卫生、环保等，结合网上虚拟实验室的预习情况，客观评价实验过程。

(2)结果性评价。将实验数据误差、数据处理、结果分析、报告撰写、课程期末考等纳入实验项目评分标准中，评价实验结果与学习效果。

2.3.3 形成自主、合作、研究相结合的学习方式

(1)实施开放式实验教学，促进学生自主式学习。中心始终坚持开放式教学。既可以由中心提供选题，也可以由学生自拟课题，中心为学生提供技术指导、场地支持，构建“以学生为主体、能力培养为核心、挖掘学生潜力为宗旨”的开放性实验教学运行机制。

(2)以科技创新活动为契机，促进合作式学习。

中心建立学生创新实验室，为实践动手能力强、创新内趋动力足的学生提供科技创新活动的场所、装备与指导。学生自行组成研究小组，以课题组的形式合作完成创新项目，促进学生的团队合作能力与科技创新思维能力。

(3)参与教师的科研项目，促进研究式学习。学生充分利用教师的研究课题，借助中心提供的实验教学平台，开展创新性研究。如新能源专业本科生参与天合光能光伏组件的研发，创下了组件发电量的世界纪录，60 片组件的峰值输出功率达到274 W。

3 人才培养成效

中心以工程教育认证理念为指引，以学生为中心，以毕业要求为导向，实施课程体系的构建与改革，建设符合材料类及化工、制药、安全等相关专业工程应用型人才培养目标要求的实验教学平台，成效显著。以中心平台建设为主要内容的教学研究成果获8 项省级以上教学成果奖，其中，“石油石化安全人才五元创新培养模式的探索与实践”获2014 年国家级教学成果一等奖。在《中国高等教育》、《实验室研究与探索》、《实验技术与管理》、《教育理论与实践》等杂志上发表教学研究论文80 多篇，其中核心期刊论文20 多篇。

中心在多年的探索与实践中，以校内实验资源和校外实验资源之间、学生科研兴趣和教师科研工作之间的交叉融合为突破口，结合材料学科实践性与应用性强的特点，坚持以学生为本，在“内容四模块、能力四层次、安全不间断”的实验教学体系下，突破原有教学方法的界限，统筹安排实验教学内容，实现了教学资源的优化组合，全面增强了学生实验的积极性和创新能力，培养安全素质高和工程应用能力、创新能力强的综合性人才，学生的获奖面与获奖等级迅速提升。近3 年，共获得国家级大学生创新训练计划项目18 项，江苏省大学生创新训练计划项目46 项，省级以上各类学科竞赛奖励150 多项(其中国家级奖50 多项)，省级优秀毕业设计(论文)22 篇，本科生在读期间发表论文50 余篇。其中，“固体推进剂硝基胍的连续安全生产工艺”获得第十三届全国大学生“挑战杯”特等奖。

4 结语

中心采用先进教学理念和管理模式［14-16］，坚持“学生为本”、“目标导向”和“持续改进”的建设指导思想，面向新能源、新材料、新技术产业对材料学科专门人才的需求，明确以全面提高学生创新思维、实践能力和科学素质为导向，对照工程教育认证的标准要求改革教学体系和教学内容，创新教学方法与教学手段，将实验教学示范中心建设和人才培养结合起来，促进创新人才培养并取得良好的成效，在全国高校同类学科中起到了很好的示范作用。特别是将实验室安全管理和人才培养相结合、注重学生的安全素质培养，成效显著，专业辐射面广，学生普遍受益;该教学成果已获得2014 年国家级教学成果一等奖。

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