宋 鴿 王 建 王 慧 陳艷麗 劉喜正

(1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300384; 2.天津理工大學(xué)新能源材料與低碳技術(shù)研究院， 天津 300384; 3.臨沂科技職業(yè)學(xué)院， 臨沂 276000)

為了滿足新一輪工業(yè)革命對(duì)于創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求，教育部在2017年提出開(kāi)展新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，形成全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育，為強(qiáng)國(guó)建設(shè)培養(yǎng)高水平人才。工科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是立足工程應(yīng)用來(lái)開(kāi)展工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[1]。新能源材料與器件專業(yè)是為滿足國(guó)家新能源戰(zhàn)略發(fā)展對(duì)專業(yè)人才需求設(shè)置的新興專業(yè)，以材料、化學(xué)、化工、電子與機(jī)械等學(xué)科為基礎(chǔ)進(jìn)行人才培養(yǎng)。作為新工科專業(yè)，實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新能力是人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一，作為以交叉學(xué)科為特色的新專業(yè)，學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中各相關(guān)學(xué)科均需要涉及，如何通過(guò)優(yōu)化課程內(nèi)容與課程設(shè)置方式，充分調(diào)配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與教師隊(duì)伍資源為培養(yǎng)學(xué)生服務(wù)，是目前面臨的重要問(wèn)題。

天津理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)于2016年招收第一屆本科生，在學(xué)生培養(yǎng)實(shí)踐中充分利用高水平科研平臺(tái)設(shè)備資源與具有交叉學(xué)科背景的高層次人才隊(duì)伍智力資源，突破現(xiàn)有本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有限空間，和單一材料學(xué)科培養(yǎng)的內(nèi)容限制，優(yōu)化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將以材料學(xué)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，提升至創(chuàng)新與應(yīng)用能力相結(jié)合的綜合能力養(yǎng)成新模式，通過(guò)多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)兼具材料、化學(xué)、化工、電子與機(jī)械等多學(xué)科交叉背景，具有較強(qiáng)解決實(shí)際問(wèn)題能力的高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的目標(biāo)[2]。

一、新能源材料與器件專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

實(shí)踐能力是工科類專業(yè)學(xué)生的必備能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、提升綜合素質(zhì)的最直接手段，也是工科學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力以及提高學(xué)生綜合科技創(chuàng)新水平與鉆研技能是主要目標(biāo)[3]。

天津理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)主要以材料和化學(xué)學(xué)科為基礎(chǔ)，具體包括4個(gè)部分：化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、材料綜合實(shí)驗(yàn)、新能源材料綜合實(shí)驗(yàn)與專業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。其中，化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要包括基礎(chǔ)化學(xué)和物理化學(xué)理論課中有關(guān)化學(xué)及實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的基本操作；材料綜合實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生材料學(xué)方面的基本實(shí)驗(yàn)操作技能，通過(guò)實(shí)際操作和應(yīng)用加深其對(duì)課堂所學(xué)理論的理解，提升基本操作技能水平；新能源材料綜合實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生在經(jīng)過(guò)多層次、多方式的全面訓(xùn)練后，掌握新能源材料科學(xué)的基本理論和技術(shù)，成為新能源材料與器件及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域從事新型材料研制、質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、教學(xué)及技術(shù)管理的高級(jí)專門(mén)人才；專業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括鋰電池課程設(shè)計(jì)等，主要是對(duì)專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)的完善，培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)操作與在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在內(nèi)容方面，缺少有關(guān)化工、電子、機(jī)械等方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，制約了學(xué)生后期綜合技能的提升與深化；同時(shí)各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)展，相互之間邏輯關(guān)系不強(qiáng)，在高年級(jí)階段的專業(yè)實(shí)驗(yàn)中對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的加強(qiáng)與提升效果不明顯，無(wú)法進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生綜合創(chuàng)新能力，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量?？傮w來(lái)看，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在以下問(wèn)題。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的交叉學(xué)科背景體現(xiàn)不明顯

受傳統(tǒng)教學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置思路限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)側(cè)重于材料與化學(xué)方面，工程放大方面的化工、機(jī)械以及器件及電子學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)較少，不利于學(xué)生綜合水平的提升。同時(shí)，受傳統(tǒng)模式中重知識(shí)傳播、輕創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響，教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)新能力、綜合能力方面的培養(yǎng)考核要求少，多作為理論教學(xué)的輔助?？己朔绞酱嬖诰窒扌裕率箤?shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)傾向于文字化、數(shù)字化，未真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)綜合性、復(fù)合型人才的目標(biāo)要求。

2.有限課時(shí)條件下學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少，訓(xùn)練效果不理想

實(shí)驗(yàn)類課程資源有限，學(xué)時(shí)偏少，學(xué)生無(wú)法獲得充分的練習(xí)提升機(jī)會(huì)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏新意[4]，不能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以典型實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果驗(yàn)證為主，時(shí)效性不足。實(shí)驗(yàn)課程綜合性不足，與實(shí)際科研、生產(chǎn)關(guān)聯(lián)性差，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望。同時(shí)不同基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之間很少建立有機(jī)聯(lián)系，學(xué)生在工作后面臨實(shí)際問(wèn)題時(shí)，無(wú)法迅速形成基于已有技能的解決策略。

3.教學(xué)方法靈活性差，不利于學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)

教學(xué)方式方面多以大課為主，無(wú)法將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐操作全過(guò)程覆蓋每一位學(xué)生?？己朔绞絾我唬瑢W(xué)時(shí)、學(xué)分固定，不能因材施教，不利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展[5]。

二、天津理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)教學(xué)改革探索

天津理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)依托“功能材料”國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、 “材料微結(jié)構(gòu)”教育部國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、“新能源材料”學(xué)科創(chuàng)新引智基地、天津市先進(jìn)多孔功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電子顯微鏡中心等多個(gè)高水平科研平臺(tái)。在本科教學(xué)過(guò)程中，學(xué)校增加了科研型教師前沿講座、學(xué)術(shù)報(bào)告、指導(dǎo)大創(chuàng)活動(dòng)等科研教學(xué)互動(dòng)，拓寬了學(xué)生視野。以高水平科研領(lǐng)軍人才講授前沿課為牽引，推動(dòng)科教融合，緊密結(jié)合本專業(yè)的前沿科研動(dòng)態(tài)，更新教學(xué)內(nèi)容。對(duì)優(yōu)秀本科生進(jìn)行學(xué)業(yè)培養(yǎng)與文化浸潤(rùn)，激發(fā)其科研興趣，培養(yǎng)其良好的科學(xué)素養(yǎng)。

1.強(qiáng)化交叉學(xué)科特色，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過(guò)程中的目標(biāo)導(dǎo)向

從產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，以結(jié)果為導(dǎo)向[6]，優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，建立“產(chǎn)業(yè)需求→教學(xué)改革→綜合能力提升→服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)”的新人才培養(yǎng)模式(見(jiàn)圖1)，培養(yǎng)符合新能源材料與器件領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)需求的高水平技術(shù)管理人才。以材料、化學(xué)、化工、機(jī)械、電子等相關(guān)學(xué)科為基礎(chǔ)，探索建立面向新興專業(yè)的交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力，為學(xué)生開(kāi)拓更多的就業(yè)和成才機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生在工作之初更快、更好地適應(yīng)工作環(huán)境與工作要求。

圖1 面向新工科建設(shè)的新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置思路

根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和結(jié)果導(dǎo)向建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)新體系。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分增加機(jī)械和電子方向各兩次基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，完成基礎(chǔ)技能的培訓(xùn)之后，根據(jù)學(xué)生興趣，分成不同課題小組進(jìn)行培養(yǎng)。在第三學(xué)期設(shè)立新能源材料與技術(shù)前沿先導(dǎo)課，每周請(qǐng)一位科研骨干進(jìn)入本科課堂，結(jié)合個(gè)人研究方向介紹國(guó)際研究前沿，由此激發(fā)學(xué)生對(duì)于前沿課題的興趣。前沿課程讓學(xué)生了解熟悉領(lǐng)域前沿發(fā)展，結(jié)合后續(xù)的新能源材料綜合實(shí)驗(yàn)、鋰離子電池/太陽(yáng)能電池/發(fā)光材料與器件課程設(shè)計(jì)以及專業(yè)設(shè)計(jì)等系列實(shí)驗(yàn)課程，統(tǒng)籌規(guī)劃，根據(jù)一個(gè)課題分階段設(shè)計(jì)不同課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，根據(jù)教師個(gè)人研究方向分課程進(jìn)行指導(dǎo)。

2.依托科研平臺(tái)，建立第二課堂，有效提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能水平

依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)課程在專業(yè)性的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)連貫性、可持續(xù)性、時(shí)效性，逐步鍛煉提高學(xué)生的科研實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，開(kāi)闊學(xué)生國(guó)際視野。在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過(guò)程中，綜合性實(shí)驗(yàn)課程分為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)兩部分。基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)則在指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

依托科研平臺(tái)資源，建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)第二課堂，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)有限、無(wú)法開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。在綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合新能源專業(yè)教師科研方向，將實(shí)驗(yàn)劃分為新材料開(kāi)發(fā)、電化學(xué)基礎(chǔ)、新能源材料制備、新能源器件綜合管理等不同方向的興趣小組，展開(kāi)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)科研平臺(tái)的多樣化科研優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的時(shí)效性、綜合性，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情，加強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析與儀器設(shè)備使用能力的訓(xùn)練。對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好選擇科研團(tuán)隊(duì)。第二課堂的建立，為有科研興趣和科研余力的學(xué)生提供了機(jī)會(huì)與平臺(tái)。

例如，新能源材料與器件專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)在材料化學(xué)方向開(kāi)設(shè)了脫合金法制備納米多孔金屬材料實(shí)驗(yàn)，依托科研平臺(tái)多孔金屬材料特色團(tuán)隊(duì)，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容緊密結(jié)合當(dāng)前基礎(chǔ)理論研究和能源應(yīng)用熱點(diǎn)，有力地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與興趣；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，又有專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生在了解多孔材料在新能源、催化領(lǐng)域應(yīng)用的開(kāi)放性應(yīng)用前景的同時(shí)，提升其實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。在電子方向，本專業(yè)開(kāi)設(shè)了鋰離子電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理支配電池系統(tǒng)的充放電過(guò)程，對(duì)于電動(dòng)汽車平穩(wěn)運(yùn)行、電池安全穩(wěn)定充放電至關(guān)重要。通過(guò)模擬電池管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，一方面加深了學(xué)生對(duì)于新能源器件下游應(yīng)用端的理解，另一方面幫助學(xué)生建立了電池從材料、器件到集成應(yīng)用的全鏈條開(kāi)發(fā)思路。

3.以項(xiàng)目為依托、比賽為牽引，開(kāi)展多元化教學(xué)

學(xué)生在前沿教學(xué)課程選題后，以教師科研項(xiàng)目為依托，以各類創(chuàng)新比賽為牽引，結(jié)合研究院的教師、研究生、科研方向等科研資源，形成一對(duì)一、一對(duì)多的實(shí)踐教學(xué)。鼓勵(lì)本科生積極參加“互聯(lián)網(wǎng)+”“大創(chuàng)”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以賽促學(xué)，以賽促教[7-8]。通過(guò)科研任務(wù)、實(shí)驗(yàn)大賽等方式鍛煉學(xué)生將理論和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合的能力，強(qiáng)化其工程綜合能力和社會(huì)責(zé)任意識(shí)[9]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)因?qū)W生精力、能力有限，不能夠深入開(kāi)展獨(dú)立的課題研究。通過(guò)引入研究生輔助教學(xué)，可及時(shí)規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，形成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能水平。

2021年，依托新能源材料與低碳技術(shù)研究院科研團(tuán)隊(duì)傳統(tǒng)科研優(yōu)勢(shì)，2名本科生與研究生組成了“材聚天‘鋰’新型電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)”，參加中國(guó)大學(xué)生知行促進(jìn)計(jì)劃第四屆動(dòng)力電池創(chuàng)新競(jìng)賽，提出了面向新型電池的電解質(zhì)原位固態(tài)化方案，解決了高比能柔性鋰空氣電池中的電池壽命短、工作環(huán)境苛刻等關(guān)鍵問(wèn)題。決賽階段與清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京理工大學(xué)等高水平大學(xué)團(tuán)隊(duì)同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，最終獲得決賽銀獎(jiǎng)的好成績(jī)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新思維能力得到了系統(tǒng)、快速的鍛煉，并且讓學(xué)生逐步建立起了“產(chǎn)學(xué)研用”的科研意識(shí)。

三、改革效果

通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷形式對(duì)我校新能源材料與器件專業(yè)2017—2020級(jí)232名學(xué)生(以收回答卷數(shù)量為統(tǒng)計(jì)依據(jù))從實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容設(shè)置與課程方式等多個(gè)方面進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查。問(wèn)卷顯示，在教學(xué)目標(biāo)方面，75.43%的學(xué)生能夠更加深入了解本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)與要求，66.81%的學(xué)生對(duì)于專業(yè)的就業(yè)前景更具信心，同時(shí)45.26%的學(xué)生認(rèn)為基于高水平科研平臺(tái)所開(kāi)展的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程有助于未來(lái)工作與學(xué)習(xí)深造。

通過(guò)依托高水平科研平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力，特別是綜合創(chuàng)新能力與學(xué)習(xí)興趣有顯著提升。學(xué)生參與實(shí)踐創(chuàng)新、科研競(jìng)賽的積極性明顯提高。在大四上學(xué)期開(kāi)設(shè)的新能源材料與器件綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程與畢業(yè)論文中，學(xué)生開(kāi)展研究的深度和廣度得到進(jìn)一步提升，本科生作為第一作者或共同作者在核心期刊發(fā)表的研究論文、專利申請(qǐng)數(shù)量均實(shí)現(xiàn)了新的突破。其中，2018級(jí)學(xué)生張?zhí)碛枰缘诙髡呱矸輰⒀芯砍晒l(fā)表在材料學(xué)一區(qū)Top期刊AdvancedScience上，常誠(chéng)悅所研究的成果發(fā)表在一區(qū)雜志ACSAppliedMaterials&Interfaces上。在學(xué)科專業(yè)競(jìng)賽方面，不僅參與度逐年提升，獲獎(jiǎng)比例與獲獎(jiǎng)質(zhì)量也有了顯著提升。2018級(jí)學(xué)生劉天麒的項(xiàng)目獲得2020年“挑戰(zhàn)杯”天津市大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽金獎(jiǎng)；2019級(jí)本科生陳虹芹、林軒宇組隊(duì)參加了第四屆中國(guó)大學(xué)生動(dòng)力電池大賽，在全國(guó)100多支隊(duì)伍中脫穎而出，以前三名的成績(jī)獲得全國(guó)銀獎(jiǎng)。學(xué)生反饋結(jié)果表明：超過(guò)85%的學(xué)生認(rèn)為依托于高水平科研平臺(tái)開(kāi)展研究，能夠更好地將課堂的理論知識(shí)與學(xué)科前沿相結(jié)合，而學(xué)科的交叉進(jìn)一步促進(jìn)了本科期間學(xué)生所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通；超過(guò)80%的學(xué)生認(rèn)為來(lái)自學(xué)科前沿的課題研究具有更強(qiáng)的趣味性，前沿訓(xùn)練與課題研究的開(kāi)展極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)探索的內(nèi)在動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了從“要我做”到“我要做”；超過(guò)95%的學(xué)生認(rèn)為相關(guān)訓(xùn)練能讓大家更早接觸到科學(xué)前沿與工程實(shí)踐問(wèn)題，在解決實(shí)際問(wèn)題中提高個(gè)人實(shí)踐能力，提升畢業(yè)論文研究水平和專業(yè)自信心。

四、結(jié)語(yǔ)

新工科要求培養(yǎng)具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的創(chuàng)新型人才，天津理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)引入交叉學(xué)科基礎(chǔ)內(nèi)容，以高水平科研平臺(tái)為依托，探索建立人才培養(yǎng)新體系，深度改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。以項(xiàng)目為依托，以比賽為牽引，引導(dǎo)學(xué)生參與科研實(shí)驗(yàn)，開(kāi)拓第二課堂，綜合利用平臺(tái)人力、智力以及設(shè)備資源，推動(dòng)科教融合，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力的學(xué)生提供了新思路。