材料科学与工程专业综合实验教学的实践与思考

李峻峰,邱克辉,林金辉,管登高

(成都理工大学 材料与化学化工学院,成都 610059)

材料科学与工程专业综合实验教学的实践与思考

李峻峰,邱克辉,林金辉,管登高

(成都理工大学 材料与化学化工学院,成都 610059)

综合实验是材料科学与工程专业人才培养中的重要组成部分。近年来成都理工大学材料科学与工程专业在综合实验教学中,采取优化综合实验内容,改进团队指导模式,充分利用现有实验资源,形成综合实验体系管理及优化考核措施等方法,取得了良好效果。未来还可在上述诸方面继续改进。

材料科学与工程;综合实验;教学改革

一、引言

当代材料科学与工程专业人才在具备材料的制备与加工、组成与结构、性能与应用等多方面的知识的同时,还应该具备实践与创新的综合素质[1]148-149。在材料科学与工程人才培养中,实验教学是专业培养计划的重要组成部分,是为学生构建合理知识结构、培养动手能力和创造性思维的重要教学环节[2]54-56。

根据材料科学与工程实验教学的基本要求,材料科学与工程实验教学应以能力培养为核心,以围绕促进学生掌握理论知识、提高实验动手能力、增强学生创新意识和完善个人素质的协调发展为中心目标,开展实验教学和内容改革[3]30-32。实验教学改革要求在内容上突出和完善实验教学与理论教学的有机结合,强调实验教学内容与科学研究相结合,不断改进实验教学内容与方法。

作为四川省高校特色专业,我们积极探索材料科学与工程专业教学体系中的实验教学改革。近年来结合应用研究型人才培养目标和市场需求,我们设计实施了成都理工大学材料科学与工程专业综合实验教学,取得了较好的效果。

二、综合实验在实验教学体系中的地位

为了培养具有坚实材料科学与工程基础、掌握材料现代研究方法,并具备能够从事多种材料合成制备、性能与结构分析研究、新材料开发及应用的“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的材料科学与工程专业人才[4]54,57,以“深化课程基础实验教学、加强综合实验能力训练、注重创新意识和创新能力培养”为宗旨,根据材料科学与工程专业培养目标要求,我校材料科学与工程专业构建了“大材料”学科共同的知识和技能平台实验教学体系,即专业基础实验-专业综合实验-研究与创新实验三层次的实验教学体系,[2]54-56如图1所示。

第一,以专业基础理论课程学习为前提,专业基础实验是对学生进行材料的组成、结构、合成与制备、材料测试与评价的基本方法的训练;第二,综合实验是在学生掌握一定专业基础知识和基本实验技能的基础上,对他们进行合成制备工艺的初步设计、工艺与性能关系、结构与性能关系的综合训练;第三,研究与创新实验是在学生掌握一定专业综合知识和综合实验技能的基础上,对他们进行材料体系、结构、工艺的设计与优化以及材料应用等方面的研究与创新性训练。

图1 材料科学与工程实验教学体系

在这个三层次实验教学体系中,专业综合实验处于承上启下的一个重要地位,其作用体现在以下几个方面:

1.实现对专业理论知识的综合性巩固和提高

在材料的合成制备工艺初步设计中,充分体现了对多种合成制备工艺的认知巩固和强化,并将工艺与性能关系、结构与性能关系等材料科学与工程中的几大要素充分结合,将理论知识与实验技能有机地结合起来,培养学生综合运用所学知识发现问题、分析问题、解决问题的能力,以实现对专业基础和专业理论知识的综合性巩固提高训练。

2.实现对基础实验技能的综合训练

在专业基础实验中,对材料结构、材料合成与制备、材料测试与评价的基本方法都是独立分模块完成的,而这些材料的基本研究方法和技能可以在综合实验中得到系统性的综合训练与培养。

3.为研究创新性实验技能打下良好基础

进行了系统的材料综合实验培养之后,学生在材料研究方面的综合思维和实验技能已得到较好锻炼,为学生进一步的自主设计研究创新实验创造了必要条件。

三、综合实验教学实践

近年来,随着我国高等教育规模不断扩大,质量意识、教学管理、经费投入、实验条件、本科学生和指导教师等教学要素[5]163-166与提高材料类综合实验教学质量之间形成了矛盾。与此同时,随着各级组织对高等教育实验教学环节的加强以及本科教学质量与教学改革工程的实施,综合实验教学环节正在得到进一步重视和加强,影响提高综合实验教学质量的矛盾正在得到逐步解决。

本专业目前安排综合实验教学实践环节时间为两周,要求学生根据教师下达的实验题目,在相近材料体系中选择两种材料,或一种材料选择两种合成制备方法,设计出较为合理的合成制备与测试方案,利用材料制备实验室进行材料合成制备,利用材料成分测试实验室、材料组织结构分析实验室、材料物理性能表征实验室对所制备的材料成品的成分、组织结构、各种物理性能进行分析测试,并对两种材料或两种合成方法的实验结果进行综合对比分析,取得了较好的教学效果。以下对近年来本专业综合实验教学过程中发现的问题与实践经验进行了初步总结。

1.优化综合实验内容

过去传统的实验教学比较依赖于理论课程,大多数实验内容以验证型为主,这既不利于充分调动学生主观能动性,也不利于培养学生的创造性,教学效果不理想。

在综合实验的内容设计上,我们近年来尤其重视引入前沿内容,采用的方式是提出不同使用性能要求的材料如发光粉体(如铝酸盐发光粉体、钒酸盐发光粉体)、光催化降解纳米粉体(如纳米 TiO2、纳米CeO2)、电子陶瓷(如 BaTiO3陶瓷、SrTiO3陶瓷)、生物陶瓷(如羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷)等新材料体系与材料前沿研究相结合。在此基础上,实验内容充分体现综合性与系统性,要求学生选择两种体系相近的材料(如铝酸盐发光粉体和钒酸盐发光粉体),或者一种材料选择两种合成制备方法(如铝酸盐发光粉体的固相合成和燃烧合成),在查阅文献资料的基础上,设计合理的实验方案,拟定原料配比、合成制备工艺方法与工艺条件,并合成制备目标材料,进一步对合成制备的不同材料或不同方法得到的材料进行测试分析和性能评价,并进行综合对比分析。通过对综合实验内容的优化,使学生一方面得到了理论运用与实验技能的综合培养,另一方面也为今后的研究与创新性实验打下坚实基础,取得了较好的教学效果。

2.改进团队指导模式

材料综合实验的综合性强、涉及内容范围广且实验内容具有相当的灵活性,因此对指导教师的要求较高,需要指导教师具有强烈的质量意识、高度的责任心、较高的学术与技术水平、丰富的教学经验与方法等基本素质[6]88-91。但是在高等教育规模不断扩大的背景下,随着学生数量的快速增长,优秀指导教师资源相对不足是当前许多高校都面临的一个问题。

我们在多年的综合实验指导过程中,构建了综合实验指导团队,其模式如下:团队由一名负责教师和多名指导教师组成,由教学科研经验丰富的教师担任负责教师,负责对指导教师进行业务指导与协调;团队教师可根据不同的学科专长与特点,由擅长合成制备、测试分析等的多名教师组成,对所负责的学生或实验环节进行具体的实验指导。该综合实验团队指导模式可充分发挥优秀指导教师的作用,可将不同专长与特点的教师进行有效组织,形成良好的指导团队,优质高效的实现综合实验教学。该综合实验团队指导模式还可对青年教师的成长起到良好的“传、帮、带”作用,有利于青年教师的培养。

3.充分利用现有实验资源

材料综合实验的综合性、系统性与灵活性对实验资源提出了较高要求,而在高等教育规模不断扩大的背景下,实验空间、实验仪器设备等实验资源相对匮乏是目前很多高校面对的又一问题。

在综合实验实践中,我们首先介绍本专业的材料制备综合实验室、粉体制备实验室、高温实验室、显微结构实验室、材料力学性能实验室、材料物理性能实验室、SEM实验室、DSC-TG实验室、FTIR实验室、XRD实验室等实验室的基本条件与仪器设备情况,并要求学生在实验室条件基础上制定合理可行的实验方案,在此基础上尽可能开放实验空间,对大型仪器实行预约制度,以实现有限实验资源的利用最大化。

4.形成综合实验体系管理

材料综合实验内容涉及范围广,学生在实验内容安排中的灵活性强,使得综合实验运行时对实验药品、仪器设备、实验空间等的管理方面较为困难。

教学实践中,一方面我们将本专业实验室分为合成制备、一般性能测试和大型精密仪器三大类,每一类实验室均配备团队教师进行实验室设备、实验室人员、大型实验设备预约等方面的协调组织与管理。另一方面根据学生所选实验内容分组,由具有一定组织能力和责任心的同学担任组长负责对组内同学的实验安排进行协调,每组均有团队教师全程指导。这样就形成了以实验室协调和实验课程组织两方面为主要内容的综合实验体系管理,保证了综合实验的顺利运行并取得了良好教学效果。

5.丰富考核方式

综合实验的教学实践中,我们发现由于学生的实验内容和实验方案有很大的独立性和灵活性,使得实验考核较为困难。

因此在综合实验考核中,近年来我们主张的基本原则是重过程而不重结果。在成绩构成中,出勤情况和实验态度、实验操作动手能力、实验方案设计、实验报告等均在总成绩中有所体现,这样可以比较全面的反应出学生的综合实验能力。

四、进一步提高综合实验教学质量的思考

根据近年来我们在综合实验教学实践中发现的问题和教学实践经验总结,对进一步提高综合实验教学质量提出以下认识和思考。

根据综合实验的课程目的和特点,综合实验教学应不仅要为理论课程服务,同时也要培养学生系统研究和实践创新能力,是学生学会用材料工程观念分析与思考问题的重要手段。因此今后仍然需要尝试采用其它方式不断优化综合实验内容,使综合实验的内容充分体现综合性、系统性与前沿性。

综合实验的团队指导模式可较好地解决优秀指导教师资源相对较少的基本矛盾,充分利用有限的优秀教师资源,并能帮助青年教师快速成长,是一种较好的指导模式,可在今后教学实践中进一步发展与完善这一指导模式。

在实验资源利用上,除尽量采用实验空间开放、实验仪器预约等方式外,还可在合理可行的条件下探索综合实验时间上不再集中安排而相对分散等方式,同时结合综合实验体系建设,进一步加强和完善对实验室的协调管理和对实验课程组织方式的管理,以尽可能充分利用有限实验资源,进一步提高综合实验教学质量。

综合实验教学的考核方法没有固定的模式,形式采用可以是多种多样的,比如随机提问考核、书面考核、现场操作考核等,方法不一。只要是以专业理论知识的综合性和实验技能的综合性为考核目标,能够客观、全面的反映学生的综合实验能力,多种考核方式均可在今后的综合实验考核中尝试采用。

五、结语

教学改革是一项系统工程,除了教学体系、教学内容、教学方法的改革与探讨外,还必须更新教育观念,强调教学效果。材料科学与工程专业的综合实验以其综合性、系统性的基本特点和承上启下的重要地位,更成为材料教学改革中一个值得深入研究的课题。今后成都理工大学材料材料科学与工程系也将不断地关注全国其它院校材料学科综合实验课程改革的发展动向,为提高学生的综合实验技能而不断努力。

[1]何刚.加强材料类专业学生工程素质培养的思考[J].机械管理开发,2008,23(005):148-149.

[2]林金辉,汪灵,邱克辉,等.材料科学与工程专业的课程体系和实验教学体系建设[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.材料科学与工程专业创新人才培养模式的研究[J].化工高等教育2009,26(4):30-32.

[4]饶丽,屈金山,魏成富,等.材料科学与工程专业创新人才培养研究[J].高等教育研究(成都)2008,25(4):54,57.

[5]汪灵,林金辉.影响理工科大学生毕业设计论文质量的基本要素与主要矛盾分析[J].中国地质教育2009(1):163-166.

[6]汪灵,林金辉,龙剑平.理工科大学毕业设计(论文)团队指导法研究与实践[J].成都理工大学学报:社会科学版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

(责任编辑:韩冬苗)

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专业建设项目(2008-422);成都理工大学教改项目“基于地学特色的材料与化学化工类本科人才培养模式研究与实践”

李峻峰(1976-),男,四川会理人,博士,讲师。研究方向为:材料与化工化学。