基于科创型本科人才培养的《材料性能测试》实验课程的重构

(湖北大学，湖北武汉 430062)

我国于2010年颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》，2015年又颁布了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，方案明确了我国世界一流大学和一流学科建设的目标，为实现我国从高等教育大国到高等教育强国的历史性跨越，明确了高等学校实验室的发展定位。高校的长足发展、科创型人才的培养离不开实验课程的科学开展，成功的高校都具有相同的优势,即优秀的实验课教学体系。正如易红指出“实验教学体系建设模式是高校适应创新人才培养的基础”[1]，明确了实验教学在高校人才培养中的核心作用，并强调高校培养创新性人才的首要渠道便是通过实验教学。亦如阳太林提出“培养高度创新能力的合格人才的最优途径便是改革实验教学”[2]，还如齐永钦特别指出“创新能力的培养是实验教学的终极目标”[3]。本文围绕《材料性能测试》实验课程教学的特点，阐述采用科教融合方式，将学院科研测试平台仪器与日常教学相结合，利用微课开展翻转课堂等线上线下混合式教学模式，从而增加大型仪器测试实验设计的比重，完成形式多样的课程重构。

1 课程建设的背景

1.1 课程的现状

《材料性能测试》是通过锻炼学生观察现象、发现问题、思考问题的习惯与能力，进而培养学生应用所学知识进行独立研究与创新的一门实验课程，基于该课程在培养学生能力上的重要作用，高校培养计划中将其作为专业基础课程之一，有着十分重要的地位。现阶段该课程体系在实践上过于单薄，主要体现在以低值、小型的仪器作为教学实验的实验对象，且实验设备更新周期较长，实验技术相对落后，局限于书本的理论知识，大型测试仪器有关教学实验设计体量很小，出现“所学非所需”的问题，先进测试技术与手段不能通过该课程的学习得到满足，对于培养学生适应社会持续发展所需具备的创新实践能力是极大的阻碍。面对现阶段本科人才培养的现状，强基本、增体量[4]，立足现有科研基础，将学院科研测试平台仪器与日常教学相结合，增加大型仪器测试实验设计的比重，实施实验课程的重构，培养学术潜力大、综合能力强的优秀科研后备军刻不容缓。

1.2 基于科创型本科人才培养的要求

根据科研创新教育发展的现实需要，高校应构建“两‘学’一‘赛’”三合一的科创型人才培养模式，“两‘学’”指学术科研与本科教学，“一‘赛’”指竞赛[5]，培养具有学术创新精神、实验动手能力强、竞赛素养出色的创新型人才。在“两‘学’一‘赛’”三合一背景下，高校要引导学生积极参与科研项目，以赛促练[6]，并提供师资、实验场所扶助，加强学术教育与实验创新教育的融合，发挥学术科研的推动作用。因此，建设具有科创属性，重构一批具有新教学体系与实施方案的实验课程非常必要。根据这一背景，我们提出了《材料性能测试》实验课程的重构。

1.3 优化教学体系

对实验教学体系做了一系列优化，如图1所示，改进课程实验教学方法与手段，通过微课多层次开发实验类型，让学生根据实际情况进行组队与分工，便于取长补短，增加研究性、设计性、综合性实验[7]比例；重视实际测试教学，形成实验教学特色；通过测试技能比赛，提高学生动手能力和职业素质；在实验教学过程中，实验教学和论文撰写两手一起抓；推动科研反哺教学，培养学生创新思维和科研能力；以培养不仅能充分掌握实验测试技能，而且同时具有创新能力的人才为目标，服从材料学科专业教育教学改革的要求，实现“两‘学’一‘赛’”一体化的教学体系。在动手能力方面，以成果导向的方式培养学生的科研创新能力，过程包括：(1)移动终端分组学习(自主选择实验项目)；(2)实验总体设计(测试样品的准备)；(3)仪器操作培训合格通过；(4)实验自主操作以及实验过程持续改进；(5)实验报告的总结与撰写及汇报；(6)教师指导学生将优秀实验报告转化为科技论文。

图1 “两‘学’一‘赛’”三合一的教学体系

2 教学实施方案

2.1 教学方法

《材料性能测试》实验课以微课为元素，实行翻转课堂[8]教学模式，即通过互联网终端，如电脑、ipad、手机等完成实验教学的仪器操作介绍和相应理论知识的介绍，线下进行实际操作，包括实验仪器的规范操作，实验过程的持续跟踪记录，如实验现象和数据的记录，对实验可能产生的结果做进一步处理或者通过反复实验得到预期实验结果，并对实验结果进行理论分析与研究。该方法不仅可以有效缓解学时不足与教学内容之间的矛盾，又可以高阶性为目标活化课堂内容，培养学生自己构建知识的能力，提高课堂教学质量。以大型测试平台的仪器为微课素材，不仅在量，而且在质上丰富了实验课程线上资源，提高了线上学习的自主性，同时兼顾了线下传统课堂实操的诸多优势，利于开发科研平台大型仪器设备的教学资源，从而培养学生创新实践能力和满足个性化发展。

2.2 教学资源

材料研究测试方法种类非常多，最常见的如各种电子显微分析设备、场发射扫描电子显微镜/X射线能谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、粒径测试仪、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪(XPS)、以及电子磁旋共振谱仪红外光谱仪、拉曼光谱仪等等。大型仪器设备价格昂贵,测试技术更加先进，它们不仅是科学研究的基础，而且能够作为高校本科实验教学的特有资源。如何利用好这一资源，实现特色实验教学并推进学科建设是我国高等学校人才培养的核心工作。将常用大型仪器融入基础实验教学体系，学生以实验项目为载体，在测定过程中学习仪器的使用。相比以往的以原理介绍及操作技术为主的实验教学模式，更具针对性。通过多个线下实验，让学生根据实验总体设计选择对应实验项目参加培训和操练，有助于更好地理解测试技术，强化科研技能，是基于科创型本科人才培养的《材料性能测试》实验课程的重构的重要环节。

2.3 “4+4”模式目标培养

在专业能力的培养方面，课程注重样品开发、实验设计、仪器操作以及论文撰写4种能力的培养；在综合能力的提升方面，课程注重测试技术创新、作图分析、实际运用、团队协助4种能力的提升。“4+4”模式的目标培养全方位提高了人才培养的质量。课程立足学院现有科研基础，将师生的科研项目、创新项目与日常教学相结合为主要培养途径，当学生竞赛中遇到各种难题时有能力灵活解决，“4+4”模式的目标培养全方位提高了人才培养的质量。在此培养模式下，也期望能够涌现出具有创新精神的综合能力强的优秀科研技术人才，为我国科技发展面临的技术重点和难点提供人才支持，为我国科技现代化建设增光增彩。

2.4 实施步骤

本课程的实施步骤分为微课制作、学生参与选题与组队、总结与评价三个阶段。学生通过选题与组队、总结与评价两个阶段的挑战性递进式学习。通过翻转课堂的自主学习，根据所选项目以及专业知识背景组队后系统、全面掌握选题依据和大型仪器操作方法；再进行选题设计与相应测试以及反复实验验证或发现新的实验结果；最后完成科研论文的撰写，参加定期举行的科研测试竞赛与答辩。在科研测试竞赛过程中，学生不仅培养了答辩表达能力，团队协作等综合能力也将得到进一步提升，创新意识贯彻始终。

(1)微课制作

微课是以微型教学视频为主要载体，针对某个学科知识点或教学环节而设计开发的一种情景化、支持多种学习方式的新型在线网络视频课程[9]。通过微课的制作和应用，更好地利用大型仪器测试平台的大型设备，可以设计系列多样的研究性实验、设计性实验、综合性实验，将微课资源进行整合完善，进一步建设为完整的在线课程，适应现代化教育对人才技能培养的要求。

(2)学生参与选题与组队

以学生为中心，学生根据自身的学习科目和参与的科研训练计划选择不同的学习时间、学习内容和学习难度。选择性参与各类课程相关的竞赛内容与研究实验内容。对于选择的微课竞赛题目，首先要进行实验设计，其中包括样品制备、实验方法的选择。实验过程中需要注意观察实验现象和记录实验数据，同时对于实验可能产生的结果需要进一步处理。有了一定的实验结果后，在教师的指导下完成科学绘图以及科研小论文的撰写及答辩等相关流程，可以锻炼学生的团队协作与表达能力。

(3)总结与评价

采用先进仪器及测试技术取代传统实验仪器和测试手段，可以将物质的微观结构与其宏观变化过程联系起来，加深了实验课程的深度，使实验课程由验证性实验向探索性实验过渡，丰富了学生的学习内容。课程重构使得实验内容具有科研探究价值，实验结果具有探讨性和未知性，以此调动起学生的钻研兴趣，学生可获得学习的主体性体验和主动性学习机会，使得学生爱做实验、能做实验、进而创新实验。

以成果为导向的科创型人才培养模式主要是以锻炼学生的科研素养目标为主，缩短学生后续发展教育的准备阶段，提高人才培养质量。以实验汇报转化论文获奖数量来落实参赛学生的获奖等级，传统的实验教学考核体系是实验操作与实验报告撰写各占50%，学生对于实验课学习没有压力，通过实验课重构将实验教学考核体系升级，可以更加量化学生的实验课参与与完成情况。

3 课程重构的成效及创新点

3.1 课程重构的成效

以本校材料科学与工程学院为例，教学效果十分显著，本科生在校期间发表的高水平论文20余篇，其中SCI二区及以上论文10余篇。总而言之，翻转课堂教学模式结合学院科研测试平台资源提高了学生的自主和协作学习积极性，不仅能使实验技术更好地被理解，而且极大地增强了“以学生为中心”的高水平实验教学环境，是基于科创型本科人才培养改革的一大进步。

3.2 创新点

在教学体系上，提出“两‘学’一‘赛’”三合一的教学体系，在动手能力方面，以成果导向的方式培养学生的科研创新能力，过程包括：①移动终端分组学习(自主选择实验项目)；②实验总体设计(测试样品的准备)；③仪器操作培训合格通过；④实验自主操作以及实验过程持续改进；⑤实验报告的总结与撰写及汇报；⑥教师指导学生将优秀实验报告转化为科技论文。

4 结 语

基于科研创新教育发展的现实需要,提出了“两‘学’一‘赛’”三合一的科创型人才培养模式，课程依托大型测试平台以“学生为中心”，以“仪器为引、微课为导、实操为辅、论文为载”的教学思路，构建了科研测试系统研发的实践教学平台，对于培养科创型本科人才的实践教学平台的建设具有一定的参考价值。同时引导学生学习具有实用性、创新性的科研测试手段，是实施卓越工程师2.0拔尖人才培养的一种新的探索。