基于创新人才培养的材料科学与工程专业实践教学改革研究——以“物理化学”课程为例.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）教育科学 收稿日期：2024 年 03 月 05 日 作者简介：徐艳（1983），女，副教授，研究方向为物理化学课程的教学改革。-36-基于创新人才培养的材料科学与工程专业实践教学改革研究以“物理化学”课程为例 徐 艳 李新星 胡志强 宿迁学院信息工程学院材料科学与工程系，江苏 宿迁 223800 摘要：摘要：当前高等教育改革的核心议题之一即是创新人才培养。在高等教育架构中，实践教学与创新人才培养相辅相成，二者紧密相联。实践教学内含创新人才培养的要义，而创新人才培养也不可或缺实践教学的支持。为了优化验证性实验，并有机整合各元素，在教学方面进行了改革。这包括改革教学方法和组织形式，引入了 CDIO 教育理念，并基于创新改革实践教学体系，特别在综合设计性实验中展开。这一系列教学改革旨在拓宽学生实践学习的视野，提升实践学习的效果和兴趣。最终目标是实现本科教育创新人才培养的教育目标。关键词：关键词：创新人才培养；实践教学改革；物理化学 中图分类号：中图分类号：G648 0 引言 2018 年 9 月 10 日，全国教育大会上强调了培育具有创新能力的人才的教育使命。这不仅激发了教育界对教学方法、途径和理念的深入研究，也为本科教育的转型提供了新的动力。尤其在材料科学与工程这一专业领域，结合研究和实验的教学方法被特别强调，旨在通过促进学生积极参与科研活动来为创新能力的发展奠定基础。加州大学伯克利分校已在 21 世纪初期开始探索和实践本科生的创新培养模式，从传统的以教师为中心转向以学生为核心，有效地激发了学生的积极参与意识，全面提升对知识的掌握，同时培养批判性思维和解决问题的能力。特别是在物理化学这一基础但极富挑战性的课程中，实践性学习体验被证明可以有效地将理论知识应用于实际情境中，并激发学生的学习兴趣。然而，如何在本科阶段通过实践教学有效地整合创新创业教育，以及如何使之与材料科学与工程专业的教学相协调，仍然是一个值得深入探讨的问题。鉴于此，本研究旨在探讨和分析基于创新人才培养的材料科学与工程专业实践教学改革，特别是以“物理化学”课程为例，评估其在培养学生的创新思维、实践能力和团队协作能力方面的效果，并提出进一步的改革建议。1 高校材料科学与工程专业实践教学现状 近年来，随着我国高等教育体系在教育教学改革方面取得显著成就，特别是在培养具备创新能力的人才方面迈出了关键步伐，实践教学成为教育领域的重要组成部分。在材料科学与工程专业中，实践教学因其直观性、实际性、综合性和创新性的特点，已成为理论应用、技能提升、科学方法掌握及创新能力培养的主要途径。在高等教育体系中，实践教学与创新人才培养之间的协同关系越发明显，共同推动教育改革的深入发展。尽管实践教学在高等教育中的地位日益凸显，本科教育领域在创新意识和能力的培养方面仍面临着挑战。当前的教育模式往往过于偏重于理论教育，对于实践技能的培养关注不足，导致学生在面对市场快速发展和科技竞争日益激烈的环境时，很难适应。此外，学生在学习过程中往往依赖记忆和复现知识，缺乏主动探索和分析新问题的能力。针对上述问题，材料科学与工程专业的实践教学改革显得尤为迫切。这一改革需要从加强教学环节设计、完善教学体系、创新教学方法等多个方面入手，以期提升教学效果，培养具备创新和创业能力的高级技术人才，满足国家现代化和创新发展的需求。在材料科学与工程专业中，物理化学实践教学扮演着至关重要的角色，特别是在应用化学、环境科学等领域，实验课程不仅仅是为了让学生掌握基本实验技能和仪器操作方法，更重要的是培养对科学问题的独立思考、实验方案设计以及数据处理和分析的能力。物理化学实践教学不再仅仅是理论课程的补充，而是在培养学中文科技期刊数据库（引文版）教育科学-37-生创新意识和科研创新能力方面发挥着关键作用。因此，物理化学实践教学的改革在当前的教育研究中备受关注，不仅因为它对实践教学体系的完善具有重要意义，更因为它在培养未来具有创新思维和科研实践能力的科学家方面承载着重大期望。2 基于创新人才培养的材料科学与工程专业实践教学改革策略 2.1 优化验证性实验与教学方法的综合改革 在材料科学与工程专业的实践教学改革中，物理化学课程的实验内容优化至关重要。当前，物理化学实验主要涉及基本物理量（如温度、压强、粘度等）及其在热力学、电化学、动力学等领域的应用参数的测量。这些实验的优化不在于全面否定原有教学内容，而是在于加强学生科研创新思维的培养和独立数据分析处理的能力。对于验证性实验的优化，应从两个方面着手：一是维护学生基本实验技能的训练，二是淘汰技术价值不高的实验内容。同时，应遵循绿色化学原则，改进化学试剂的使用，例如在分子量测定实验中使用环保材料。在教学方法和组织形式上，传统的物理化学教学往往使学生处于被动接受的状态。为了解决这一问题，教学重心应从单纯的知识技能传授转移到学生能力和素质的培养上。在预习环节，学生不仅需要查阅教材，还应深入研究文献，对物理量及参数的物理意义及实验方案进行综合分析。实验操作不应简单模仿，而应注重过程的连贯性和独立思考。教师在此过程中应引导学生进行变量设定的探索，以培养其综合创新能力。这一改革策略的实施将促进学生在实验教学中更好地发挥思考和创造力，从而达到更高水平的学术成就。通过这样的教学理念和实践，学生将获得更全面和深入的学习体验，为未来的创新和科研工作奠定坚实基础。2.2 引入 CDIO 教育理念至综合设计性实验 在“物理化学”实验课程的教学中，将 CDIO（构思、设计、执行、操作）教育模式的整合应用。该模式的引入旨在通过任务驱动和项目导向的教学方法激发学生的主动学习意识，促进其创新思维和实践能力的发展。在 CDIO 模式下学生被鼓励自行构思和设计实验，例如在研究萘燃烧生成二氧化碳和水的过程中，学生小组发现在缺氧条件下会产生絮状碳，基于此观察进一步优化实验条件，成功合成纳米碳球，并探索其在储氢和电容器应用中的潜力。在这一过程中，学生不仅仅是完成教师布置的实验任务，更是在主动学习的环境中，通过实验探索和问题解决，锻炼了独立思考和实践操作的能力。在 CDIO 教育理念指导下，物理化学实验教学的核心发生了转变。学生由原先的被动接受者转变为实验的主动设计者和执行者，教师的角色也相应发生了变化，从传统的知识传递者转变为学生学习过程中的引导者和协调者，这种教学模式有效地促进了学生的学习兴趣，加强了他们的实践能力、独立思考和问题解决技能。此外，它也促进了学生理论知识与实践应用的结合，提高了分析和解决实际问题的能力，为创新创业的潜力培养提供了有力的支持。CDIO 教育理念的引入不仅使得物理化学实验教学更加符合创新人才培养的要求，而且为学生提供了更为广阔的学术和实践经验，这对于培养具备创新能力和实践精神的未来科学家和工程师具有重要意义。2.3 立足创新改革实践教学体系 在探索材料科学与工程专业的创新人才培养路径中，我们识别到当前实践教学体系存在的局限性。传统的实践教学模式，包括专业课程实验、生产实习、课程设计及毕业设计等，往往呈现出各个环节相互独立，缺乏系统性和连续性的特点。这种割裂的教学模式无法充分满足新时期对创新人才培养的需求，对学生的创新能力培育产生了限制。为了应对这一挑战，提出了一个结构合理、紧密衔接且与时俱进的综合性实践教学体系改革方案。这一方案旨在构建一个模块化且层次递进的实践教学框架，将各个实践模块有机地结合起来，确保学生能够系统地学习和应用所掌握的知识。以“物理化学”为核心课程，设计与之相关的实习和实验项目，使学生在加深理论知识的同时，能够直观地理解和应用这些知识于实际工作环境中。鼓励学生在实验中应用理论知识与实践技能，结合生产实习和企业需求，提高实验的实用性和相关性。开设创新创业训练项目，鼓励学生参与科研项目和小组活动，提供个性化的学习机会，培养学生的创新思维和科学研究能力。将创新实践项目与毕业设计相结合，拓宽学生的研究视野，增强科研能力和创业意识。通过这一综合性的实践教学体系改革，我们旨在提升材料科学与工程专业学生的专业技能、综合素质及创新中文科技期刊数据库（引文版）教育科学-38-能力，形成一种整合性的人才培养模式。这样的教学模式不仅注重学生的渐进性学习，而且通过必修和选修项目的结合，为学生提供全面而深入的知识，更好地准备他们迎接未来的职业挑战。图 1 物理化学课程实践教学体系 2.4 加强实践教学的评价与反馈机制 旨在通过建立多元化的评价体系和实施动态反馈机制，促进教学与学习的连续改进，并强化学生的反思能力。这一体系包括自我评估、同伴评价、教师评价以及实践成果的评价，使得学生的实践学习效果能从多个维度得到全面的评估。自我评估鼓励学生对自己的学习进程和成果进行反思，增强自我认知和自我调节能力。同伴评价促进学生之间的互动和交流，帮助他们从同伴的角度理解和评价学习成果。教师评价则提供了专业的指导和反馈，确保学生的学习过程和实践成果符合教学目标。最后，实践成果的评价则侧重于学生在实践活动中的具体成果，如项目完成度、创新性和应用价值等。通过定期收集学生的反馈和举办教学评估会议，教师和教育管理者能及时了解实践教学的效果和存在的问题。这种及时的信息反馈使得教学方法和内容能根据学生的实际需要和反馈进行调整和优化，确保教学策略的有效性和时效性。通过参与评价过程，学生能够更加深入地思考和理解自己的学习过程和成果，从而提高学习的主动性和效果。这种反思能力的培养对于学生的长期发展至关重要，不仅有助于他们在学术领域取得成功，也为他们将来的职业生涯奠定了坚实的基础。3 结语 本研究深入探讨以物理化学课程为例，基于创新人才培养的材料科学与工程专业实践教学改革，通过对现有教学模式的分析和改革策略的提出，本研究明确了创新人才培养的必要性，并提出有效的教学改革方法。实践教学的优化和教学方法的改革对于培养具有创新思维和实践能力的学生至关重要。通过引入CDIO 教育理念至综合设计性实验和改革实践教学体系，本研究提出了一套具体且实用的策略，旨在提高学生的主动学习、独立思考和团队协作能力。这些改革措施不仅促进了学生对科学问题的深入理解，而且激发了对创新和科研工作的兴趣。此外，本研究强调评价与反馈机制在实践教学中的重要性。通过建立多元化的评价体系和实施动态反馈机制，不仅促进教学与学习的连续改进，而且强化了学生的反思能力。这一机制的实施对于学生的个人成长和学术发展起到了关键作用。综上所述，本研究证明通过改革实践教学，特别是物理化学课程，可以有效地提升学生的创新能力和实践技能。这不仅对学生的个人发展至关重要，也对我国高等教育体系的现代化和创新发展具有重大意义。未来的研究应继续探索和优化实践教学方法，以适应不断变化的教育需求和社会发展趋势。参考文献 1郭玉鹏,吕中元,孙俊奇,徐家宁,宋志光.三范式 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