材料科学与工程实验教学研究

摘要：该文以提高实验教学质量和培养学生创新能力为目标，在建设省级实验教学示范中心的过程中形成了教学、公共、科研三大实验平台，建立了“四要素、四模块、三层次”的实验教学体系，形成了自主式、合作式、研究式为主的实验教学方法和手段，实行多元化的实验考核方法以及制度化、网络化的管理，建立了一支高水平的实验队伍，在科研成果以及人才培养方面取得了一定的成绩，具有一定的示范作用。

关键词：实验教学中心；实验教学改革；中心建设；示范作用

材料科学与工程作为一个工科专业，在其本科教学与研究生培养中实验教学是极其重要的一部分。培养材料学科学生专业知识应用能力、创新能力、实验技能、以及良好的就业能力，实验教学是必不可少并且及其重要的环节[1−7]。积极探索科学的实验教学方法与手段，推动实验教学体系的改革，建立规范的制度与科学的管理手段都对实验教学质量的提高以及教师科研产出与人才培养有促进作用。材料科学与工程实验教学中心建设前有材料合成与制备、材料成型加工、材料分析与表征、材料生物学评价四大模块的实验课程。仅面向材料科学与工程以及高分子材料科学与工程两个专业的学生，各模块实验课也比较独立，相互交叉联系少。中心根据现有专业和课程特点进行教学改革，向相关院系开放选修实验课程，探索合理的人才培养模式，全面提高学生的素质迫在眉睫。因此实验教学示范中心的建设与发展对高校实验室建设、实验教学及创新型工程应用人才的培养都有非常重要的意义[8−14]。

1实验教学示范中心建设概况

暨南大学材料科学与工程为加强学校材料学基础教学和突出材料学实验特色，2005年成立了材料科学与工程实验教学中心。2008年获批建设校级实验教学中心并建立了比较完善的管理制度和运行机制，开启了规范化的运行模式。2014年获批建设省级实验教学示范中心，中心以提高实验教学质量和培养实践型、创新型人才为目标，近年来对实验教学内容、教学模式、教学方法等进行了彻底的改革，形成了模块化的实验平台和教学体系，科学的教学方法和手段，符合专业特点并适应学科的发展，全面提高了学生的工程素质和创新能力，基本建成了融各层次学生教学与科研为一体的综合性教学科研机构，取得了显著的效果和成果，形成了一些具有示范作用的特色，2017年通过验收成为省级实验教学示范中心（以下简称中心）。中心由化学与材料学院进行管理，业务上接受学校的教务处、设备处、资产处以及财务处等部门的指导。主要负责材料科学与工程系的高分子材料科学与工程，材料科学与工程两个专业的实验教学工作，同时面向院内应用化学、生物化学等专业开设实验课程，并且为校内相关专业，如生科院、药学院、医学院、理工学院等的本科生毕业设计、研究生科研项目、教师科研项目以及学生的创新科研活动提供场地支持。实验室现在两个校区总面积5700m2，实验室现有设备1464台套，总价值约2356万元。其中单价在10万以上的设备45台套，价值约1500万元。15台大型仪器上校共享平台，为全校师生以及校外相关院校提供服务。

2实验教学的改革

2.1建成了三大实验平台，即教学实验平台、公共实验平台和科研实验平台。中心原有实验室的设计符合国家环保和安全的要求，2014年7月获批建设省级实验教学中心。同年9月，实验教学中心逐渐迁移至暨南大学番禺新校区，面积增加一倍，这对于实验教学中心的建设提供了更有利的硬件平台。实验教学中心以此为契机，对原有资源进行统筹规划，实现合理布局及资源共享。重新规划整合后实验教学中心主要有三个实验平台：教学实验平台、公共实验平台和科研实验平台。其中教学实验平台主要由材料合成、制备、加工方面的实验室组成，主要功能是服务于本科实验教学；公共实验平台主要由材料测试分析和细胞培养方面的实验室组成，主要服务于本科生和研究生教学，同时为本科创新教育和科研服务；科研实验平台主要由教师的科研实验室和工程中心组成，主要服务于研究生和教师的科研，同时为本科生的毕业论文及创新项目服务。中心构成如图1所示2.2建立了“四要素、四模块、三层次”的实验教学内容体系。根据材料科学与工程专业实验教学的基本任务，实验教学中心进行了一系列的改革。从教学内容上，改变各门实验课只涉及各自内容的形式，设计各门知识相互联系的实验项目，形成各门课程知识融合的综合性教学内容，建立覆盖整个材料四要素，即材料制备、加工、结构、性能为主要内容的新格局。在实验内容上融合专业的四个模块：材料的制备合成、材料的加工成型、材料结构性能以及材料的应用。每个模块中实验分为三个层次，即专业基础实验、综合设计型实验、研究创新型实验（实验模块和层次之间关系如图2所示），其中专业基础验证性实验比较简单，涵盖基础的材料知识，使学生获得感官上的一些认知。综合设计性实验要求学生根据给定的题目，自行设计和独立完成，能有效地提高学生分析问题的能力，将知识应用到实践中，进一步加深对知识点的理解。研究创新型实验要求学生应用多方面的知识，进行综合考虑，查找文献资料，自主设计创新性实验。并且结合实验结果进行科学的分析，从而真正提高学生应用所学知识解决问题的能力。2.3形成了自主式、合作式、研究式为主的实验教学方法。“自主式”是改变以前教师提供实验具体步骤的教学方法，由学生根据实验要求自行查找资料设计实验步骤，教师参与指导与引导。“合作式”主要是学生合作完成实验，培养学生团队协作的精神，以及团队分析问题解决问题的能力。如高分子物理、高分子成型加工实验课采用分组实验的形式，教师在介绍完重要的知识点后，由学生自行选择材料，查询相关注意事项和拟定实验条件，小组协作完成实验。“研究式”是由学生进行研究探索型实验，旨在培养学生的科研创新能力。如材料分析与表征实验课的综合实验是由学生自己选定制品，通过文献知识调研确定分析手段，最后根据测试结果分析制品的成分，研究式的教学方法更能激发学生的学习兴趣和潜能，更能培养学生综合应用知识的能力。2.4实验教学管理制度化和网络化。实验教学中心在建设省级示范中心的过程中建立了一套比较完善的管理制度，规范教学实验室的管理。实验教学管理制度和实验室管理的规章制度，加强了实验室的规范化管理。已实施的制度有：本科教学实验室管理办法、教学实验室开放管理办法、本科生创新实验室管理办法、科研实验室管理办法、测试平台管理办法等，并且实行安全责任制度，系实验室负责人与院签署安全责任书，每个科研实验室负责老师与系签订实验室安全责任书，加强师生安全意识和消除实验室安全隐患。对贵重仪器平台的测试仪器实行全校共享，通过平台预约使用，提高仪器的效益。为了进一步扩大中心的示范作用并提高开放程度，实验教学中心初步开始信息化管理，基本形成了材料系实验教学中心信息管理平台。中心实验室信息管理平台跟材料科学与工程系信息管理平台连作为一个有机整体，与学院和学校的其他实验室管理平台进行了联网，数据和信息基本实行互通有无，资源共享。通过中心网页进行实验课程的选课、贵重仪器与开放实验室的预约，教师可通过平台进行网上答疑，布置学习任务，进行成绩管理等。2.5建立了科学的、多样化的实验考核方法。对于基础性的实验，指导老师将根据学生的综合表现来考核评价，综合考虑学生的出勤、实验技能熟练程度，对知识点的理解度等，最后综合实验过程中的素养和实验报告给予综合打分。出勤率占10%，知识点的掌握和实验技能占40%，实验报告和实验结果的讨论占40%，实验过程的素养（注意台面清洁，玻璃仪器的清洗，公共试剂台卫生保持等）占10%。对于设计型实验，主要考察学生文献调研能力、实验过程中分析问题解决问题的能力以及试验后的总结分析能力。实验按照百分制计算，根据具体的实验项目，对实验前的分析调研能力、过程中的实验技能和解决问题能力以及实验后分析总结能力按不同比例进行成绩评定。文献调研能力占30%，实验技能和仪器操作占30%，实验报告和实验结果的分析讨论占30%，实验过程的素养（台面整洁、仪器使用后整理等）占10%。对研究创新型实验，包括挑战杯，大学生创新实验计划等，经验收合格结题则给予2学分，且对在创新实践活动中，成绩突出的学生，在学生保研和就业时，予以优先推荐。

3实验队伍的建设

材料科学与工程实验教学中心的建设密切结合了材料专业和高分子材料与科学专业的学科建设，考虑了教学实验室建设和科研创新的需要，优化了招聘规则。实验教学中心目前在编教职工总人数为21人，其中教授9名，副教授6名，讲师1名，实验师4名，人员总体年轻化。人员的专业配置比较齐备，涉及材料科学和材料工程的各个领域。人员总体专业水平高，其中具有博士学位的人员比率达到82%，硕士为18%。3年内引进了2名博士，2名实验技术人员，目前人员专业和年龄结构合理。参照学校和学院文件，在能力范围内对实验队伍作出相关支持措施。鼓励实验教学人员积极参与进修和学习培训，提升自己能力，鼓励实验教学人员积极参与实验室管理以及实验技能的会议，参与与工作相关的培训。鼓励实验教学人员积极申报教改项目，开发仪器新功能，积极指导创新实验项目，对成绩突出者，给予奖励。中心根据实验技术老师的日常工作形成了一套比较完善的考核制度，由于本中心实验技术老师日常主要承担院系公共服务、仪器管理、实验课程辅助三大块工作，考核制度也围绕此三大块工作制定。公共服务占20%（承担教学秘书、实验秘书、研究生秘书、本科生班主任、党支部职务等等工作），此项根据领导满意度以及学生评价评定分数。仪器管理占40%（其中十万以下仪器管理包括日常维护、购置入账、报废等占30%；共享平台仪器占70%，根据机时数、损坏率进行评定），由考核小组根据老师填报内容（经秘书审核认可）评定分数。教学辅助占40%，根据承担课程数量和人时数，区分专业实验课以及公共实验课乘以系数后考核小组进行分数评定。

4建设成效

4.1实验教学方面取得的成效1）新的“四要素、四模块、三层次”教学内容体系使得实验项目更具设计性和创新性，教学效果好按照高校培养创新性人才的要求和本学科的发展趋势，实验教学中心重新修订了培养方案和实验大纲，所有实验按照大纲进行改革，增加了综合性和设计性实验项目的比例。“四要素、四模块、三层次”的实验教学内容体系的建立，改变了各门实验课只涉及各自内容的形式，设计各门知识相互联系的实验项目，形成各门课程知识融合的综合性教学内容。目前共设有10门专业实验课程，84个实验项目，设计性实验30项，综合性实验24项，设计和综合性实验比例由原来的47%提高至64%。增加设计性和综合性实验项目的比例后，更加提高了学生的实验积极性，增强了实验动手能力，并激发了学生的创新精神。2）自主式、合作式、研究式为主的实验教学方法使得学生实践创新能力增强，成果丰富实验教学中心注重学生创新能力的培养，积极开展学科竞赛、开设开放性实验。全系约80%的同学参加了各项创新项目，动手能力、思考能力、创新能力都获得明显的提升，已经参加工作的同学在企业表现优秀，获得企业的好评。2014—2017年以来，以实验教学中心为依托本科生承担部级、省级和校级大创实验项目78项，承担挑战杯35项；发表SCI文章39篇，授权专利9项，并且每年呈递增趋势。3）实验教学制度化、网络化促进了实验室的规范化管理示范中心在实现教学管理的制度化和网络化后，师生在使用实验室时更加规范，安全意识增强，实验教学质量大幅度提高。实验室和仪器等共享程度提高，全开放式实验教学能有条不紊的实行。4）科学的实验考核方法促进了学生的实验能力针对不同类型的实验项目采用不同的考核方案，这种多元化的考核方法更有助于提高学生的实验能力，培养学生较高的素养。学生改变了以往被动的按照老师所说步骤实验的模式，课程上更积极与老师同学交流实验现象，实验设计等知识，增强了学生的主动性。课后学生也会积极翻阅文献资料去解释实验现象以及支撑自己的实验设计，进一步增强学生的兴趣以及应用课本知识的能力。4.2队伍建设方面取得的成效中心教师积极开展科研和教学改革研究，成果丰富。实验教学中心为材料系师生的科研项目提供了较好的支持，近几年来，中心承担和完成的国家、省、市及横向课题76项，科研经费总计2576万元，发表学术论文235篇，其中SCI/EI收录150篇，出版专著2部，获得中国发明专利19项，获得广东省科学技术一等奖、二等奖和三等奖各1项，实现科研成果转化3项。中心教师完成和获批了14项教学改革项目，发表了教学论文12篇。4.3示范辐射方面取得的成效实验中心进一步通过与企业合作开发产品、技术和申报项目，促进与企业的合作，促进学生的实习和就业，积极推动中心示范辐射作用。目前已有9个实习基地，其中已获得广东省产学研结合示范基地2个、省部产学研结合示范基地2个、校企共建联合培养示范基地1个。中心实验室面向全校，主要包括化学系、食品系、环境学院、生科院和理工学院等学院的学生，每年为本科生研究生的毕业论文设计、学生的挑战杯、大学生创新项目等竞赛提供实验场地以及基本耗材仪器的支持。与华南理工大学共同承办华南地区材料创新大赛，吸引了来自广州各高校的同学参赛，在提高学生创新能力的同时也提高了本中心的知名度。

5结束语

为满足社会对人才的需求，实验中心将进一步完善现有的实验教学实验室的建设，为全系的实验教学和师生的科研创新提供良好的实验基地。建成满足不同层次学生教学与科研的高水平要求的实验室和教师队伍，为材料科学与工程学科的实验教学起到积极的示范作用。随着实力的提升，实验中心在面向广东、服务全国，培养优秀的材料科技人才方面，将逐步发挥更好的示范作用。

作者:文伟 饶华新 罗丙红 许佳怡 单位:暨南大学材料科学与工程系