材料科学与工程专业特色开放实验教学体系的构建——以西南林业大学为例
徐开蒙;陈太安;康昆勇;郑云武;秦永剑;郑志锋
【摘 要】从国家"一带一路"重大发展战略和云南省地方重点发展产业出发,探索林业高等院校材料科学与工程专业培养具有创新应用型人才特色的开放实验教学体系.通过循序渐进的实验教学体系、便捷开放的实验管理体系以及团队考核制实验效果评价体系的构建,致力于形成多层次、阶梯状、开放便捷高效的实验教学新体系,为新形势下培养基础知识扎实、创新实践能力突出的材料科学与工程专业人才提供新的思路.
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2017(045)009
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】材料科学与工程;特色开放;教学体系;构建
【作 者】徐开蒙;陈太安;康昆勇;郑云武;秦永剑;郑志锋
【作者单位】西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224;西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224;西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224;西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224;西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224;西南林业大学材料工程学院,云南 昆明 650224
【正文语种】中 文
【中图分类】TS612;G710
创新是一个时代国家和地区的核心竞争力，培养大学生的创新能力是我国经济实现跨越式发展、缩小与世界发达国家之间差距和保持国家持续竞争力的关键因素。材料、信息和能源并称为现代文明的“三大支柱”，材料科学与工程专业强调对材料组成、结构、工艺和性能之间相互关系的深入理解与掌握，为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据。由于该专业具有基础性强、涉及面宽、知识更新快等特点[1]，故培养的学生除了要掌握扎实的专业基础知识和基本技能之外，还应着重强调创新意识和创新实践能力。在国家实施“一带一路”重大发展战略的大背景下，云南省凭借区位与资源优势将进一步成为云南与周边地区深化交流合作的重要平台。同时，在全国高等教育逐渐由精英化向大众化过渡以及新材料产业成为云南省大力打造的八大重点产业之一的背景下，材料科学与工程专业人才的培养和输送将对云南省甚至西南地区未来的经济增长和产业发展起到重要的支撑作用。
目前，在全国林业高等院校中仅有南京林业大学、中南林业科技大学、福建农林大学成功开设了材料科学与工程专业。西南林业大学(以下简称我校)作为西部地区唯一一所独立设置的林业高等院校，在西南地区的高等农林院校里首个设立材料科学与工程专业，我校材料科学与工程专业瞄准我省新材料的产业定位，结合西南地区生物质资源种类和数量丰富等优势，着力培养具有自身特色的材料科学与工程创新应用型人才。在专业建设过程中，以常被忽略的实验教学建设为着眼点和出发点，改善传统实验教学中实验内容及评价方式单一呆板、实验教学方法落后、实验室管理混乱且开放力度不足等短板[2-4]，以学校材料类专业现有的实验教学条件为依托，高效整合并优化资源，深化课程基础实验教学，加强综合实验能力训练，注重创新意识和创新实验能力培养，根据新形势下材料科学与工程专业培养的目标要求，构建材料科学与工程专业基础知识技能和综合创新能力提升实验室，即“课程基本知识、专业综合、设计创新”三层次实验教学体系，不同实验教学体系下设立相应的课程群结构，致力于形成多层次、阶梯状、开放便捷高效的实验教学新体系。
我校材料科学与工程专业根据学生在不同学习阶段对基础知识、专业知识的掌握程度和材料类专业知识模块，从培养方案制定的源头出发，在培养方案的实验课程中设置基础验证及认知性实验教学体系、综合性专业实验教学体系、特色创新设计性实验教学体系的三层次实验教学体系结构，突出强化实验学分总量，并合理配置三层次实验教学体系所对应学分在总实验教学学分中所占的比例。
基础验证及认知性实验教学体系服务于公共性基础理论课程的实验教学，占实验教学学分的40%，锻炼学生对基本仪器设备的使用能力，了解实验室的基本规则，加深学生在课堂上所学理论知识的印象，验证材料学理论知识的相关定理和基本概念；综合性专业实验教学体系独立于专业理论课程的平台实验教学，包括课程设计、材料设计与制备综合实验，占实验教学学分的40%，该层次实验教学体系不但要求学生综合运用多学科知识和多种实验原理来设计实验方案，还要求学生能运用已有知识去分析和解决问题[5]，在实验教学体系中起到承上启下的作用；设计创新实验教学体系服务于学生自主设计创新的平台实验教学，如创新创业、毕业设计(论文)等，占实验教学学分的20%，该层次实验体系主要针对基础扎实且创新潜力突出的学生，通过创新性实验开展，激发学生潜在的自主学习能力，让学生充分发挥创新意识和创新能力主动探索学习，充分体验科学研究的过程和乐趣，培养学生的科学研究习惯和探究精神[6-8]。不同的课程群由对应的教师团队组成实验教学小组，对于各层次实验教学体系，采取进入下一层次体系前必须完成上一层次体系的培养方式，严格把关，实行考试(考核)制度，使学生在实验课程中踏实走稳每一步。
目前，我校基础验证及认知性实验教学体系所对应的课程群由6名经验丰富的基础部老师组成，课程群内容包括物理课程群实验和化学课程群实验两部分，物理课程群实验包括大学物理学基础实验、材料物理实验、材料力学实验、高分子物理实验和物理化学实验，化学课程群实验包括无机及分析化学实验、有机化学实验、材料化学实验、高分子化学实验和化工原理实验。综合性专业实验教学体系所对应的课程群由6名不同年龄层次和职称的材料专业教师和实验教师组成，课程群包括材料模具和结构综合实验、材料表面与界面综合实验、材料成型加工及设备综合实验、材料测试与现代分析方法综合实验等。特色创新设计性实验教学体系课程群由4名不同研究方向的高级职称学科带头人及其团队教师组成，课程群内容包括生物基化学品材料制备与特性表征创新实验、生物基碳纤维材料制备与特性表征创新实验、生物基纳米复合薄膜制备及表征创新实验、生物基泡沫碳制备及表征创新实验等。
另外，教师作为培养高素质人才的重要因素之一，自身的专业素质及专业知识的不断深入也极为重要。为此我院经常组织教师参加行业相关的各种学术或行业研讨会、展览会，以搭建信息交流平台，让教师把握行业最新动态。为提高教师的学术水平，我院每周三组织学术讲座、学术研讨等活动，让各领域教师的研究内容能够通过学科交叉增强创新点，同时学院还根据政府对西部地区人才支援的安排定期派出骨干教师到发达国家科研院所进修或开展合作研究等交流活动使教师紧跟行业发展步伐，通过不断交流学习增强自身的创新能力。
在上述三层次实验课程群结构中，第一层次的基础验证及认知性实验课程模块由基础部教师统一安排在公共基础物理实验室和公共基础化学实验室进行。对于第二、第三层次的综合性专业实验课程群和创新设计性实验群，构建“培训-授权-上机-维护-传递”的便捷开放化实验管理体系，开展综合性、创新性实验，使学生积极主动地获取知识并激发创新潜能，提高实验教学质量，培养学生创新思维与综合分析能力，这是培养复合创新创业型高素质综合性人才的基础，所培养出的学生具备夯实的基础理论知识、较强的创新能力、突出的工程实践应用能力和深厚的后续拓展学习潜能。
将材料学科的多台仪器设备按照材料科学与工程专业特点进行设备群分类，主要可分为材料合成与制备、材料分析与表征及材料特性修饰与评价三类设备群，对符合相关要求的学生开放。材料成型与制备实验室包含单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、注塑机、双辊开炼机、密炼机、平板硫化机、万能制样机、高速混合机、球磨机、马弗炉、反应釜、管式炉、高温炭化炉、熔融纺丝仪和静电纺丝仪等设备群；材料分析与表征实验室包含示差扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)、动态热机械分析仪(DMA)、维卡软化点测试、熔融指数仪、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、气相色谱质谱联用仪(GC-MS)、液相色谱仪(LC)、元素分析仪、扫描电镜(SEM)等设备群；材料特性修饰与评价实验室包括X射线剖面密度仪(XRD)、转矩及旋转流变仪，表面接触角测定仪、表面张力仪、电导率仪、等离子体表面处理仪、色差分析仪、紫外光老化仪等设备群。
材料科学与工程专业的学生可自主选择自己感兴趣且必要的材料合成与制备、分析与表征及特性修饰与评价等设备进行学习培训，学院每月安排专职实验教师或学科专业老师在三大类设备群中对学生进行1～2次规范化培训，并制定相应的规章制度及合格标准，学生通过培训和考核并获得相应资格授权(拟颁发合格证书)后即可对其开放。同时，为高效管理和使用综合性专业实验室和创新设计性实验室，我院对这两类实验室采用了预约制管理机制，通过网络预约模式，实行实验室预约和状况查询，以解决某个实验室开放时段没有学生做实验，而另一实验室开放时段学生做实验的人数又大大超过实验室能够承受极限的问题，高效合理配置设备资源。在开放期间，学生要与相关专业老师和实验老师一起维护好设备使其正常运转。
针对上述三层次实验教学体系，我院构建了新的实验效果评价体系。对于第一层次的基础验证及认知性实验课程模块，自由组建2～4人的小团队，基础部教师针对不同类型的物理化学类实验对各组进行打分，各组组员分数的平均值即为该小组的最终分数。对于在第一层次实验效果评价中分数排名在本专业前80%的同学可顺利进入第二层次综合性专业实验课程群的学习。而剩下20%的同学则需不断地重复练习实验课程教学内容，达到第一层次实验效果评价90分以上者方可进入第二层次实验学习。类似地，为保障创新性实验课程群的高效顺利开展，由第二层次综合性实验课程进入到第三层次的创新性实验课程则需要学生在第二层次实验效果评价中分数排名本专业前30%。
在便捷开放实验管理体系的基础上，学生可充分发挥主观能动性锻炼自己的创新实验能力，创新实验能力是一个动态持续过程，其效果的评价应是多方面的，为提高学生创新能力和创新素质，我院材料科学与工程专业构建了团队负责制的实验效果评价体系。在学院内部成立实验效果评价工作小组，从我院木材科学与工程系及工程系、林产化工系、高分子材料与工程系各选拨2名教师进入该工作小组。在实验效果评定中，特别针对第三层次的综合创新性实验，将团队教师与学生的成绩捆在一起，并实行权重因子的配比。团队带头人、组长和学生成员可按1∶3∶6的权重因子进行配置。团队带头人对创新实验方向和拟开展的内容进行全局把握，团队组长进行过程监督和管理，负责具体实验方案制定，实验进程的监督、反馈和交流，并负责安排好各位成员保质保量地开展实验。
考核小组通过对实验开展的创新程度、实验投入程度、文献查找能力、数据分析水平及实验成果展示等五个方面的评价对各项创新性实验进行综合评分。①创新程度由实验效果评价工作小组进行评价(共10分)，对于原始创新的实验给予8～10分的评分，对于集成创新给予4～8分的评分，对于普通创新给予1～4分的评分；②实验投入程度按照实验过程中的小组讨论记录次数和内容进行评价(共10分)，实验开展过程中小组讨论根据讨论内容记录和次数按每次1分计，指导教师现场指导按每次2分计，需附上图片或视频资料；③文献查找能力按照与创新性实验开展的相关性及全面性进行评价(共20分)，相关英文文献查找每篇1分，中文文献每篇0.5分；④数据分析水平按照学生作图清晰度和逻辑性进行评价(共20分)，采用专业软件作图10分起评，采用普通办公软件作图5分起评；⑤实验成果展示根据所取得的全部实验成果进行罗列依次打分(共40分)，团队成员(教师或学生)以第一作者身份发表一般期刊论文或授权实用新型专利按2分/项计，核心期刊或授权发明专利按5分/项计，发表SCI期刊按每篇10分乘以影响因子计。
此实验效果评价体系一方面鼓励团队各成员发扬团结协作的团队精神，在实验实施过程中相互配合，相互协调，以获得更高的分数，另一方面对学生的自主性、团队协调性和创新能力进行培养和锻炼。以实验方案的合理性、创新性、实验态度为主要依据的规范考核制度，注重学生在实验教学各个环节的表现，从而总体提高实验教学效果。另外，在实验过程中采用“传、帮、带”的方式，对同一课题或相近课题实行高年级同学积极带动低年级同学入门、提高，最后达到能够独立操作的程度。
在“中国制造2025”及“一带一路”发展战略的新形势下，为满足新时期西南地区新材料产业和对材料学科专业人才的发展需求，对材料科学与工程专业的创新实践要提高到一个的高度，西南林业大学材料科学与工程专业主动融入国家发展战略，以学校材料类专业现有的实验教学条件为依托，深化课程基础实验教学、加强综合实验能力训练、注重创新意识和创新实验能力的培养，根据材料科学与工程专业培养的目标要求，构建材料科学与工程专业基础知识技能和综合创新能力提升实验室，强调掌握基础知识到专业知识，再到自主创新，使毕业生的工程实践能力、创新意识、创新能力等得到全面提升，从而培养出能紧跟时代步伐前行的新一代人才。
*通讯作者：郑志锋(1975-)，男，福建福安人，西南林业大学教授，博士，主要从事生物质能源与材料的研究，E-mail：***********************。
【相关文献】
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