材料化工類應用型人才教育與實踐的探索研究

弓麗華,鞏飛龍*,楊玄宇,高勝國,王國慶,張永輝

(1.鄭州輕工業大學 材料與化學工程學院,河南 鄭州 450001 ; 2.漢威科技集團股份有限公司,河南 鄭州 450001)

材料合成與制備作為材料化工專業的一門重要專業課,是理論和實踐并重的課程,起到承上啟下的串聯作用,對學生后續知識的銜接、綜合能力和思維方式的培養至關重要。在教學過程中,結合21世紀材料科學發展趨勢,參考最新的科研文獻,結合目前新型材料制備方法的發展概況、基本原理、設備操作以及工藝方法和技術流程,融合現代信息技術,將材料學、化學、物理學等學科內容融入材料合成與制備課程中,啟發學生將材料合成原理與生產實踐理念有機結合,適應以專業實踐為導向、重視應用能力的培養特點[1-3]。基于此,文章結合實際案例“VOCs氣體傳感器敏感材料設計與開發策略”,對如何培養適用于社會需求的應用型研究生進行探索。

1 案例教學的選取

傳感器是我國“強基工程”的核心關鍵部件之一,其應用領域屬于《十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》的戰略新興產業鏈之一,是推動經濟社會發展的重要引擎。然而,由于氣體傳感器制備工藝和材料自身的不穩定性,以及各個行業對敏感分子檢測的更高要求,導致目前氣體敏感薄膜兼容制造技術及產業化平臺技術中存在選擇性差、穩定性不佳和一致性低等關鍵共性問題,以上問題嚴重制約了氣體傳感器的應用。氣體傳感器敏感薄膜的制備是一個極為復雜的工程問題,關鍵影響因素有:敏感薄膜關鍵材料的微納結構設計與合成、傳感器組裝的工藝設計及封裝測試等關鍵技術。

鄭州輕工業大學材料與化學工程學院與漢威科技集團股份有限公司合作共建“智能氣體傳感器工程技術中心”研發平臺,具有傳感器敏感膜材料合成、加工和器件組裝的全鏈條研發能力。結合授課教師的研究方向以及與企業合作的研發平臺,在講解材料合成與制備課程中,引入“VOCs氣體傳感器敏感材料設計與開發策略”案例教學,從如何將經典材料的合成理論與氣體傳感器敏感材料的前沿設計技術有機結合出發,探究高性能VOCs氣體傳感器敏感材料設計策略,指導穩定性和一致性高的敏感材料研發。在課堂傳授材料合成理論知識的基礎上,啟發學生將材料合成原理與生產實踐理念有機結合,提高學生應用材料合成理論知識綜合分析工程問題的能力。本案例教學的選取依托以上優勢,為應用型人才的高質量培養提供參考和思路。

2 學生選取與分配方案

案例教學涉及到實驗室實操和企業實地觀摩,是對材料合成與制備課程教學模式的初步探索,學生不易選取太多。此次案例教學選取對象為鄭州輕工業大學材料與化學工程學院2019級研究生,材料化工專業學生共15人,采用小班授課。將學生隨機劃分為5個小組,每組3人,推選出一位組長,負責本組的集體活動。

3 案例教學的實施

3.1 課堂教學

通過具體的案例教學分析,將基礎課程與國家的發展,面臨的困難,實際的需求,前沿的研究相互結合,引導學生從材料的基礎理論知識出發,思考問題的由來,以及理論在實際中的應用是如何體現的。同時激發學生的主觀能動性,調動學生的學習興趣,潛移默化地提高學生運用理論知識分析并解決實際工程問題的能力,使學生分析解決問題的能力螺旋式上升,培養學生的創新精神和實踐能力,促進理論教學與專業實踐的有機結合。

“VOCs氣體傳感器敏感材料設計與開發策略”案例教學的建設,從材料設計、工藝優化、性能評價和生產實踐四個維度出發,根據氣體傳感器的生產實踐,結合理論教學內容,以材料合成方法的基礎理論指導高性能VOCs氣體傳感器的設計與開發。促使學生運用自己所學的知識,通過深入細致地分析,解決實際工作中的問題,做到“做中學,學中做,教學做一體化”。“VOCs氣體傳感器敏感材料設計與開發策略”案例教學的內容框架見圖1。

圖1 “VOCs氣體傳感器敏感材料設計與開發策略”案例教學的內容框架

教師在授課過程中,將結合圖1的案例教學內容框架,以氣體傳感器市場需求為牽引,基于教學目標、生產實踐、學生對課程的期待和教學內容進行教學計劃設計。采用線上線下相結合的教學模式,線上為學生提供豐富立體、形象生動的課程資源,如視頻、PPT、練習題、章節測試題、考試、討論等形式。實現測驗結果與知識點精準對接,有針對性地進行學習和訓練;同時進行線下翻轉課堂、專題討論、學生講授等多種教學方式方法,將企業所面臨的實際困難與基礎理論知識相融合。提出企業需求,引導學生結合所學的材料合成與制備基礎知識,廣泛調研國內外重要前沿文獻,設計相關材料的具體合成步驟,針對教學案例分組討論和互評,最終結合實驗室的科研條件,找出最合適的合成方案,從而增強學生的學習信心,提高分析問題和解決問題的能力。

3.2 車間實踐

帶領學生進行生產車間的實地觀摩,初步完成實踐過程中敏感膜的流水線制備和器件生產。與企業保持產學研合作,簽訂《VOCs和甲烷氣體傳感器敏感膜材料開發》技術開發戰略合作協議。本案例教學以此為依托,委托企業高級工程師帶領學生深入“三防”車間(防霉菌、防潮濕、防鹽霧)實地觀摩,利用合成的材料在流水線進行小批量敏感膜生產,制作了對乙醇和三乙胺氣體敏感的氣敏元件和傳感器,并送至具有檢測資質的公司對學生完成的產品進行檢測,部分器件的檢測結果符合國標要求。該案例部分嚴格按照材料生產、器件制作和場景應用的全套實踐進行,這種教學模式極具吸引力,一方面極大地提高了學生的學習興趣,另一方面促使學生快速適應企業,實現學生的高質量培養。

3.3 能力培養目標

該案例教學將當前VOCs氣體傳感器敏感材料的發展需求,傳感器企業面臨的卡脖子技術難題與材料合成與制備基礎理論教學內容相互融合,以培養加深學生對于材料合成基礎理論的理解為目的,培養學生的大國工匠精神,鼓勵學生主動參與教學活動并提出自己的觀點,培養學生的創新意識和能力。從而提高學生應用材料合成理論知識對目標案例的具體生產工藝進行分析、計算和優化的能力,提高學生應用材料合成理論知識綜合分析工程問題的能力,提高學生解決實際問題的創新思維,強化學生解決實際工程問題的工程理念,培養學生的工程意識。

3.4 建立過程性評價機制

在教學計劃執行中,采集學生學習數據,按照規范的評估方法對學生材料合成、器件組裝、階段性測試等成果進行評估。基于評估結果,總結教學階段性經驗,改進教學計劃,教師在每一輪教學結束后總結授課經驗及學生學習特征,對以后的課程教學進行優化設計和改進,建立了案例教學與學習評估結合的持續改進評價機制,學生基本掌握了材料可控合成、敏感膜的制作及傳感器性能評價的整套流程。過程性評價機制流程:線下預習→課堂講授→確定方案→組間討論和互評→材料合成→器件組裝→性能測試→教師實施過程評價。

3.5 案例教學取得成效

通過對參與此次案例教學的學生進行跟蹤回訪,在多個領域取得了明顯成績,主要分為以下兩個方面:①入職單位。分別入職中石化公司石油工程技術研究院、寧德時代等國內知名企業,大部分畢業生目前已在公司研發、生產、質控等部門擔任重要職務。②畢業后攻讀博士學位情況。部分學生畢業后選擇繼續攻讀博士學位,錄取單位包括中國科學院、南京大學、北京師范大學、南京理工等國內知名高校。

案例教學在材料合成與制備課程中進行了初步嘗試。根據材料合成實踐性強的特點,結合任課教師的科研項目及企業的具體需求,后期也設計了一些其他的案例教學內容,如“氧化鋅基敏感膜材料的構筑及其室溫乙醇傳感器的開發”“水熱法制備氧化錫基多元復合材料及其在室內甲醛氣體的實時監控”等。

3.6 總結

建立“理論學習-實驗探索-企業實踐”一體化人才培養模式。在案例教學中給定具體應用對象和指標,充分調動學生的自主學習能力,利用材料合成相關理論和查閱相關文獻,制定材料設計和合成的方案,進行相關方案的具體實施,在實驗室完成器件的組裝和性能測試,并積極與企業對接進行實踐和應用,探索新型培養模式。

加強工程實踐能力以及技術創新能力的培養,堅持OBE導向建設理念[4]。通過邀請企業負責研發或生產的工程師與學生進行交流,使學生深入了解目前行業關鍵瓶頸問題和行業發展動向,并帶學生深入生產現場觀摩、討論和實踐,促進理論與生產相結合。該案例的成功建設,將提供一種以需求牽引為導向,以強化學生解決實際工程問題為目標的高質量示范教學案例,并推廣至其他類似課程的高質量講授。

4 結語

材料合成與制備是材料化工類專業的一門重要的專業課,課程內容豐富且復雜,與多學科交叉融合,實踐性非常強,案例教學模式的探索,與企業需求接軌,滿足培養高校轉型高素質創新創業應用型人才的要求,需要不斷地探索,改革和創新,提高學生的求知欲望和學習興趣,從而使本課程的講授取得理想的教學效果,為培養出復合型、應用型人才奠定理論實踐基礎。