專業(yè)學(xué)位研究生材料高壓制備技術(shù)教材建設(shè)與實(shí)踐

李尚升 , 李曉曉 , 胡美華 , 胡 強(qiáng) , 曹新鑫 , 王東斌

(1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 河南 焦作 454003 ; 2.河南理工大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院 , 河南 焦作 454003)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層次應(yīng)用型技術(shù)人才的需求漸增。我國(guó)全日制碩士研究生教育正在從主要培養(yǎng)學(xué)術(shù)型人才轉(zhuǎn)向更多地培養(yǎng)應(yīng)用型人才。即專業(yè)學(xué)位碩士研究生在整體研究生中的占比從2009年的15.9%逐漸增加到2017年的55.68%,2020年更是達(dá)到60.83%[1-3]。教育部2020 年發(fā)布《專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展方案(2020—2025)》強(qiáng)調(diào)了專業(yè)學(xué)位研究生教育的發(fā)展目標(biāo),即到2025年,以國(guó)家重大戰(zhàn)略、關(guān)鍵領(lǐng)域和社會(huì)重大需求為重點(diǎn),增加一系列碩士和博士專業(yè)學(xué)位類別,使碩士專業(yè)學(xué)位研究生招生規(guī)模擴(kuò)大到碩士研究生招生總規(guī)模的2/3左右,專業(yè)學(xué)位研究生無(wú)疑將成為碩士層次研究生教育的主流[1-5]。

經(jīng)歷了超過(guò)10年的全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生的教育改革和進(jìn)步,專業(yè)學(xué)位研究生的教育品質(zhì)確實(shí)得到了顯著的提升;然而,這種培養(yǎng)方式仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化和提升。五大核心元素構(gòu)成了專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)方式,分別是:培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)組織、培養(yǎng)資源、培養(yǎng)過(guò)程、培養(yǎng)評(píng)價(jià)[2]。這些要素既彼此獨(dú)立又相互影響,改進(jìn)、協(xié)調(diào)并優(yōu)化這些要素,提高專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)質(zhì)量是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其中課程資源中的教材建設(shè)較為薄弱,即專業(yè)學(xué)位研究生使用的教材常將學(xué)術(shù)型研究生教材內(nèi)容簡(jiǎn)化教學(xué)而已,這直接影響了專業(yè)學(xué)位研究生偏重應(yīng)用技術(shù)的培養(yǎng)質(zhì)量。為此,本文重點(diǎn)關(guān)注的是專業(yè)學(xué)位研究生課程資源中的教材建設(shè)。

在我校材料與化工專業(yè)學(xué)位碩士研究生的課程中,材料高壓制備技術(shù)是一門至關(guān)重要的專業(yè)課程。這門課程是在材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生超硬材料課程的基礎(chǔ)上,對(duì)研究生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)課,旨在拓寬課程內(nèi)容的范圍。主要目標(biāo)是讓學(xué)生掌握多種材料的高壓制備技術(shù),借助高壓技術(shù)提高材料的性能。在專業(yè)學(xué)位研究生課程材料高壓制備技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中,對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多項(xiàng)教學(xué)改革。即在案例庫(kù)建設(shè)及專業(yè)實(shí)踐示范基地建設(shè)的基礎(chǔ)上,將思政元素﹑實(shí)踐案例﹑科技成果﹑科技前沿引入課程教學(xué),這大大提高了教學(xué)效果。再加上本門課程沒(méi)有現(xiàn)成的教材可使用,因此,專業(yè)學(xué)位研究生課程材料高壓制備技術(shù)的教材建設(shè)是迫切需要的[6-7]。

1 建設(shè)背景

1.1 學(xué)科背景

材料學(xué)科的四個(gè)基本要素是組成與結(jié)構(gòu)、合成與制備過(guò)程、性質(zhì)、使用效能,其中組成是由所選取的原料決定的,結(jié)構(gòu)與原料有關(guān)更取決于合成與制備過(guò)程,原料經(jīng)過(guò)加工成為具有一定結(jié)構(gòu)的材料,因而體現(xiàn)特定的性質(zhì),進(jìn)而具備一定的使用效能。其中材料學(xué)科四要素中合成與制備最為關(guān)鍵,直接決定著材料的性質(zhì)和應(yīng)用,是材料學(xué)科最關(guān)注的環(huán)節(jié)。

材料的制備大多需要高溫條件,某些材料還需要壓力條件,譬如陶瓷的熱壓燒結(jié)、水晶的水熱合成;這些合成的壓力都是在數(shù)百M(fèi)Pa量級(jí),其壓力與金剛石晶體的高溫高壓合成所需的5.5 GPa的壓力相差較大,二者不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。顯然,在一定溫度條件下增加壓力大大增加了材料制備難度,同時(shí),壓力條件也為材料制備起到了關(guān)鍵作用。

長(zhǎng)期以來(lái),以金剛石和立方氮化硼為代表的超硬材料常用模擬天然金剛石形成的地質(zhì)條件——高溫高壓合成方法來(lái)制備。隨著材料學(xué)科的發(fā)展,需要提高材料性能或開(kāi)發(fā)材料的新性能,人們采用高壓制備技術(shù)。材料的高壓制備有效地提高了材料原有的性能,開(kāi)發(fā)出新的性能使使用范圍逐漸擴(kuò)大,高壓制備技術(shù)正成為不可或缺的材料制備手段。為此,2015年河南理工大學(xué)材料學(xué)院開(kāi)始在研究生培養(yǎng)方案中開(kāi)設(shè)了這門專業(yè)課。

1.2 教材背景

國(guó)內(nèi)材料高壓制備技術(shù)方面的專著大多集中在超硬材料(金剛石和立方氮化硼)方面,其中僅有少部分教材涉及。目前,沒(méi)有找到針對(duì)超硬材料之外的、包括廣泛的材料高壓制備技術(shù)方面的教材。雖然有較多材料工藝制備方面的教材也包括了高壓制備方面的內(nèi)容,如:1997年張克從主編的《晶體生長(zhǎng)科學(xué)與技術(shù)》和2018年朱繼平編著的《材料合成與制備技術(shù)》等,這些教材其中部分章節(jié)介紹材料的高壓制備技術(shù),其中的材料也多是金剛石方面的,其他材料的高壓制備內(nèi)容僅發(fā)表在相關(guān)期刊雜志上,統(tǒng)一納入教材內(nèi)容的尚未得見(jiàn)。因此,材料高壓制備技術(shù)教材的建設(shè)勢(shì)在必行。

2 建設(shè)支撐

既然材料高壓制備技術(shù)教材的建設(shè)勢(shì)在必行,那么這門課程教材的建設(shè)離不開(kāi)支撐條件。課程從2015年開(kāi)設(shè)以來(lái)逐漸形成了穩(wěn)定的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。將課程思政引入課堂,也將所從事科研項(xiàng)目及教改項(xiàng)目所獲得的科研成果及所申請(qǐng)的專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)基地等平臺(tái)都為本教材建設(shè)提供了良好的支撐。

2.1 課程團(tuán)隊(duì)及科研成果

課程團(tuán)隊(duì)的5位骨干成員均具有博士學(xué)位,其中從事金剛石及其制品高壓合成的有2位,從事高壓合成其他功能材料的3位,團(tuán)隊(duì)中有2位年長(zhǎng)教師具有5年以上企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)。

本課程的教學(xué)團(tuán)隊(duì)在過(guò)去五年里成功地獲得了1項(xiàng)由國(guó)家自然基金資助的項(xiàng)目,同時(shí)也獲得了3項(xiàng)河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目和4項(xiàng)企業(yè)委托項(xiàng)目的支持,還發(fā)表了30多篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文、獲得授權(quán)發(fā)明專利12項(xiàng),其中發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓4項(xiàng)。以這些成果為基礎(chǔ)申報(bào)獲批省政府三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。這些科研成果為材料高壓制備技術(shù)教材的建設(shè)提供了有力支撐。

2.2 基地平臺(tái)

2016年,河南理工大學(xué)材料工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生專業(yè)實(shí)踐示范基地是由材料學(xué)院與超硬材料高壓合成企業(yè)共同創(chuàng)建的[8]。從合作伙伴企業(yè)中挑選了具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)和出色實(shí)踐能力的高級(jí)企業(yè)技術(shù)人才,納入課程團(tuán)隊(duì),使得本門課程的教學(xué)力量得到了加強(qiáng)。

2017年經(jīng)由材料科學(xué)與工程學(xué)院高壓合成實(shí)驗(yàn)室的正式申請(qǐng),成功地獲得了“焦作市功能材料高壓制備工程技術(shù)研究中心”平臺(tái)建設(shè)的正式批準(zhǔn)。這為材料高壓制備技術(shù)教材的建設(shè)提供更優(yōu)越的條件打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 案例庫(kù)

2018年,申請(qǐng)的河南理工大學(xué)材料高壓制備技術(shù)研究生課程案例庫(kù)獲批立項(xiàng)建設(shè)。2020年結(jié)項(xiàng)時(shí)建設(shè)了20個(gè)教學(xué)案例,同時(shí)將其引入課堂獲得了較好的教學(xué)效果[7]。這些案例加深了研究生對(duì)材料高壓制備原理的理解,提高了學(xué)生解決技術(shù)問(wèn)題的能力,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這些案例進(jìn)入材料高壓制備技術(shù)教材必將為教材建設(shè)增光添彩。

3 建設(shè)特色

3.1 實(shí)踐案例

本教材案例可從本課程的案例庫(kù)中選擇。課程團(tuán)隊(duì)的成員根據(jù)各自的研究領(lǐng)域,提供了案例材料以供進(jìn)一步的討論。在選擇案例材料時(shí)要按以下原則進(jìn)行:①結(jié)合針對(duì)性與廣泛性。在選擇案例材料時(shí),既要考慮課程研究的獨(dú)特性,同時(shí)也不能忽視課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)。②結(jié)合典型性與新穎性。所選案例不僅要關(guān)注課程中過(guò)去的經(jīng)典研究成果,還需考慮近年來(lái)的最新研究成果。③結(jié)合穩(wěn)定性與持續(xù)性。教材中的案例應(yīng)當(dāng)保持相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)也要考慮到更新的需求[7-11]。

根據(jù)上述原則,對(duì)案例庫(kù)中資源進(jìn)行廣泛研究和深入討論,以確定在教材中使用的案例。這些案例需要通過(guò)教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn),并根據(jù)學(xué)生反饋的意見(jiàn)不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善。所選15個(gè)案例見(jiàn)表1。

表1 材料高壓制備技術(shù)教材所選案例

這些案例既注重典型性、又兼顧廣泛性,滿足了這門課程的案例教學(xué),獲得了好評(píng),取得了較好的教學(xué)效果。

3.2 前沿技術(shù)

將超硬材料、熱電材料、功能陶瓷、復(fù)合材料、磁性材料、超導(dǎo)材料中高壓制備的前沿技術(shù)納入到材料高壓制備技術(shù)教材中,讓學(xué)生接受新的技術(shù)培養(yǎng)創(chuàng)新能力的同時(shí)激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料高壓制備技術(shù)教材建設(shè)可以填補(bǔ)專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)課程資源的不足,提升高水平應(yīng)用型技術(shù)人才的素質(zhì),為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供人才保障。期望材料高壓制備技術(shù)教材建設(shè)為專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)質(zhì)量提高貢獻(xiàn)力量。