綜合能力培養的專業實驗教學模式探索與實踐

高等學校實驗實踐教學是培養學生實際動手能力和綜合素質的重要環節和手段，是提高學生綜合能力、培養學生創新能力，促進應用型人才培養提高的重要途徑和有效手段。如何激發學生的學習主動性和積極性，挖掘他們的潛能；如何有效提高學生分析問題、解決問題能力的實驗教學方式，促進自主學習和研究性學習，成為現階段實驗教學改革的重點。在實驗實踐教學中加強學生自主學習能力，其中增加綜合設計性實驗或研究性實踐活動在實驗教學中所占比例，對鍛煉和提高學生的實踐能力、研究能力和創新能力具有重要意義。
1952年，美國心理學家羅杰斯在哈佛大學舉辦的“課堂教學如何影響人的行為”學術探討會上，首次提出“以學生為中心”的觀念，并將其應用到本科教育層面。以學生為中心的教學模式中，教師和學生不僅區別于傳統的教學者和學習者的角色，還共同擔任研究者的工作，其教學模式是一種討論式的模式，是師生在教學過程中共同研討學問，通過解決學生實際問題而達到學習知識的教學活動。在本科實驗教學中采用“以學生為中心”的教學模式，強調對學生知識獲得與能力培養并重，以學生自主學習，獨立分析、以小組討論為基本形式進行合作組織設計實驗內容，以實驗實踐形式“立竿見影”解決問題，培養和調動學生專業學習的積極性和能動性。
中國海洋大學材料科學與工程學院針對學生專業學習特點以及傳統的實驗課程教學方式（如驗證性、演示型實驗教學）的局限性，以納米材料概論實驗課程為載體，開展以“以學生為中心，綜合能力培養為主導”的實驗教學模式改革與實施，以學生自主研究式學習與實踐為橋梁，采用綜合性設計性實驗內容，將教授專業知識應用技能與培養大學生專業實踐能力、科學素質和創新能力結合起來，提升工科人才培養質量。
一、課程改革內容
（一）優化實驗教學大綱，重點突出
學院“納米材料概論實驗課”是與材料化學與工程專業理論課相配套的實驗課程。學生在前期專業理論課內學習的專業知識處于碎片狀態，亟待加強專業知識系統性應用、專業理論知識與科研實踐或工程應用的串聯性，采用傳統的實驗教學方法難以達到滿意教學效果。
針對以上學生專業學習特點以及創新人才培養要求，我們立足于“目標導向（產出導向）”的教育取向，優化實驗教學大綱。教學大綱明確以創新型、實踐型人才培養為目標；要求學生掌握和應用納米材料的基礎知識、結構分析、設計、制備及應用、特性等專業理論知識，為新型應用型納米材料的研究和開發打下扎實的基礎。納米材料概論實驗課在實驗內容、教學方法、教學模式和考核體系等幾方面進行改革并實施，側重添加與專業科研方向、現實生活或實際工程緊密聯系的實驗內容，增強專業理論知識實用性和系統應用性；重點突出“以學生為中心”自主學習的過程引導,加強學生所學的專業理論知識與實驗實踐的結合，探索納米材料制備工藝參數、結構與功能性之間的關系、強化學生的科研能力和工程意識，提高工程教育人才培養質量。
（二）實驗內容設計與實施
綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關知識的實驗。設計性實驗是指根據給定實驗目的要求和實驗條件,由學生自行設計實驗方案并加以實踐或實現的實驗。具體到本實驗課程改革，利用學院實驗教學和科研平臺資源，整合專業實驗儀器設備，開展從納米材料制備到器件性能分析的遞進式、系統性實驗內容，將單一性驗證實驗體系改造升級為綜合性、研究性實驗平臺，突破傳統專業實驗課中各實驗內容獨立的現象；同時實驗內容上包含設計成分，采用試劑種類選擇化、實驗方法和條件多樣化等措施，學生分組討論設計實驗并予以實施，將書本上的實驗轉變為學生自己的實驗；最終進行實驗結果分析和討論以及實驗報告的撰寫，完成整個實驗課的過程。“納米材料概論實驗課”采用綜合設計性實驗內容，既突出專業基礎知識的應用，又兼顧納米材料制備與功能性相關分析。實驗內容突出專業知識實用性，同時兼顧納米材料實用產業發展方向和新型材料開發。
具體在實驗課程實施過程中，教師提出實驗研究目標，引導學生開展相關文獻查閱、納米材料制備方案設計、制備樣品的過程分析及后處理過程、結構設計、性能測試及分析等過程實施。教師將科研思維和實際產業生成模式引入本科教學，引導學生進行納米材料制備方案設計、組裝工藝與實驗產品器件性能之間的關系分析，達到材料與工程專業學生專業知識學習、科研能力、工程能力等綜合能力訓練的目的。
本綜合實驗課程內容體系的設置上，既包括了納米材料的制備方法，又包含功能性壓電器件組裝工藝；既包括了傳統制備工藝（如液相合成工藝）、結構表征方式（如材料TG/DSC 和XRD 測試分析）和器件性能測試手段（鐵電性能測試），也包含目前最先進的合成手段（如自組裝法、微波合成等）與表征手段（如納米激光粒度分析儀），將學院先進科研儀器設備和實際產業測試手段應用于本科實驗教學，真正實現了專業理論與實踐的結合，達到實驗課程設置的教學目的。
（三）實驗教學方法改革
納米材料概論實驗課程教學過程中遵循“以學生為中心，教師為引導”的教學理念，以問題引導式教學方法，強調“實驗過程”中學生自主學習能力、探索創新能力的培養。
具體實驗教學實施過程為：學生明確以制備分散性良好、性能良好的納米鈦酸鋇材料為實驗目標；以3—4名學生為一組，將每一小節實驗課程分解為：實驗預習，實驗討論、實驗實踐、實驗分析、實驗報告書寫等幾個步驟。實驗過程以小組為單位，實驗前要求小組內進行預習討論，確定納米材料制備實驗方案，討論影響因素；實驗課上，小組間討論實驗方案，由教師合理點評設計實驗方案；各小組將討論最終實驗方案用于實驗；規范實驗操作；整個過程中教師起指導的作用；學生實驗中遇到的困難或問題，要求學生盡可能自己探索思考，利用專業理論知識對實驗現象及實驗結果給予合理解釋并解決，加強學生實驗現象和實驗數據分析要求；特別是對實驗過程分析或是大型儀器分析實驗，加強學生科研思維培養，引導學生設定實驗參數，加強專業分析軟件應用，規范實驗報告書寫，嚴格要求科研論文規范實驗數據分析和實驗報告結果分析。整個實驗流程使學生動手的能力、分析問題的能力、解決問題的能力等得到全面提高。
本實驗課教學方法特點是在給學生介紹納米材料制備原理、儀器設備操作方法、安全規范的基礎上，學生分小組討論，自行設計并實施實驗方案，完成整個綜合性、系統性和設計性實驗流程；應用儀器分析表征等相關專業軟件，加強實驗數據和結果的分析和討論；最終完成整個體系實驗報告撰寫。采用研究式實驗教學過程，學生在實驗過程前明確實驗目標，整個實驗課程中提出問題和發現問題、查閱文獻，學生自己或是小組討論提出解決問題的思路并通過實驗實踐；實驗內容上環環相扣，納米材料制備條件設計，過程分析的設計以及最終納米材料功能性分析密切相關，實驗進程實施遵循科學研究模式和產業生產模式，學生的系統分析專業問題能力、科研實施能力和專業實踐能力得到長足鍛煉。
教師在教學過程中，始終把握以“學生學習”為本，內化、深化學生主動思考和主動學習的教學理念，采用變化多樣的教學方式，加強學生科研思維和工程能力培養與鍛煉，在小組討論、實驗過程和實驗報告撰寫中加強和注重學生“四基”和“四能”的培養。“四基”即：基本專業知識、基本實驗技能、基本科研素質和基本合作經驗；“四能”即分析問題能力、解決問題能力、發現問題能力和提出問題能力。
（四）完善課程評價體系
實驗課程考核體系突出“以學生為中心”的過程考核模式，實施多元化考核制度。考核不再簡單地看實驗結果，而是注重對學生實驗過程的考核和評價。實驗考核內容中預習報告占15%、實驗過程占45%、實驗報告占40%。其中實驗過程考核包括對學生的文獻資料調研、小組討論、實驗方案設計、實驗過程表現，實驗數據分析與表達能力等方面全過程地進行考察。
二、教學改革效果
“以學生為中心”綜合能力培養的納米材料概論實驗教學實施改革以來，實驗課上教學效果明顯。具體表現為采用綜合設計型實驗內容，在實驗過程實施中有明顯的分層步驟,其實驗內容是“納米材料制備”“實驗條件及方法探索”“結構或功能設計”和“性能分析”等實驗項目，實驗難度呈臺階式遞進, 能牽引學生的探究性思維,即實驗內容具有鮮明的探究性，學生參與度高，學生在實驗過程中充滿生機和活力。整個實驗內容體系完整和連貫，引導學生在實驗過程中積極思考，課堂討論熱烈，實驗過程表現積極；實驗過程中學生逐步建立科研思維模式，提高學生專業知識學習和實踐的主動性和探索性。
實驗課程開設實驗內容與實際生產工程對接，具有一定實際應用價值的實驗項目，充分激發學生的專業實踐和動手實踐興趣；實驗教學過程既有對學生前期專業理論學習的檢驗和總結內容，又有獨立思考和協作處理工程實際問題能力的實踐環節，對學生的科學素養、科學態度以及意志力的培養有了長足鍛煉。同時對學生實驗前預習、實驗后整理分析實驗結果、數據處理和撰寫實驗報告等提出規范性要求,提高學生的科技寫作能力。
相比“填鴨式”課堂教學，驗證性實驗教學，該實驗課程教學改革實施以來，學生在專業實驗方案設計、實驗操作以及實驗報告撰寫等各方面自主學習能力都得到了長足的鍛煉，專業知識的實踐更讓學生印象深刻，真正實現理論與實踐結合，教師也看到了學生們在專業學習方面意想不到的效果。實驗現場學生的反應和學生的問卷調查，均顯示學生對該實驗課投入度和滿意度較高，達到實驗課程設置的教學目的。
三、結語
“以學生為中心”綜合能力培養專業實驗教學模式實施，不僅在實驗內容上夯實學生基本知識與基本技能，實驗過程中注重學生設計實驗方案的實驗和實施；綜合性設計性實驗內容為學生創造了專業層面的設計、思考與提升的空間，學生實驗投入度和滿意度明顯提升，激發了學生對追求科學研究的興趣，有效培養了學生的分析問題、專業實踐能力、科學素質和創新能力。特別在實驗考核和評價體系改革中，實現“以學生為中心，以能力本位的學習，圍繞具體任務、團組合作式學習”的轉變，增強了學生探求未知領域的勇氣與信心，提高學生團隊協作能力、科研工作素養等綜合能力。