李峻峰,邱克輝,林金輝,管登高

(成都理工大學 材料與化學化工學院,成都 610059)

材料科學與工程專業(yè)綜合實驗教學的實踐與思考

李峻峰,邱克輝,林金輝,管登高

(成都理工大學 材料與化學化工學院,成都 610059)

綜合實驗是材料科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要組成部分。近年來成都理工大學材料科學與工程專業(yè)在綜合實驗教學中,采取優(yōu)化綜合實驗內容,改進團隊指導模式,充分利用現有實驗資源,形成綜合實驗體系管理及優(yōu)化考核措施等方法,取得了良好效果。未來還可在上述諸方面繼續(xù)改進。

材料科學與工程;綜合實驗;教學改革

一、引言

當代材料科學與工程專業(yè)人才在具備材料的制備與加工、組成與結構、性能與應用等多方面的知識的同時,還應該具備實踐與創(chuàng)新的綜合素質[1]148-149。在材料科學與工程人才培養(yǎng)中,實驗教學是專業(yè)培養(yǎng)計劃的重要組成部分,是為學生構建合理知識結構、培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)造性思維的重要教學環(huán)節(jié)[2]54-56。

根據材料科學與工程實驗教學的基本要求,材料科學與工程實驗教學應以能力培養(yǎng)為核心,以圍繞促進學生掌握理論知識、提高實驗動手能力、增強學生創(chuàng)新意識和完善個人素質的協調發(fā)展為中心目標,開展實驗教學和內容改革[3]30-32。實驗教學改革要求在內容上突出和完善實驗教學與理論教學的有機結合,強調實驗教學內容與科學研究相結合,不斷改進實驗教學內容與方法。

作為四川省高校特色專業(yè),我們積極探索材料科學與工程專業(yè)教學體系中的實驗教學改革。近年來結合應用研究型人才培養(yǎng)目標和市場需求,我們設計實施了成都理工大學材料科學與工程專業(yè)綜合實驗教學,取得了較好的效果。

二、綜合實驗在實驗教學體系中的地位

為了培養(yǎng)具有堅實材料科學與工程基礎、掌握材料現代研究方法,并具備能夠從事多種材料合成制備、性能與結構分析研究、新材料開發(fā)及應用的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的材料科學與工程專業(yè)人才[4]54,57,以“深化課程基礎實驗教學、加強綜合實驗能力訓練、注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”為宗旨,根據材料科學與工程專業(yè)培養(yǎng)目標要求,我校材料科學與工程專業(yè)構建了“大材料”學科共同的知識和技能平臺實驗教學體系,即專業(yè)基礎實驗-專業(yè)綜合實驗-研究與創(chuàng)新實驗三層次的實驗教學體系,[2]54-56如圖1所示。

第一,以專業(yè)基礎理論課程學習為前提,專業(yè)基礎實驗是對學生進行材料的組成、結構、合成與制備、材料測試與評價的基本方法的訓練;第二,綜合實驗是在學生掌握一定專業(yè)基礎知識和基本實驗技能的基礎上,對他們進行合成制備工藝的初步設計、工藝與性能關系、結構與性能關系的綜合訓練;第三,研究與創(chuàng)新實驗是在學生掌握一定專業(yè)綜合知識和綜合實驗技能的基礎上,對他們進行材料體系、結構、工藝的設計與優(yōu)化以及材料應用等方面的研究與創(chuàng)新性訓練。

圖1 材料科學與工程實驗教學體系

在這個三層次實驗教學體系中,專業(yè)綜合實驗處于承上啟下的一個重要地位,其作用體現在以下幾個方面:

1.實現對專業(yè)理論知識的綜合性鞏固和提高

在材料的合成制備工藝初步設計中,充分體現了對多種合成制備工藝的認知鞏固和強化,并將工藝與性能關系、結構與性能關系等材料科學與工程中的幾大要素充分結合,將理論知識與實驗技能有機地結合起來,培養(yǎng)學生綜合運用所學知識發(fā)現問題、分析問題、解決問題的能力,以實現對專業(yè)基礎和專業(yè)理論知識的綜合性鞏固提高訓練。

2.實現對基礎實驗技能的綜合訓練

在專業(yè)基礎實驗中,對材料結構、材料合成與制備、材料測試與評價的基本方法都是獨立分模塊完成的,而這些材料的基本研究方法和技能可以在綜合實驗中得到系統性的綜合訓練與培養(yǎng)。

3.為研究創(chuàng)新性實驗技能打下良好基礎

進行了系統的材料綜合實驗培養(yǎng)之后,學生在材料研究方面的綜合思維和實驗技能已得到較好鍛煉,為學生進一步的自主設計研究創(chuàng)新實驗創(chuàng)造了必要條件。

三、綜合實驗教學實踐

近年來,隨著我國高等教育規(guī)模不斷擴大,質量意識、教學管理、經費投入、實驗條件、本科學生和指導教師等教學要素[5]163-166與提高材料類綜合實驗教學質量之間形成了矛盾。與此同時,隨著各級組織對高等教育實驗教學環(huán)節(jié)的加強以及本科教學質量與教學改革工程的實施,綜合實驗教學環(huán)節(jié)正在得到進一步重視和加強,影響提高綜合實驗教學質量的矛盾正在得到逐步解決。

本專業(yè)目前安排綜合實驗教學實踐環(huán)節(jié)時間為兩周,要求學生根據教師下達的實驗題目,在相近材料體系中選擇兩種材料,或一種材料選擇兩種合成制備方法,設計出較為合理的合成制備與測試方案,利用材料制備實驗室進行材料合成制備,利用材料成分測試實驗室、材料組織結構分析實驗室、材料物理性能表征實驗室對所制備的材料成品的成分、組織結構、各種物理性能進行分析測試,并對兩種材料或兩種合成方法的實驗結果進行綜合對比分析,取得了較好的教學效果。以下對近年來本專業(yè)綜合實驗教學過程中發(fā)現的問題與實踐經驗進行了初步總結。

1.優(yōu)化綜合實驗內容

過去傳統的實驗教學比較依賴于理論課程,大多數實驗內容以驗證型為主,這既不利于充分調動學生主觀能動性,也不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性,教學效果不理想。

在綜合實驗的內容設計上,我們近年來尤其重視引入前沿內容,采用的方式是提出不同使用性能要求的材料如發(fā)光粉體(如鋁酸鹽發(fā)光粉體、釩酸鹽發(fā)光粉體)、光催化降解納米粉體(如納米 TiO2、納米CeO2)、電子陶瓷(如 BaTiO3陶瓷、SrTiO3陶瓷)、生物陶瓷(如羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣陶瓷)等新材料體系與材料前沿研究相結合。在此基礎上,實驗內容充分體現綜合性與系統性,要求學生選擇兩種體系相近的材料(如鋁酸鹽發(fā)光粉體和釩酸鹽發(fā)光粉體),或者一種材料選擇兩種合成制備方法(如鋁酸鹽發(fā)光粉體的固相合成和燃燒合成),在查閱文獻資料的基礎上,設計合理的實驗方案,擬定原料配比、合成制備工藝方法與工藝條件,并合成制備目標材料,進一步對合成制備的不同材料或不同方法得到的材料進行測試分析和性能評價,并進行綜合對比分析。通過對綜合實驗內容的優(yōu)化,使學生一方面得到了理論運用與實驗技能的綜合培養(yǎng),另一方面也為今后的研究與創(chuàng)新性實驗打下堅實基礎,取得了較好的教學效果。

2.改進團隊指導模式

材料綜合實驗的綜合性強、涉及內容范圍廣且實驗內容具有相當的靈活性,因此對指導教師的要求較高,需要指導教師具有強烈的質量意識、高度的責任心、較高的學術與技術水平、豐富的教學經驗與方法等基本素質[6]88-91。但是在高等教育規(guī)模不斷擴大的背景下,隨著學生數量的快速增長,優(yōu)秀指導教師資源相對不足是當前許多高校都面臨的一個問題。

我們在多年的綜合實驗指導過程中,構建了綜合實驗指導團隊,其模式如下:團隊由一名負責教師和多名指導教師組成,由教學科研經驗豐富的教師擔任負責教師,負責對指導教師進行業(yè)務指導與協調;團隊教師可根據不同的學科專長與特點,由擅長合成制備、測試分析等的多名教師組成,對所負責的學生或實驗環(huán)節(jié)進行具體的實驗指導。該綜合實驗團隊指導模式可充分發(fā)揮優(yōu)秀指導教師的作用,可將不同專長與特點的教師進行有效組織,形成良好的指導團隊,優(yōu)質高效的實現綜合實驗教學。該綜合實驗團隊指導模式還可對青年教師的成長起到良好的“傳、幫、帶”作用,有利于青年教師的培養(yǎng)。

3.充分利用現有實驗資源

材料綜合實驗的綜合性、系統性與靈活性對實驗資源提出了較高要求,而在高等教育規(guī)模不斷擴大的背景下,實驗空間、實驗儀器設備等實驗資源相對匱乏是目前很多高校面對的又一問題。

在綜合實驗實踐中,我們首先介紹本專業(yè)的材料制備綜合實驗室、粉體制備實驗室、高溫實驗室、顯微結構實驗室、材料力學性能實驗室、材料物理性能實驗室、SEM實驗室、DSC-TG實驗室、FTIR實驗室、XRD實驗室等實驗室的基本條件與儀器設備情況,并要求學生在實驗室條件基礎上制定合理可行的實驗方案,在此基礎上盡可能開放實驗空間,對大型儀器實行預約制度,以實現有限實驗資源的利用最大化。

4.形成綜合實驗體系管理

材料綜合實驗內容涉及范圍廣,學生在實驗內容安排中的靈活性強,使得綜合實驗運行時對實驗藥品、儀器設備、實驗空間等的管理方面較為困難。

教學實踐中,一方面我們將本專業(yè)實驗室分為合成制備、一般性能測試和大型精密儀器三大類,每一類實驗室均配備團隊教師進行實驗室設備、實驗室人員、大型實驗設備預約等方面的協調組織與管理。另一方面根據學生所選實驗內容分組,由具有一定組織能力和責任心的同學擔任組長負責對組內同學的實驗安排進行協調,每組均有團隊教師全程指導。這樣就形成了以實驗室協調和實驗課程組織兩方面為主要內容的綜合實驗體系管理,保證了綜合實驗的順利運行并取得了良好教學效果。

5.豐富考核方式

綜合實驗的教學實踐中,我們發(fā)現由于學生的實驗內容和實驗方案有很大的獨立性和靈活性,使得實驗考核較為困難。

因此在綜合實驗考核中,近年來我們主張的基本原則是重過程而不重結果。在成績構成中,出勤情況和實驗態(tài)度、實驗操作動手能力、實驗方案設計、實驗報告等均在總成績中有所體現,這樣可以比較全面的反應出學生的綜合實驗能力。

四、進一步提高綜合實驗教學質量的思考

根據近年來我們在綜合實驗教學實踐中發(fā)現的問題和教學實踐經驗總結,對進一步提高綜合實驗教學質量提出以下認識和思考。

根據綜合實驗的課程目的和特點,綜合實驗教學應不僅要為理論課程服務,同時也要培養(yǎng)學生系統研究和實踐創(chuàng)新能力,是學生學會用材料工程觀念分析與思考問題的重要手段。因此今后仍然需要嘗試采用其它方式不斷優(yōu)化綜合實驗內容,使綜合實驗的內容充分體現綜合性、系統性與前沿性。

綜合實驗的團隊指導模式可較好地解決優(yōu)秀指導教師資源相對較少的基本矛盾,充分利用有限的優(yōu)秀教師資源,并能幫助青年教師快速成長,是一種較好的指導模式,可在今后教學實踐中進一步發(fā)展與完善這一指導模式。

在實驗資源利用上,除盡量采用實驗空間開放、實驗儀器預約等方式外,還可在合理可行的條件下探索綜合實驗時間上不再集中安排而相對分散等方式,同時結合綜合實驗體系建設,進一步加強和完善對實驗室的協調管理和對實驗課程組織方式的管理,以盡可能充分利用有限實驗資源,進一步提高綜合實驗教學質量。

綜合實驗教學的考核方法沒有固定的模式,形式采用可以是多種多樣的,比如隨機提問考核、書面考核、現場操作考核等,方法不一。只要是以專業(yè)理論知識的綜合性和實驗技能的綜合性為考核目標,能夠客觀、全面的反映學生的綜合實驗能力,多種考核方式均可在今后的綜合實驗考核中嘗試采用。

五、結語

教學改革是一項系統工程,除了教學體系、教學內容、教學方法的改革與探討外,還必須更新教育觀念,強調教學效果。材料科學與工程專業(yè)的綜合實驗以其綜合性、系統性的基本特點和承上啟下的重要地位,更成為材料教學改革中一個值得深入研究的課題。今后成都理工大學材料材料科學與工程系也將不斷地關注全國其它院校材料學科綜合實驗課程改革的發(fā)展動向,為提高學生的綜合實驗技能而不斷努力。

[1]何剛.加強材料類專業(yè)學生工程素質培養(yǎng)的思考[J].機械管理開發(fā),2008,23(005):148-149.

[2]林金輝,汪靈,邱克輝,等.材料科學與工程專業(yè)的課程體系和實驗教學體系建設[J].高等教育研究(成都)2007,23(2):54-56.

[3]李小雷,曹新鑫,何小芳,等.材料科學與工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究[J].化工高等教育2009,26(4):30-32.

[4]饒麗,屈金山,魏成富,等.材料科學與工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究[J].高等教育研究(成都)2008,25(4):54,57.

[5]汪靈,林金輝.影響理工科大學生畢業(yè)設計論文質量的基本要素與主要矛盾分析[J].中國地質教育2009(1):163-166.

[6]汪靈,林金輝,龍劍平.理工科大學畢業(yè)設計(論文)團隊指導法研究與實踐[J].成都理工大學學報:社會科學版2008,16(4):88-91.

Abstract:Comprehensive experimental is an important part of major talent cultivation for materials science and engineering.In the comprehensive experimental teaching of materials science and engineering in Chengdu University of Technology recent years,the measures about optimizing experimental content,improving team-based guidance mode,adequately using existing resource to form management system and majorizing evaluation mode were put into practice,and favorable teaching effects were achieved.The above-mentioned measures should be further improved in future.

Key words:materials science and engineering;comprehensive experimental;teaching reform

(責任編輯:韓冬苗)

Practice and Consideration about Comprehensive Experimental Teaching for Materials Science and Engineering

LI Jun-feng,Qiu Ke-hui,LIN Jin-hui,GUAN Deng-gao
(College of Material and Chemistry&Chemical Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

G642.423

A

1672-0539(2010)02-078-04

2010-02-24

四川省本科高校特色專業(yè)建設項目(2008-422);成都理工大學教改項目“基于地學特色的材料與化學化工類本科人才培養(yǎng)模式研究與實踐”

李峻峰(1976-),男,四川會理人,博士,講師。研究方向為:材料與化工化學。