電子陶瓷材料專業人才培養體系的構建與實踐

侯育冬， 鄭木鵬， 朱滿康， 王如志， 嚴 輝， 崔素萍(北京工業大學 材料科學與工程學院， 北京 100124)

?

電子陶瓷材料專業人才培養體系的構建與實踐

侯育冬， 鄭木鵬， 朱滿康， 王如志， 嚴 輝， 崔素萍
(北京工業大學 材料科學與工程學院， 北京 100124)

電子陶瓷材料是電子信息工業的基石，作為交叉學科在材料科學與電子信息工程領域中占有極為重要的地位。由于我國高等工科教育長期固守傳統材料學科架構，缺乏對電子陶瓷材料教學體系的有效建設。為此，基于地方高校電子信息材料教學與科研平臺，從完善本科生與研究生兩級課程教學環節、設計與運行多媒體互動教學網絡、依托科研課題實施本科生導師制和圍繞地區產業發展培養研究生創新能力，嘗試全方位構建電子陶瓷材料專業人才培養體系。實踐表明，該培養體系在提升不同層次學生實踐創新能力，培養高端電子陶瓷材料人才方面成效顯著，并有望進一步在相關學科中進行推廣。

創新能力； 培養機制； 教學體系； 電子陶瓷材料

0 引 言

在人類社會的第三次技術革命中，以電子信息產業為代表的高科技產業異軍突起，在整個國民經濟中占據越來越重要的地位，并逐漸成為整個社會最重要的支柱產業。作為電子信息工業基石的電子陶瓷材料是指檢測、轉換、耦合、傳輸及存儲電、光、聲、熱、力、化學和生物等信息的介質材料，是構建電子元器件的核心[1-2]。隨著高新技術在新世紀的快速發展，電子陶瓷材料的發展也趨向于多層化、低維化、復相化、織構化和多功能化。但是，作為當今材料科學中的重要分支，與已經成熟的傳統材料(金屬材料、結構陶瓷、復合材料等)學科相比，電子陶瓷材料具有發展歷程短，多學科交叉，工藝性強的特點。國外對電子陶瓷材料專業的開設伴隨著20世紀40年代第一個鐵電陶瓷材料——鈦酸鋇(BaTiO3)的發現就已產生，并逐步形成了以美國賓西法尼亞州立大學材料中心為代表的世界著名研究與教學機構。而在我國，由于長期固守傳統材料學科架構，陶瓷材料教學中結構陶瓷內容偏多，功能陶瓷，特別是新興的電子陶瓷教學內容偏少，且缺乏相關教學體系的有效建設，由此導致的專業人才的匱乏極大制約了與該類材料密切相關的新型電子陶瓷材料與元器件的研發，并直接影響到我國電子設備整機的民用與軍用裝備水平[3]。

1 培養體系的構建

針對國家中長期教育改革和發展規劃中提出的高素質專門人才和拔尖創新人才的培養目標要求[4]，面對國家對新型電子陶瓷材料與元器件的重大需求，北京工業大學電子信息材料學科結合自身科研特色，依據“厚基礎、重特色”的專業人才培養和教育教學主導思路，從專業課程體系設計、教學網絡平臺建設、推行本科生導師制和凝煉學科特色培養研究生創新性四方面全方位構建電子陶瓷材料階梯式專業人才培養體系，并進行了系統實踐。

1.1 專業課程體系設計

電子陶瓷材料專業課程體系分為本科教學和研究生教學兩個層次。

本科教學環節，“電子陶瓷材料”作為電子信息材料學科的必修專業課和主干模塊課程，在大學三年級開設，前期的基礎課程包括“材料科學基礎”和“材料工程基礎”。針對現有專業課培養方案中存在模塊課課時少(32學時)，教學內容多，理論與實踐脫離的問題，對現有課程體系進行改革勢在必行。我們一方面在“電子陶瓷材料”原有理論課程中加強基礎教學，從材料、性能、應用的角度出發，以鈣鈦礦結構與電極化機制為兩條主線索，著重介紹電子陶瓷材料的基本特性及其應用范圍，重點突出滿足社會重大需求的介電、鐵電與壓電陶瓷材料及其器件相關內容講述。另一方面，我們應用研究型綜合實驗設計思想，修訂現有培養計劃[5-7]。增設“電子陶瓷材料實驗”實踐教學課程，對理論教學內容進行有效補充。系統編制實驗教程，撰寫實驗指導書并錄制實驗操作視頻。采用研究型實驗的設計思想，設計了五個既相互獨立，又相互關聯的電子陶瓷材料實驗，包括：實驗一，電子陶瓷粉體制備；實驗二，電子陶瓷成型與燒結；實驗三，電子陶瓷表面金屬化；實驗四，電子陶瓷人工極化和實驗五，電子陶瓷性能測試。根據模塊課小班教學特點(≤30人)，采取目標導向型小組模式分類(以5個獨立電子陶瓷目標體系為導向進行分組，以組為團隊，每組6人并設組長1名，研究生助教1人)和責任教授分階段考核等方式增強學生獨立實踐能力與團隊協作能力。圖1為本科生進行電子陶瓷材料分組實驗。通過“電子陶瓷材料”實驗課程的開設與運行，使學生能夠在前期學習理論課程的基礎上，做到理論聯系實踐，全面深入地掌握電子陶瓷制備工藝流程及其材料各項性能的表征方法，實現專業實驗課程的改革從演示驗證實驗到自主研究實驗的轉變，從被動灌輸教學實驗到主動尋知求學的拓展試驗轉變和從以往實驗員“單兵教練”到由責任教授負責的高水平實驗教學團隊的實驗教學實施模式的轉變。

粉體造粒

干壓成型

陶瓷拋光

密度測量

煮坯裝片

燒結瓷片

燒滲電極

高壓極化

研究生教學環節，我們針對本科生課程與研究生課程的銜接問題，特別是選課研究生生源的多樣化和參差不齊的基礎，對學術型研究生課程“先進陶瓷材料”的教學內容進行全面修訂。適當加強導論部分的學時數，著重基本概念的講述和重要公式的推理，以期在短時間內使不同學科背景的學生均能夠掌握先進陶瓷材料的基礎知識。進一步，在功能化陶瓷材料的教學內容選擇上，教師結合自身的科研探索，將先進陶瓷領域的前沿與發展動態引入課堂，將科研成果轉化為教學案例，引導學生掌握先進陶瓷材料結構設計的精髓，使學生的知識更新始終走在領域發展的前列。此外，對于“先進陶瓷材料”課程中涉及的復雜設備工作原理和材料制備的特種成型與燒結工藝過程(例如流延成型技術，多層陶瓷共燒技術和放電等離子燒結工藝等)，采用多媒體動畫技術進行解析與演示，提升同學們對于教學難點的理解，獲得了良好的教學效果。另外，針對專業碩士工程化的培養目標，我們還相應開設“電子陶瓷材料與工藝”課程，從工業制造角度，以新型陶瓷材料設計與電子器件匹配為核心，通過專題報告與課程實驗模式，提升學生工程實踐能力，為后續專業碩士進入企業從事工程類型課題研究打好基礎。

1.2 教學網絡平臺建設

網絡教學是新的數字化教學模式，與課堂教學具有互補功能[8-9]。電子信息材料學科利用現有理論計算中心計算機服務器等硬件裝備，組織學科教師與學生共同參與構架網絡教學平臺，拓展虛擬互動教學模式。教學網絡平臺(http://qmlab.bjut.edu.cn/edu/)有效實現課程教學大綱和電子教案的共享。已發布的電子陶瓷材料教案(見圖2)被校內外師生和同行(包括一些高新技術企業)下載用于學習與教學。

圖2 “電子陶瓷材料”課程電子教案

此外，在教學內網中設計了電子陶瓷材料實驗設備使用網上預約管理系統(見圖3)，實現學科開放實驗室內所有合成與測試設備預約數字化。該管理系統既方便電子陶瓷材料專業教師對于實驗設備的高效管理，也有利于實驗教學中本科生和研究生及時預約相關儀器設備，開展科學研究。為了加強師生互動，我們還在教學網絡中建立電子陶瓷材料專業論壇，由學科責任教授擔任版主，定期發布領域內熱點聚焦和工業應用實例，并通過版主引導學生與教師、學生與學生之間針對課程難點與學術問題展開網絡論壇互動。電子陶瓷材料專業論壇具有前沿性，知識性和趣味性，有效培養了學生積極思考與主動學習的能力。此外，論壇還以量子幣這種虛擬貨幣形式對積極參與互動交流的學生進行獎勵，并階段性統計兌換獎品，激發學生網絡學習熱情。經統計目前校內外注冊會員已近千人，點擊量在同類專業教學版塊中遙遙領先。其中，僅發布的環保型無鉛壓電陶瓷材料——鈮酸鹽基陶瓷教學討論一個專題的點擊量就已經接近兩萬，并收到數百個校內外回復。

圖3 電子陶瓷材料實驗設備使用網上預約管理系統

1.3 本科生導師制推行

電子陶瓷材料學科方向建成有完整配套的材料制備—表征—檢測實驗平臺，除承擔本方向的科學研究與實驗教學任務外，所有設備還全面對本科生開放。學科自2007年起推行本科生導師制，以滿足學生個性化發展需求為基礎，依托創新學分改革和學業輔導培養計劃，由責任教師根據學科領域和在研科研課題，安排低年級(一二年級)本科學生進行科研實踐，并由研究生進行輔助指導。本科生導師制充分發揮了課堂外“導學”對課堂內“教學”的補充作用，實現學生實踐能力培養的兩個轉變：從單項技能訓練實驗到目標導向的電子陶瓷材料設計、制備與加工、材料結構與電學性能研究一體化綜合能力培養的轉變，從課堂知識驗證型訓練到跟蹤學科前沿的研究型訓練轉變[10-11]。通過2到3年的培養周期，結合中外文獻與專利調研、實驗方案設計、工藝設備操作、樣品測試與數據分析、論文寫作等環節，確保學生接受科研過程、科研規律和科研能力的系統訓練，深挖學生的學習潛能，提高學生的自主學習能力、獨立思考能力和解決問題能力。電子陶瓷材料專業開展的本科生導師制深受廣大學生的歡迎，以本科生為科研骨干完成和撰寫的論文，相繼發表在美國陶瓷學會志，應用物理快報和材料物理與化學等本領域核心SCI學術刊物上，得到國內外學者高度評價。多人因本科科研經歷和高學術水準而保研或獲得全獎進入國外高水平大學繼續學習與深造。

1.4 研究生創新能力培養

研究生教育是電子陶瓷材料學科方向上高等教育的最高層次，研究生教育的質量，特別是具有創新能力的研究生培養是衡量本學科方向教學與科研發展水平的重要標志[12-13]。電子信息材料作為北京市重點發展的產業，是北京市經濟發展的重要增長點。盡管北京市電子信息材料產業在國內居于領先地位，但相對于歐美等發達國家，依然缺乏對核心關鍵技術的掌握。相對于下游應用產業來說，上游材料制備技術難度較大，技術門檻高，急需高素質的專業人才。作為北京市屬211工程重點工科大學，北京工業大學為地區經濟發展服務是其重要使命之一。我們結合地方性研究型大學的發展定位與現有基地條件，將北京市對電子信息新材料產業的重大需求與國際研究前沿相結合，凝煉學科特色，突出面向能源應用的新型電子陶瓷與器件這條研究主線[14-15]，以指導教師為主并強化學科教師組的團隊輔助指導功能，在培養中突出建立主動創新意識、完善優秀品質和強化模仿訓練環節，全面提升研究生培養質量。在以上工作的基礎上，我們還充分利用學校提供的第二課堂科技創新項目支持，積極鼓勵和引導研究生基于電子陶瓷材料專業平臺申報“研究生科技創新基金”。通過這些項目的實施，鍛煉了研究生的項目組織、運行與實施能力，對學科人才培養機制進行了有效的補充。面向能源應用的新型電子陶瓷與器件的研究生培養模式也結出碩果，近年來本方向為北京京東方、中芯國際、有研硅股、中科晶電、七星華創、元六鴻遠等著名電子信息材料企業輸送了大量畢業生，其中大多數已成為相關企業研發的技術骨干，并有10余名電子陶瓷材料方向的博士生和碩士生相繼獲得北京工業大學優秀博士學位論文和碩士學位論文，多人獲得國家獎學金和校長獎學金。此外，電子陶瓷材料專業的研究生培養堅持“請進來，走出去”的教學指導方針，加強校內外教學交流。目前，學科已經與本領域有影響力的國內外著名高校，包括：美國賓西法尼亞州立大學、東京工業大學、香港理工大學、西北工業大學、北京理工大學、北京科技大學和合肥工業大學等，建立長期教學與科研互助伙伴關系，定期互訪，集思廣益，共同提升電子陶瓷材料專業學生工程實踐能力。學科還充分利用“工程大師論壇”這一品牌欄目，邀請一批科學研究和工程技術領域中在電子陶瓷材料方向上卓有建樹的科學家與工程師進行科普講座，結合他們的人生經歷和科研經歷，為學生講述探索科學的執著精神、面對挫折的積極態度以及科學研究的思維和實施方法，激發學生的科研興趣，樹立積極向上的科學精神與勇于創新的科研態度。

2 實踐總結與分析

本學科在電子陶瓷材料專業人才培養體系的構建與實踐工作中，通過深入研究和分析國內外本專業的發展特征和趨勢，結合本校材料科學與工程大學科專業設置特點，逐步完善和細化了具有基礎性、學術性、系統性和前瞻性特色的本科與研究生兩級課程體系，實現理論教學與實踐教學的平衡發展。另一方面，設計并成功運行電子陶瓷材料網絡教學平臺，有效實現教學資源與教學手段的數字化。教師與學生利用專業論壇，充分進行教學難點的討論與互動，有效激發學生的學習熱情和對本領域前沿及工業化應用成果的認知。此外，教師科研活動直接為本科生培養服務，基于本專業具有國際領先的電子陶瓷合成與測試平臺以及教學團隊中的大多數老師承擔有國家和省部級科研課題這些有利條件，本學科積極推行本科生導師制，引導低年級的本科生在課堂學習之余，進入實驗室在導師的指導下從事科學研究。這種系統的課外實踐活動在提高本科生自主學習能力、團隊協作能力和科研創新能力等方面成效顯著。針對研究生層次的培養，我們凝煉學科特色，以國家和北京市對電子信息新材料技術與人才的需求為導向，以高新技術研究為驅動力，突出面向能源應用的新型電子陶瓷與器件的研究主線，并強化指導教師為主，團隊教師為輔的團隊指導功能，從理論水平和實踐創新兩方面提升研究生培養質量，形成電子陶瓷材料專業研究生培養優勢。以上這些教學成果應用于培養學生的實踐表明，不同層次學生主觀能動性和綜合設計、分析與解決問題能力方面有明顯提高，專業知識面拓寬，受到人才市場的廣泛認可和歡迎，并逐步形成北京工業大學電子陶瓷材料專業的教學特色。

3 結 語

相對于傳統學科，電子陶瓷材料這門新興學科的培養體系并不完善，急需進行有效構建以提升不同層次學生的科研實踐能力。本文結合地方高校學科實際，從專業課程體系設計、教學網絡平臺建設、本科生導師制推行和培養研究生創新性四方面構建電子陶瓷材料階梯式專業人才培養體系，并且通過近5年的運行，取得一定成果。但是，電子陶瓷材料學科作為交叉學科和新興學科，人才培養模式改革目前仍然還處在起步階段，還需在教學實踐中不斷積累和摸索經驗，以為國家培養出更多高素質專業人才。

[1] Moulson A J, Herbert J M. Electroceramics [M]. England: John Wiley & Sons Ltd, 2008.

[2] 沈能玨. 現代電子材料技術: 信息裝備的基石 [M]. 北京：國防工業出版社，2002.

[3] 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部. 無機非金屬材料科學學科發展戰略研究報告(2006年—2010年)[M]. 北京：科學出版社，2006.

[4] 顧明遠，石中英. 國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020)解讀 [M]. 北京：北京師范大學出版社，2010.

[5] 毛有武，余曉武，謝明立，等. 材料工程開放模式實驗教學與實踐 [J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(9): 245-247.

[6] 楊一平，李 蘋，王貴學，等. 培養學生具有創新素質的實驗教學模式探討 [J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(7): 259-261.

[7] 吳 音，龔江宏，唐子龍. 無機非金屬材料實驗教學的研究與探索 [J]. 實驗技術與管理, 2011, 28(6): 257-258.

[8] 胡 勇. 網絡教學中的教師角色實證研究 [J]. 開放教育研究, 2009, 15(2): 92-96.

[9] 嚴 莉，楊宗凱，劉三女牙. 關于高校教師與網絡教學的研究綜述 [J]. 電化教育研究, 2009(4): 39-42.

[10] 嚴 薇, 袁云松. 大學生實踐創新能力培養的探索與實踐 [J]. 中國大學教學, 2012(9): 78-80.

[11] 王 麗，陳江博，蘇雪瓊，等. 科研融入實踐教學與大學生創新能力培養 [J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(8): 112-114.

[12] 王如志，嚴 輝. 試論培養研究生主動創新意識的方法與途徑 [J]. 中國高教研究, 2006(1): 42-45.

[13] 趙慶年，祁 曉. 研究型大學的基本職責 [J]. 高教探索, 2012(5): 5-10.

[14] 劉 禎，蔡永香. 北京電子信息材料產業發展研究 [J]. 新材料產業, 2012(1): 1-7.

[15] 李永祥. 信息功能陶瓷研究的幾個熱點 [J]. 無機材料學報, 2014, 29(1): 1-5.

Practice and Construction of Professional Training System for Electroceramic Major

HOUYu-dong,ZHENGMu-peng,ZHUMan-kang,WANGRu-zhi,YANHui,CUISu-ping
(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Electroceramic is the cornerstone of the electronic information industry. As an interdisciplinary major, it occupies a very important position in the fields of materials science and electronic engineering. In China, due to the long stick to the traditional architecture of materials science, it lacks the effective construction of teaching system for electroceramic major. Based on the teaching and research platform of electronic information material in local university, professional training system of electroceramic major has been constructed gradually from the following four parts: improving undergraduate and graduate course teaching plan, designing and operating interactive multimedia teaching network, carrying out the undergraduate tutorial system according to scientific research foundation, and promoting the postgraduate innovation ability centered on the regional industrial development. Practice shows that the training system is effective in enhancing the active practice ability of students and cultivating high-end talents in electroceramics, and the training mode is expected to further extend to other related majors.

innovation ability; training mechanism; teaching system; electroceramic

2014-03-19

北京工業大學教學研究項目(ER2011-B01)；北京工業大學研究生課程重點項目(CR2011-A-006)；北京工業大學師德建設品牌項目；北京工業大學研究生精品課程建設項目(CR2014-013)

侯育冬(1974-)，男，陜西西安人，教授，博士生導師，電子信息材料學科教學責任人，研究方向：電子陶瓷材料。

Tel.:010-67392445;E-mail:ydhou@bjut.edu.cn

TQ 15； G 642.0

A

1006-7167(2015)02-0202-04