“功能材料專業(yè)”實驗教學(xué)體系構(gòu)建及實踐探究

溫建武　曹林洪　王軍霞　李延波　劉桂香

摘 要：功能材料專業(yè)作為國家戰(zhàn)略型新型產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)，其實驗教學(xué)體系的合理設(shè)計及構(gòu)建對于提升學(xué)生的綜合實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才具有重要的意義。文章以西南科技大學(xué)功能材料專業(yè)的實驗教學(xué)課程體系為例，從公共基礎(chǔ)實驗、專業(yè)基礎(chǔ)實驗以及專業(yè)綜合性實驗三大模塊出發(fā)探討了該專業(yè)的實驗教學(xué)體系的構(gòu)建基礎(chǔ)，并著重針對專業(yè)綜合性實驗?zāi)K在教學(xué)內(nèi)容和方法上的設(shè)計理念及專業(yè)特色進行了有益的探索。

關(guān)鍵詞：功能材料；實驗教學(xué)；實踐；設(shè)計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）04-0083-03

Abstract： Functional Materials Specialty is a specialty related to national strategic new-industry. The reasonable design and construction of experimental teaching system are greatly important to enhance the ability of comprehensive practical innovation and to cultivate applied talents of high quality. Herein， with the example of Functional Materials Specialty in Southwest University of Science and Technology （SWUST）， the construction foundation of the experimental teaching system was discussed from three modules including public basic experiment， specialized basic experiment and specialized comprehensive experiment， especially， focusing on the module of specialized comprehensive experiment， and the valuable exploration has been made on the design concepts and professional characteristics of the teaching content and method.

Keywords： Functional materials； experimental teaching； practice； design

一、概述

功能材料專業(yè)是國家大力倡導(dǎo)的戰(zhàn)略型新型產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)，從屬于材料科學(xué)與工程一級學(xué)科，沿襲了材料學(xué)科實踐性較強的特點。在功能材料專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容體系中，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、理論聯(lián)系實際的能力以及運用所學(xué)知識綜合創(chuàng)新的能力具有重要的作用[1-3]。實驗教學(xué)體系的合理化設(shè)計與構(gòu)建對于增強實踐課程授課的效果、培養(yǎng)全面創(chuàng)新的高素質(zhì)應(yīng)用型人才具有關(guān)鍵意義。西南科技大學(xué)功能材料專業(yè)于2012年成立，隸屬于材料科學(xué)與工程學(xué)院，其辦學(xué)歷史源于學(xué)院1999年材料科學(xué)與工程專業(yè)下設(shè)的電子信息材料專業(yè)方向。多年來，功能材料專業(yè)在學(xué)校學(xué)科建設(shè)的大力支持下，經(jīng)過不斷的探索改革，其實驗教學(xué)內(nèi)容體系在模塊化建設(shè)的基礎(chǔ)上逐步得到完善，尤其是在專業(yè)綜合性實驗?zāi)K的教學(xué)方面形成了具有一定特色的專業(yè)綜合訓(xùn)練體系。

二、功能材料專業(yè)實驗教學(xué)課程體系構(gòu)建

西南科技大學(xué)功能材料專業(yè)的實驗課程是基于模塊化建設(shè)下的實驗教學(xué)體系，主要分為公共基礎(chǔ)性實驗、專業(yè)基礎(chǔ)性實驗和專業(yè)綜合性實驗三大模塊。

（一）公共基礎(chǔ)性實驗?zāi)K

公共基礎(chǔ)性實驗?zāi)K主要包括《無機及分析化學(xué)實驗》、《物理化學(xué)實驗》、《大學(xué)物理實驗》、《電工電子學(xué)實驗》、《計算機基本技能訓(xùn)練》四門實驗課程，其中，除《電工電子學(xué)實驗》為課內(nèi)實驗外，其余三門實驗均為獨立的實驗課程。由于功能材料學(xué)科作為一門高度交叉性工科學(xué)科[4]，該學(xué)科的發(fā)展和科學(xué)研究可能涉及物理、化學(xué)、生物等多方面的知識的融合，因此我校該專業(yè)公共基礎(chǔ)性實驗開設(shè)的目的主要是為了讓學(xué)生掌握基本的物理、化學(xué)、分析、電路及計算機方面的必備操作技能及理論知識。

（二）專業(yè)基礎(chǔ)性實驗?zāi)K

專業(yè)基礎(chǔ)性實驗?zāi)K的主要目的是為了讓學(xué)生更加深入地理解功能材料學(xué)科所必需的基礎(chǔ)理論知識，掌握功能材料學(xué)科所需的研究和開發(fā)新型功能材料的基本技能。該模塊主要包括《材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗》、《半導(dǎo)體物理實驗》、《材料合成與制備技術(shù)實驗》、《現(xiàn)代分析測試技術(shù)實驗》、《電子材料測試技術(shù)實驗》、《計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用實驗》六門實驗課程。該模塊內(nèi)容的設(shè)計思路，首先讓學(xué)生掌握材料學(xué)科的基礎(chǔ)知識（如《材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗》、《半導(dǎo)體物理實驗》等），然后從材料的制備（如《材料合成與制備技術(shù)實驗》）到材料的表征（如《現(xiàn)代分析測試技術(shù)實驗》、《電子材料測試技術(shù)實驗》）再到數(shù)據(jù)的處理與模擬計算（如《計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用實驗》），使學(xué)生分段式掌握材料研究和開發(fā)自上而下各個環(huán)節(jié)的實踐知識。該模塊內(nèi)容的實驗課程多數(shù)采用獨立設(shè)課方式授課，由材料實驗中心負責系統(tǒng)授課和考核，使實驗課程既與理論課程聯(lián)系，但不依附于理論課程，增加實踐技能的系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性，提高實踐課程的教學(xué)效果。

（三）專業(yè)綜合性實驗?zāi)K

專業(yè)綜合性實驗?zāi)K開設(shè)的主要目的是為了培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識和實踐技能從事新型功能材料的科學(xué)研究以及項目開發(fā)的綜合應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力。我校功能材料專業(yè)綜合性實驗?zāi)K主要包含《半導(dǎo)體工藝實驗》和《功能材料專業(yè)綜合實驗》兩門課程。

《半導(dǎo)體工藝實驗》課程是在學(xué)生綜合學(xué)習(xí)功能半導(dǎo)體工藝及薄膜制備相關(guān)理論課的基礎(chǔ)上，開設(shè)的半導(dǎo)體工藝及薄膜制備工藝認知的一門綜合實驗課程。該課程實驗項目的設(shè)計思路主要是讓學(xué)生在掌握半導(dǎo)體光刻工藝的基礎(chǔ)上，了解并且理解幾種常見的薄膜制備工藝原理。

《功能材料專業(yè)綜合實驗》課程是功能材料專業(yè)開設(shè)的學(xué)位必修課，是在學(xué)生修完所有的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的基礎(chǔ)上開設(shè)的專業(yè)綜合實驗，設(shè)立的實驗項目類型以綜合性、設(shè)計性為主。本實驗課程的目的主要是使學(xué)生對所學(xué)的理論課程知識達到融會貫通的目的，對專業(yè)知識有較為深刻的理解和認識，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識及創(chuàng)新的能力。因此，在功能材料專業(yè)整個實驗體系的設(shè)計上，本門實驗課程是在前期專業(yè)基礎(chǔ)實驗?zāi)K化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開設(shè)，在前期掌握了功能材料電、磁、熱、光等性能的基本測試和表征手段之后，針對特定功能材料形式綜合運用以往所學(xué)知識而進行開發(fā)。

三、功能材料專業(yè)綜合性實驗?zāi)K的內(nèi)容設(shè)計及實踐

西南科技大學(xué)功能材料專業(yè)綜合性實驗?zāi)K經(jīng)過多年的學(xué)科建設(shè)及實踐，通過不斷的改革創(chuàng)新，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上形成了具有較強綜合性和專業(yè)特色的綜合實驗教學(xué)體系。

功能材料專業(yè)綜合性實驗?zāi)K設(shè)置有《功能材料專業(yè)綜合實驗》和《半導(dǎo)體工藝實驗》兩門綜合實驗課程。在實驗項目的內(nèi)容設(shè)計方面，《功能材料專業(yè)綜合實驗》課程目前設(shè)置有“功能氧化物粉體材料制備（液相法）及基礎(chǔ)性能表征”、“功能薄膜材料制備（旋涂法）及基礎(chǔ)性能表征”、“功能壓電陶瓷制備（固相法）及基礎(chǔ)性能表征”和“小型功能器件的制備組裝測試”四個綜合設(shè)計類實驗項目。《半導(dǎo)體工藝實驗》課程目前設(shè)置有“半導(dǎo)體光刻工藝”、“熱蒸發(fā)鍍膜工藝”、“磁控濺射沉積薄膜工藝”、“微波等離子體化學(xué)氣相沉積薄膜工藝”四個實驗項目。兩門綜合實驗課程開設(shè)的實驗項目在內(nèi)容上可以起到相互補充，相互促進的作用。

（一）“三類三段”遞進式綜合實驗訓(xùn)練體系

基于功能材料的性狀分類，針對功能材料的三大形式：粉體、薄膜與塊體材料，分別設(shè)置了獨立的綜合實驗項目，內(nèi)容涉及功能氧化物粉體、功能薄膜以及功能壓電陶瓷塊體三類材料的制備及基礎(chǔ)性能表征，最后，在此基礎(chǔ)上，拓展到“功能器件制備、組裝、使用性能測試”的設(shè)計創(chuàng)新類實驗，實現(xiàn)了從“原料”到“功能材料”再到“功能器件”使用的三段式訓(xùn)練，使學(xué)生對材料學(xué)科關(guān)鍵理論和實踐知識實現(xiàn)了自下而上的認識和理解，切實有效地培養(yǎng)了學(xué)生綜合實驗設(shè)計能力和綜合創(chuàng)新能力。

（二）覆蓋知識點全面，綜合訓(xùn)練程度高，實踐應(yīng)用性強

第一，在粉體、薄膜、塊體三大類材料的“原料-材料-器件”三段式綜合實驗訓(xùn)練過程中，實驗內(nèi)容覆蓋了材料學(xué)科的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)（掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)、X射線衍射測試晶體結(jié)構(gòu)等）、性質(zhì)（密度、導(dǎo)電率等）以及使用性能（儲能、壓電性能等）四要素。

第二，材料的合成與制備在功能材料學(xué)科體系中具有非常重要的地位，為了讓學(xué)生掌握更全面的合成方法，我們基于材料合成方法的三大分類（液相法、固相法、氣相法），在粉體、薄膜及塊體材料的制備及基礎(chǔ)性能表征的三個獨立的綜合實驗中，分別采用了液相法制備粉體和薄膜材料，采用固相法制備陶瓷塊體材料，采用旋涂法制備薄膜材料，而氣相合成法在《半導(dǎo)體工藝實驗》中的幾種利用大型儀器鍍膜的實驗項目（如熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積鍍膜實驗）中都有涉及。

第三，針對學(xué)生未來作科學(xué)研究及項目開發(fā)的需求[5]，每個獨立的綜合實驗項目的所涉及的內(nèi)容，都包含從前期文獻調(diào)研出發(fā)到實驗方案設(shè)計、材料制備、結(jié)構(gòu)表征以及基礎(chǔ)性能檢測在內(nèi)的整個流程，使學(xué)生在查閱和總結(jié)文獻、實驗方案設(shè)計及論證、材料制備的工藝方法以及性能檢測的方法等每個階段都能得到相應(yīng)的訓(xùn)練，有助于學(xué)生對功能材料的研究或開發(fā)流程有全面深入的理解，達到融會貫通的效果，切實培養(yǎng)了學(xué)生獨立開展科學(xué)研究課題或項目開發(fā)的能力。

第四，專業(yè)文獻的調(diào)研及閱讀對于學(xué)生掌握最新的科研進展具有重要意義。學(xué)生在理論課學(xué)習(xí)的過程中，對于文獻調(diào)研方面的訓(xùn)練還存在不少問題，第一，文獻調(diào)研訓(xùn)練機會比較少；第二，專業(yè)文獻的閱讀方法及有效信息的快速獲取尚缺乏經(jīng)驗；第三，閱讀的文獻往往集中在中文文獻，而對于英文文獻的查閱方式、技巧及閱讀方法的掌握還有待進一步提高，而我們知道要保持對于最新科研進展的了解和掌握，學(xué)會定期閱讀英文文獻是必不可少的。

針對專業(yè)文獻調(diào)研方面目前存在的問題，我們在綜合實驗項目中加入了文獻調(diào)研的環(huán)節(jié)，在綜合實驗項目的實施過程中，把綜合實驗中的文獻調(diào)研環(huán)節(jié)提取出來單獨組織一次文獻調(diào)研的實驗項目訓(xùn)練。通過在電腦機房，利用微軟Netmeeting軟件會議模式，實現(xiàn)老師主機控制端與學(xué)生顯示終端共享屏幕。首先，老師現(xiàn)場講解并演示文獻查找方式和文獻閱讀方式，尤其是英文專業(yè)文獻的查找及閱讀方式，詳細介紹幾個常用文獻數(shù)據(jù)庫（美國化學(xué)會、英國皇家化學(xué)會、Web of Science、Elsevier、Wiley、Nature、Science）的背景、查閱方式以及其各自的經(jīng)典期刊、主打期刊及各自期刊的特點，并以關(guān)鍵詞舉例的方式現(xiàn)場演示。然后，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)對給定的課題，在不同的數(shù)據(jù)庫中各查找一篇相關(guān)的英文文獻，并經(jīng)過閱讀文獻后，設(shè)計出一份合成給定目標材料的實驗方案。該文獻調(diào)研實驗項目的開設(shè)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的英文文獻調(diào)研能力及快速獲取關(guān)鍵信息的能力，在該文獻調(diào)研實驗項目的實施過程中，盡管學(xué)生在實驗訓(xùn)練過程中感受到快速查閱英文文獻的難度及壓力，但是最終完成設(shè)計方案后還是收獲良多。多數(shù)學(xué)生表示該實驗項目的訓(xùn)練在很大程度上提高了其在專業(yè)文獻查閱尤其是英文專業(yè)文獻查閱的能力，開闊了科研文獻信息獲取的思路，為其后期畢業(yè)論文的開展奠定了一定的基礎(chǔ)。

（三）興趣式教學(xué)

在實驗課程的授課過程中，能夠激發(fā)學(xué)生的主動式學(xué)習(xí)興趣對于授課的效果具有重要的幫助。但是，在功能材料的實驗課體系中，由于專業(yè)課程內(nèi)容的理論性較強，內(nèi)容比較枯燥深奧，前期大二、大三階段的實驗多以為驗證某個定理而設(shè)置的驗證型實驗為主，往往很難引起學(xué)生的興趣。在綜合實驗項目授課過程中，我們在液相法制備功能粉體實驗中，采用了檸檬酸鹽或甘氨酸鹽燃燒法來制備粉體，實驗中低溫燃燒產(chǎn)生火焰的現(xiàn)象能夠在很大程度上激發(fā)學(xué)生的興趣，而實驗考核環(huán)節(jié)中，我們將實驗視頻的拍攝作為一項考核要求，更增加了學(xué)生的積極性和主動性，給學(xué)生留下非常深刻的印象。另外，在器件制作實驗中，多數(shù)學(xué)生在實驗之前就懷著高度的興趣，學(xué)生在利用自己親手從原始化學(xué)原料制備的材料組裝成鋰離子電池并且能夠現(xiàn)場點亮LED燈時，多數(shù)學(xué)生都懷著滿滿的幸福感和成就感，收到良好的教學(xué)反饋效果。

興趣式實驗教學(xué)是興趣教學(xué)和實驗教學(xué)的結(jié)合。興趣式實驗教學(xué)模式的設(shè)立，尤其是興趣式實驗教學(xué)元素的多點開發(fā)，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的實驗及科研興趣，激發(fā)學(xué)生探索式學(xué)習(xí)的動力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，培養(yǎng)學(xué)生對于實驗現(xiàn)象的主觀思考、觀察和深度分析能力，有助于激活實踐教學(xué)課堂的活力，可以使學(xué)生更為積極主動的參與其中，帶著興趣做實驗的同時，可以收獲更加切實、豐富、可塑并可轉(zhuǎn)化和利用的實驗知識，鞏固和強化對理論知識的理解，對于學(xué)生的實驗效果具有非常積極有效的促進作用，大大提高了實驗教學(xué)的效率。

（四）科研成果轉(zhuǎn)化實驗教學(xué)，增強教學(xué)內(nèi)容的前沿性

在開發(fā)新的綜合實驗項目過程中，我們注重最新科研成果與實驗教學(xué)的結(jié)合，對于本專業(yè)最新的科研文獻（進展）保持追蹤，并對最新進展內(nèi)容評估其引入實驗教學(xué)的難易度及可行性，及時將其引入本科實驗教學(xué)中，如：我們根據(jù)文獻報道的一種非常新穎的材料合成方法——熱引發(fā)聚合物凝膠法，認為該方法在本實驗課程中實施可行度高，并將該方法成功引入到綜合設(shè)計類實驗項目“功能氧化物粉體制備及基礎(chǔ)性能表征”中；這樣，在實際教學(xué)中，既能夠使最新科研成果更快應(yīng)用到教學(xué)中去，也使學(xué)生能夠了解且動手驗證并掌握最新的科研進展；在提高教學(xué)質(zhì)量方面，保證了實驗教學(xué)內(nèi)容的前沿性，實現(xiàn)了高效的科研成果服務(wù)于教學(xué)，加強了教學(xué)和科研的相互促進、融合及統(tǒng)一。

四、結(jié)束語

功能材料專業(yè)模塊化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建對于漸進式培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。在專業(yè)綜合實驗?zāi)K的建設(shè)方面，西南科技大學(xué)功能材料專業(yè)經(jīng)過多年探索實踐構(gòu)建的遞進式綜合實驗訓(xùn)練體系，覆蓋知識點全面，注重興趣式教學(xué)，并重視將科研成果與教學(xué)的結(jié)合，具有綜合訓(xùn)練程度高、實踐應(yīng)用性強的特點，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上形成了具有較強綜合性和專業(yè)特色的綜合實驗教學(xué)體系，切實培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)綜合創(chuàng)新能力。

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