材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)體系的建設(shè)與思考

王嚴(yán)東，路大勇，張 鈺，張啟忠，耿樹東，宋 巖

(吉林化工學(xué)院材料與工程學(xué)院，吉林吉林132022)

近年來，國內(nèi)高校材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)改革一直得到迅猛的進步發(fā)展，所以材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗體系也應(yīng)該與時俱進，及時更新［1］。因此具有獨到特色的材料科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)就成為一般本科院校專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容。

一、應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式構(gòu)建

2012年教育部對本科專業(yè)目錄進行了調(diào)整，材料類(0804)下設(shè)“材料科學(xué)與工程(080401)”、材料物理(080402)、材料化學(xué)(080403)等八個本科專業(yè)［2］。由于材料科學(xué)與工程在學(xué)科目錄中為一級學(xué)科，該專業(yè)的專業(yè)方向設(shè)置既可以偏理論研究也可以偏向工程實際，需要辦學(xué)高校自行按照個性化要求設(shè)置。因此，材料科學(xué)與工程專業(yè)在國內(nèi)高校出現(xiàn)了辦學(xué)方向多樣化的方式。

材料科學(xué)與工程專業(yè)素質(zhì)教育體系主要通過系統(tǒng)的專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)、專業(yè)實驗教學(xué)和實習(xí)、實踐課程來實現(xiàn)。課堂教學(xué)是專業(yè)教育的主體，非重點普通本科院校主要培養(yǎng)應(yīng)用型工程師，因此的專業(yè)課程教學(xué)要向工程應(yīng)用型靠攏。應(yīng)用型教學(xué)能夠提高學(xué)生專業(yè)實踐素質(zhì)、獲得基本理論聯(lián)系實際的思想方法，培養(yǎng)學(xué)生今后學(xué)習(xí)其他知識的能力。專業(yè)實驗教學(xué)主要包括專業(yè)方向?qū)嶒灪驼n程設(shè)計，還要根據(jù)相應(yīng)材料生產(chǎn)企業(yè)建立實習(xí)教學(xué)基地開設(shè)認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)等實踐教學(xué)課程。培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的應(yīng)用型材料工程技術(shù)人員［3-5］。

應(yīng)用型材料科學(xué)與工程專業(yè)的建設(shè)要立足于工程實踐意識，側(cè)重材料生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品開發(fā)測試應(yīng)用，培養(yǎng)產(chǎn)品過程控制的工程技術(shù)人員［6-8］，有別于研究型和教學(xué)研究型大學(xué)。

二、材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)體系

(一)專業(yè)實驗體系構(gòu)建

材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)科交叉性較多、綜合性強，新型教學(xué)模式應(yīng)該強調(diào)理論在實踐應(yīng)用中的相關(guān)性和綜合性，建設(shè)相應(yīng)的專業(yè)實驗課程教學(xué)體系。專業(yè)實驗題目的應(yīng)反映本校自身的辦學(xué)特色，應(yīng)該能夠體現(xiàn)應(yīng)用型材料學(xué)專業(yè)特點，培養(yǎng)學(xué)生基本實驗操作技能和初步的工程應(yīng)用能力，使學(xué)生在本科階段建立工程意識。

我們在無機材料方面的科研成果教學(xué)轉(zhuǎn)化比較成功，打造無機材料研究特色鮮明的專業(yè)實驗:包括粉末的水熱合成、冷壓陶瓷技術(shù)、固相反應(yīng)合成、X射線衍射(XRD)、晶體結(jié)構(gòu)計算、掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)的微結(jié)構(gòu)觀察、介電溫譜測定、鐵電體電滯回線的測定等。

(二)專業(yè)實驗課程體系的具體設(shè)置

針對材料科學(xué)與工程實驗課程體系，從基本技能訓(xùn)練、驗證型、綜合設(shè)計型和開放創(chuàng)新型4個實驗層次來設(shè)置和調(diào)整實驗項目及內(nèi)容。

學(xué)生進入大一下學(xué)期開始進行材料學(xué)專業(yè)的基本技能訓(xùn)練，主要以基本的物理、化學(xué)實驗為主，鍛煉學(xué)生對于基本儀器設(shè)備的使用，了解實驗室的基本規(guī)則。如化學(xué)的玻璃器皿加工、酸堿滴定、天平的使用等基本操作。

基礎(chǔ)驗證型實驗主要是為了加深學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的理論知識的印象，驗證材料學(xué)理論知識的相關(guān)定理和基本概念，具有一定的實驗操作技能，該層次主要通過設(shè)置的“材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗”課程實現(xiàn)。如固相反應(yīng)、溶膠凝膠、金屬熱處理、結(jié)晶等方面的實驗題目。

綜合設(shè)計型主要是提高綜合分析及解決問題的能力，重點是深化和拓展理論教學(xué)的內(nèi)容。該層次主要通過設(shè)置“材料化學(xué)實驗”和“材料分析測試實驗”課程實現(xiàn)。學(xué)生對于制備的材料進行不同的分析測試手段進行測試，了解制備工藝對材料電學(xué)性能、力學(xué)性能等方面的影響。如:鐵電材料鈦酸鋇的制備及性能測試實驗中，要求學(xué)生利用不同方式制備鈦酸鋇樣品(固相反應(yīng)、溶膠凝膠等)，控制不同條件反應(yīng)過程來獲得多個樣品，然后進行介電常數(shù)、XRD、拉曼光譜、SEM等手段測試物理性能。使學(xué)生對于材料相變、鐵電轉(zhuǎn)化、軟模等知識內(nèi)容有著直觀認(rèn)識。

開放創(chuàng)新型培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，讓部分有興趣的學(xué)生的學(xué)生參加全國“挑戰(zhàn)杯”競賽和參與教師科研項目等活動，讓學(xué)有余力的學(xué)生參與創(chuàng)新實驗項目和科研項目，為學(xué)生的畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計做準(zhǔn)備。按照材料科學(xué)與工程專業(yè)的個別人才培養(yǎng)定位在創(chuàng)新型“工程師”的要求，選拔優(yōu)秀的學(xué)生直接參與“無機固體功能材料”領(lǐng)域的高層次科研項目，在材料合成技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)、計算機技術(shù)、學(xué)術(shù)研究等方面培養(yǎng)部分學(xué)生的動手能力和自信心，發(fā)表高水平科研論文，為部分學(xué)生的考研繼續(xù)深造和到高新技術(shù)企業(yè)工作打好基礎(chǔ)，做到人才培養(yǎng)與科研成果雙豐收。

三、鮮明特色的專業(yè)課程和專業(yè)實驗

確保材料科學(xué)與工程專業(yè)所需要的綜合性人才培養(yǎng)的理論課程設(shè)置大類材料的基礎(chǔ)知識，統(tǒng)籌和優(yōu)化課程內(nèi)容，避免重復(fù)，確保絕人才培養(yǎng)定位在應(yīng)用型“基礎(chǔ)工程師”的綜合性人才［9-12］。材料科學(xué)與工程專業(yè)的多門專業(yè)課程中的教學(xué)內(nèi)容交叉嚴(yán)重，如晶體結(jié)構(gòu)以及缺陷在《固體物理學(xué)》以及《材料物理系》的重復(fù)講授。需要多門課程教師進行集體教學(xué)研究，交流和溝通，按照課程的先后和教學(xué)規(guī)律，進一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

突出重點，將無機材料方面研究的科研成果融入到理論課程教學(xué)中，我們在無機固體功能材料研究領(lǐng)域的科研成果顯著，許多研究成果都可以融入到教學(xué)體系中，如鈦酸鋇陶瓷的固態(tài)相變、固態(tài)擴散、顯微結(jié)構(gòu)、缺陷化學(xué)研究等等，涉及XRD、SEM、EPR、RS等多種測試技術(shù)。這些現(xiàn)實的數(shù)據(jù)在教材中極其缺少，它們在教學(xué)中的融入將極大地增強學(xué)生的認(rèn)知能力，更加突出人才培養(yǎng)的無機特色。

結(jié)合本系教師的科研優(yōu)勢，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目建設(shè)，設(shè)計與創(chuàng)新無機特色專業(yè)實驗。利用在高介電陶瓷材料研究領(lǐng)域基金項目的優(yōu)勢，以及材料科學(xué)與工程研究中心數(shù)百萬元的先進科研設(shè)備，將多種無機材料的合成、制備技術(shù)、和材料評價技術(shù)方面的多項先進的科研技術(shù)進行教學(xué)化，設(shè)計與創(chuàng)新多個無機特色專業(yè)實驗。如(A)《X射線衍射》與樣品鑒定;(B)《X射線衍射測定陶瓷材料的晶格常數(shù)》:利用材料中心制備的樣品的X射線衍射衍射數(shù)據(jù)，采用美國MS Modeling軟件進行晶體結(jié)構(gòu)計算，同時運用Sma4、Excel、Word、txt軟件，充分培養(yǎng)學(xué)生的計算機能力和理論與材料分析相結(jié)合的實踐能力;(C)《原子力顯微鏡》實驗是學(xué)生認(rèn)識材料微觀結(jié)構(gòu)的高技術(shù)實驗，實驗內(nèi)容是尋找適合探針的高密度、高光滑度的陶瓷和薄膜;(D)《陶瓷材料的介電常數(shù)的測定》;(E)《鐵電體電滯回線的測定》尋找適合實驗的高密度、高拋光度、高介電、高鐵電的陶瓷和薄膜;(F)《晶體缺陷的EPR技術(shù)確定》;(G)《珍珠粉的鑒定》;(H)《拉曼光譜對珠寶玉石的鑒定》等。

四、結(jié) 語

材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗體系經(jīng)過幾年來的摸索和實踐，在我院取得了較好的教學(xué)效果，縮短了課堂教學(xué)與科研、生產(chǎn)實際的距離，鞏固和提高了基本實驗技能，加深了學(xué)生對所學(xué)專業(yè)理論知識的掌握和理解。同時也鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的能力，提高了學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)識和興趣。但總體來講，由于專業(yè)綜合實驗的發(fā)展在我國高等院校基本還屬于探索階段，所以需要不斷地研究與完善。材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，涉及到實驗教學(xué)的方方面面，因此還需要在實驗教學(xué)理念、實驗教學(xué)模式和實驗教學(xué)體系等方面進一步深化改革，提高實驗教學(xué)水平。

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