大學理科綜合實驗平臺建設

李志杰, 李 媛， 史桂梅, 孫維民, 劉忠菊

(沈陽工業大學 理學院, 遼寧 沈陽 110870)

經過幾十年的高速發展之后,我國經濟近來增速漸緩,這就需要重視基礎研究和技術的轉化。為了培養適應市場的高素質創新人才,亟需高校理科綜合實驗體系的改革,這種改革目標是培養學生創新創業精神和綜合能力。理科綜合實驗平臺包括專業實驗、校內實踐基地、校外實踐場所及所有相關實驗教學活動和相應的課程體系。國內外高等學校和地區政府非常重視實驗室和實踐基地建設,紛紛投入大量經費進行建設。通過中央與地方基金擴建實驗室、更新實驗設備、修改實驗題目和增強企業聯系,減少驗證性題目、開發新的綜合性題目和具有挑戰性題目[1-4]。圍繞高素質創新人才培養模式,借鑒國外高校的建設經驗,強化實驗、實踐與企業的聯系,引進教師科研內容和對應的開發設備到實驗平臺中[5-8]。

高等學校理科實驗教學平臺建設,能夠促進理論與實際結合,提升學生創新創業精神和綜合能力,又符合當今國家提倡的產學研合作,解決學校實踐教學經費不足、企業的技術水平不高和畢業生適應工作時間長的問題。同時激發學生的學習興趣,促進大學生的創新創業能力發展[8-11]。

1 理科實驗平臺的現狀

現今,大部分高校由于實驗和實踐的條件和經費不足,實驗題目多是驗證實驗,部分演示實驗,實驗教學課程較為死板,不能激發學生創新思想；實踐教學內容和方法與社會、生產一線結合不夠緊密,多數為校內演示和企業參觀形式。由于實驗教學改革所需費用較高,多年來實驗教學流程已模式化,測量數據、記錄數據、書寫實驗報告,不能提高學生的實踐能力,對今后繼續學習和工作起不到太大的作用[12]。各高校意識到實踐教學的重要價值,不斷加大實踐教學硬件環境的投入,并有了明確建設方向。但是結合企業產品和市場需求,大力發展高校服務社會的職能,把理科教學實驗平臺建成相對獨立的、緊密結合校企合作的平臺還有很大的開發余地。現階段校內理科實踐教育基地的缺失,已導致理科教育教學質量的下滑和不適應工作崗位的需要,因此校內理科實驗和實踐教學平臺多功能建設就顯得尤為重要。

2 理科實驗平臺的建設

2.1 專業實驗室建設

隨著《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》的制定與實施,實驗教學環節在整個人才培養體系中地位和作用將進一步凸顯。實驗教學課程體系是實驗教學工作中的核心要素。考慮應用物理學專業的磁性材料與技術研究方向,對本科生課程進行調節,增加永磁體材料制備與應用方面的課程,壓縮一些理論性較強的課程。也加強一級學科物理學碩士生和功能材料博士生的磁性材料與技術課程。調整后的部分課程如表1所示。

表1 理論課程列表

同時,對專業實驗課題目進行了修改。傾向于綜合性實驗、挑戰性實驗和各實驗課的時間不同。改動的實驗題目如表2所示。通過課程和實驗題目調整,組建多層次、緊密聯系和聯系實際的課程體系。有利于培養理論基礎扎實、動手能力強、有創新精神的應用型人才。磁性材料磁性測試實驗所用測試樣品是企業實際產品,課程內容具有一定的挑戰性,有利于學生創造性思維的開發。建立一套評價體系,實驗成績評定根據上課情況、實驗報告,結果精確度和原因分析情況而定。對班級10%左右實驗成績高的學生可以參加拓展實驗—企業產品研制過程。

表2 實驗題目表

2.2 校內實習基地建設

為了培養本科學生的科學素養,提高學生適應今后工作的進度,強化實踐教學工程化特色發展的建設思想,以提升學生的創新創業精神和綜合能力為核心,結合遼寧區域行業背景及發展需要,根據企業現狀和未來的發展趨勢,實踐基地初步建設一條中試級別的納米級粉末冶金生產線，生產各類永磁材料,滿足學生的相關行業的基本功訓練,提升學生的綜合素質、增強學生的創新創業能力。近幾年,分別得到中央與地方建設項目、遼寧省教育廳教改項目和沈陽工業大學重點教改項目資助,在原先的專業實驗室基礎上擴建成沈陽工業大學理學院磁性材料綜合實驗平臺。為此,就綜合實驗平臺如何運行制定了一系列措施,確保校內綜合實驗平臺和企業的基地有效結合。制定相對獨立的實驗、實踐教學計劃,并針對計劃編制實驗、實踐教學大綱、生產線的操作手冊和基地的注意事項,規范實驗、實踐教學的教案和考核辦法。

校內實習考核辦法：通過2～3人一組制備產品,根據完成產品情況和對應的小論文進行考核。班級進行答辯,其中每小組成員10 min講述、8 min回答問題,加上實習期間表現確定成績。

生產線運行模式為制備主合金,通過配料、熔煉和甩帶鑄件技術制得燒結NdFeB的磁體合金薄片,利用氫破和氣流磨使得合金薄片磨為平均粒徑3～4 μm的粉末。輔合金,采用等離子體電弧法制備過渡金屬或稀土金屬納米粉。將2種金屬或合金粉末通過真空混料機在氮氣條件下混合均勻；在2特斯拉磁場中取向壓制成型和200 MPa冷等靜壓；在真空爐中燒結和熱處理成初坯,最后經機加工和表面處理,充磁成產品，其工藝流程如圖1所示。

圖1 燒結NdFeB磁體制備流程

2.3 企業實習基地建設

高等院校要積極探索校內相對獨立的工程化實驗平臺建設的校企組合新模式,由學校提供科研場地及人員,納米粉體制備設備、微結構、磁性能檢測儀器和最新信息,企業提供運行資金、工程技術人員支持和校外生產線實習場所。教師與學生到企業中了解大規模生產過程和企業實際困難,促進校內科研技術及早轉變成企業的生產技術,提升企業競爭力和解決學生就業問題。同時,利用高校先進檢測儀器服務社會,把企業的不定量的經驗轉化為準確的數據庫。學校與北方重工集團、遼寧恒德磁業有限公司、沈陽寰博磁電有限公司和撫順市先鋒永磁材料有限公司合作，建成了4個實習基地。校外基地主要提供學生參觀和教師與企業合作,解決學生的感性認識和興趣。在校企合作系統中,以學校為主、企業為輔的合作形式培養學生,形成產學研合作新機制。學校得到教育發展和科研提升,企業得到規模擴展和競爭力提高,學生得到全面的鍛煉和就業機會。積極從合作企業聘請企業家、工程技術人員等作為兼職教師,定期到校介紹生產線情況和指導校內師生具體操作設備技藝。形成校企結合的全方位創新創業工程教育教師隊伍。

3 理科實驗平臺運行的效果

3.1 人才培養模式的改進

理科實驗平臺建設規劃體現現代工程教育的培養模式，其課程體系的改進,符合學科特點和服務社會的要求,在大學4年期間,設立大學物理實驗、中級物理實驗、校內外實習、基地生產實習、專業物理實驗和畢業設計等實踐教育貫穿大學課程體系,其中理科實驗教學內容符合應用物理學專業的實際需求。形成一個校內相對獨立的理論與實踐相結合的理科實驗教學平臺,其他學院的學生也積極參加平臺開設的拓展與創新實驗,培養出一批具備創新創業精神、綜合競爭力強的市場所需人才。

在學生大二期間,引進專業方向課程,如“永磁材料原理、制備與應用”和“光學測量技術與應用”,并系統介紹專業方向實踐課,根據企業工程設計需求及團隊研究方向制定教學計劃。實施“校企結合化”的教學管理,保障工程與科學相結合的學習模式。為保證實踐教學內容具有創新創業思維,教學內容緊跟教師的實際項目，并做相應的變化,既訓練了學生,同時也完成項目的部分工作,還能解決實踐費用不足的矛盾。

3.2 師資隊伍科研能力的提升

從教育發展的全局看,實驗平臺建設仍然是發展高校教育中的薄弱環節。急需一支具有熱愛教育事業、較強責任心和工程實踐能力的指導教師隊伍。在理科實驗教學平臺的建設過程中,教師都充分認識到教師職責--傳授知識和創造知識,都應具有主動地適應轉型發展的理念。近2年，引進2名實踐能力較強的清華大學、大連理工博士生，并培養5名青年教師,這些教師都可以帶領學生進行實習,同時開創一些新的科研方向。近幾年，采取全脫產進企業鍛煉的方式,先后有7名教師到對口企業,參于企業產品研發過程、生產流程與企業管理,受到企業高度評價。既培養自己科研能力,也增加了服務社會的實踐活動。也進一步增強校內實驗平臺培養學生的目的和能力,豐富了平臺建設內涵和服務社會領域,提升了教師合作精神。

3.3 學生的科學素質的提高

結合沈陽工業大學理科應用型人才培養模式的機制,借助企業行業優勢,確立應用物理學專業人才現代工程教育的培養模式。在實施過程中,實現校企合作共建實驗平臺。校內建成理科實驗平臺工程化,校外成立企業實習基地,同時還有研究生實踐基地。學生參觀企業的生產流程和經營管理,完成校內的理科實驗平臺實習,總結2周的實習活動。學生高興地發現所學的專業知識在產品制備過程中的作用,在學生對實習感興趣同時,認識到書到用時方恨少。在運用專業理論觀察問題、分析問題時,提升了自己實踐能力和創新意識。今年許多學生因綜合能力加強而被用人單位接收,一些學生就業到對應的磁性行業。2017年比上屆高出14個百分點,提升了本科畢業生就業競爭力。

同時,以實驗平臺為依托組織省級以上大學生創新創業訓練項目12項；組織學生參加大學生“挑戰杯”競賽、大學生數學建模設計競賽、大學物理實驗大賽等16項。在大學低年級學生中挑選有興趣的同學參與教師的課題組,從而達到“差異教學、特色培養和興趣教育”的目的。學生在校內生產線上能夠制備出企業需要的多種不同產品,為企業解決了不適合大量生產的產品問題,從資金上保證了實驗平臺的正常運行。教師和研究生就企業產品改進進行科學研究,建立研發團隊,派遣教師和碩、博研究生到企業指導工作,提升企業的競爭力,解決了企業的實際問題。

4 結語

本文對理科實驗及實踐教學環節進行調整,按照實驗及實踐教學不間斷和工程化的思想,完成了專業實驗室建設、校內實習基地建設、校外實習基地建設和課程體系調整及評價體系建設等幾個方面。從大學入學的實驗室介紹開始到大四的畢業設計整個8個學期都有相應的實驗、實踐、實習和參與教師的課題活動,這些具體的措施對理科專業的人才培養提供一個更好的平臺,解決了學生對實驗、實踐教學忽視,對校外實習走馬觀花的現象。提升了學生的實驗興趣、動手能力和就業競爭能力,達到培養具有創新創業精神和綜合能力強的復合型人才的目標。凝聚了教師的業余時間,建立了研發團隊,為教師提供了實用的研究方向,提升企業的競爭力,解決了企業的實際問題。