大学理科综合实验平台建设

李志杰, 李 媛， 史桂梅, 孙维民, 刘忠菊

(沈阳工业大学 理学院, 辽宁 沈阳 110870)

经过几十年的高速发展之后,我国经济近来增速渐缓,这就需要重视基础研究和技术的转化。为了培养适应市场的高素质创新人才,亟需高校理科综合实验体系的改革,这种改革目标是培养学生创新创业精神和综合能力。理科综合实验平台包括专业实验、校内实践基地、校外实践场所及所有相关实验教学活动和相应的课程体系。国内外高等学校和地区政府非常重视实验室和实践基地建设,纷纷投入大量经费进行建设。通过中央与地方基金扩建实验室、更新实验设备、修改实验题目和增强企业联系,减少验证性题目、开发新的综合性题目和具有挑战性题目[1-4]。围绕高素质创新人才培养模式,借鉴国外高校的建设经验,强化实验、实践与企业的联系,引进教师科研内容和对应的开发设备到实验平台中[5-8]。

高等学校理科实验教学平台建设,能够促进理论与实际结合,提升学生创新创业精神和综合能力,又符合当今国家提倡的产学研合作,解决学校实践教学经费不足、企业的技术水平不高和毕业生适应工作时间长的问题。同时激发学生的学习兴趣,促进大学生的创新创业能力发展[8-11]。

1 理科实验平台的现状

现今,大部分高校由于实验和实践的条件和经费不足,实验题目多是验证实验,部分演示实验,实验教学课程较为死板,不能激发学生创新思想；实践教学内容和方法与社会、生产一线结合不够紧密,多数为校内演示和企业参观形式。由于实验教学改革所需费用较高,多年来实验教学流程已模式化,测量数据、记录数据、书写实验报告,不能提高学生的实践能力,对今后继续学习和工作起不到太大的作用[12]。各高校意识到实践教学的重要价值,不断加大实践教学硬件环境的投入,并有了明确建设方向。但是结合企业产品和市场需求,大力发展高校服务社会的职能,把理科教学实验平台建成相对独立的、紧密结合校企合作的平台还有很大的开发余地。现阶段校内理科实践教育基地的缺失,已导致理科教育教学质量的下滑和不适应工作岗位的需要,因此校内理科实验和实践教学平台多功能建设就显得尤为重要。

2 理科实验平台的建设

2.1 专业实验室建设

随着《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》的制定与实施,实验教学环节在整个人才培养体系中地位和作用将进一步凸显。实验教学课程体系是实验教学工作中的核心要素。考虑应用物理学专业的磁性材料与技术研究方向,对本科生课程进行调节,增加永磁体材料制备与应用方面的课程,压缩一些理论性较强的课程。也加强一级学科物理学硕士生和功能材料博士生的磁性材料与技术课程。调整后的部分课程如表1所示。

表1 理论课程列表

同时,对专业实验课题目进行了修改。倾向于综合性实验、挑战性实验和各实验课的时间不同。改动的实验题目如表2所示。通过课程和实验题目调整,组建多层次、紧密联系和联系实际的课程体系。有利于培养理论基础扎实、动手能力强、有创新精神的应用型人才。磁性材料磁性测试实验所用测试样品是企业实际产品,课程内容具有一定的挑战性,有利于学生创造性思维的开发。建立一套评价体系,实验成绩评定根据上课情况、实验报告,结果精确度和原因分析情况而定。对班级10%左右实验成绩高的学生可以参加拓展实验—企业产品研制过程。

表2 实验题目表

2.2 校内实习基地建设

为了培养本科学生的科学素养,提高学生适应今后工作的进度,强化实践教学工程化特色发展的建设思想,以提升学生的创新创业精神和综合能力为核心,结合辽宁区域行业背景及发展需要,根据企业现状和未来的发展趋势,实践基地初步建设一条中试级别的纳米级粉末冶金生产线，生产各类永磁材料,满足学生的相关行业的基本功训练,提升学生的综合素质、增强学生的创新创业能力。近几年,分别得到中央与地方建设项目、辽宁省教育厅教改项目和沈阳工业大学重点教改项目资助,在原先的专业实验室基础上扩建成沈阳工业大学理学院磁性材料综合实验平台。为此,就综合实验平台如何运行制定了一系列措施,确保校内综合实验平台和企业的基地有效结合。制定相对独立的实验、实践教学计划,并针对计划编制实验、实践教学大纲、生产线的操作手册和基地的注意事项,规范实验、实践教学的教案和考核办法。

校内实习考核办法：通过2～3人一组制备产品,根据完成产品情况和对应的小论文进行考核。班级进行答辩,其中每小组成员10 min讲述、8 min回答问题,加上实习期间表现确定成绩。

生产线运行模式为制备主合金,通过配料、熔炼和甩带铸件技术制得烧结NdFeB的磁体合金薄片,利用氢破和气流磨使得合金薄片磨为平均粒径3～4 μm的粉末。辅合金,采用等离子体电弧法制备过渡金属或稀土金属纳米粉。将2种金属或合金粉末通过真空混料机在氮气条件下混合均匀；在2特斯拉磁场中取向压制成型和200 MPa冷等静压；在真空炉中烧结和热处理成初坯,最后经机加工和表面处理,充磁成产品，其工艺流程如图1所示。

图1 烧结NdFeB磁体制备流程

2.3 企业实习基地建设

高等院校要积极探索校内相对独立的工程化实验平台建设的校企组合新模式,由学校提供科研场地及人员,纳米粉体制备设备、微结构、磁性能检测仪器和最新信息,企业提供运行资金、工程技术人员支持和校外生产线实习场所。教师与学生到企业中了解大规模生产过程和企业实际困难,促进校内科研技术及早转变成企业的生产技术,提升企业竞争力和解决学生就业问题。同时,利用高校先进检测仪器服务社会,把企业的不定量的经验转化为准确的数据库。学校与北方重工集团、辽宁恒德磁业有限公司、沈阳寰博磁电有限公司和抚顺市先锋永磁材料有限公司合作，建成了4个实习基地。校外基地主要提供学生参观和教师与企业合作,解决学生的感性认识和兴趣。在校企合作系统中,以学校为主、企业为辅的合作形式培养学生,形成产学研合作新机制。学校得到教育发展和科研提升,企业得到规模扩展和竞争力提高,学生得到全面的锻炼和就业机会。积极从合作企业聘请企业家、工程技术人员等作为兼职教师,定期到校介绍生产线情况和指导校内师生具体操作设备技艺。形成校企结合的全方位创新创业工程教育教师队伍。

3 理科实验平台运行的效果

3.1 人才培养模式的改进

理科实验平台建设规划体现现代工程教育的培养模式，其课程体系的改进,符合学科特点和服务社会的要求,在大学4年期间,设立大学物理实验、中级物理实验、校内外实习、基地生产实习、专业物理实验和毕业设计等实践教育贯穿大学课程体系,其中理科实验教学内容符合应用物理学专业的实际需求。形成一个校内相对独立的理论与实践相结合的理科实验教学平台,其他学院的学生也积极参加平台开设的拓展与创新实验,培养出一批具备创新创业精神、综合竞争力强的市场所需人才。

在学生大二期间,引进专业方向课程,如“永磁材料原理、制备与应用”和“光学测量技术与应用”,并系统介绍专业方向实践课,根据企业工程设计需求及团队研究方向制定教学计划。实施“校企结合化”的教学管理,保障工程与科学相结合的学习模式。为保证实践教学内容具有创新创业思维,教学内容紧跟教师的实际项目，并做相应的变化,既训练了学生,同时也完成项目的部分工作,还能解决实践费用不足的矛盾。

3.2 师资队伍科研能力的提升

从教育发展的全局看,实验平台建设仍然是发展高校教育中的薄弱环节。急需一支具有热爱教育事业、较强责任心和工程实践能力的指导教师队伍。在理科实验教学平台的建设过程中,教师都充分认识到教师职责--传授知识和创造知识,都应具有主动地适应转型发展的理念。近2年，引进2名实践能力较强的清华大学、大连理工博士生，并培养5名青年教师,这些教师都可以带领学生进行实习,同时开创一些新的科研方向。近几年，采取全脱产进企业锻炼的方式,先后有7名教师到对口企业,参于企业产品研发过程、生产流程与企业管理,受到企业高度评价。既培养自己科研能力,也增加了服务社会的实践活动。也进一步增强校内实验平台培养学生的目的和能力,丰富了平台建设内涵和服务社会领域,提升了教师合作精神。

3.3 学生的科学素质的提高

结合沈阳工业大学理科应用型人才培养模式的机制,借助企业行业优势,确立应用物理学专业人才现代工程教育的培养模式。在实施过程中,实现校企合作共建实验平台。校内建成理科实验平台工程化,校外成立企业实习基地,同时还有研究生实践基地。学生参观企业的生产流程和经营管理,完成校内的理科实验平台实习,总结2周的实习活动。学生高兴地发现所学的专业知识在产品制备过程中的作用,在学生对实习感兴趣同时,认识到书到用时方恨少。在运用专业理论观察问题、分析问题时,提升了自己实践能力和创新意识。今年许多学生因综合能力加强而被用人单位接收,一些学生就业到对应的磁性行业。2017年比上届高出14个百分点,提升了本科毕业生就业竞争力。

同时,以实验平台为依托组织省级以上大学生创新创业训练项目12项；组织学生参加大学生“挑战杯”竞赛、大学生数学建模设计竞赛、大学物理实验大赛等16项。在大学低年级学生中挑选有兴趣的同学参与教师的课题组,从而达到“差异教学、特色培养和兴趣教育”的目的。学生在校内生产线上能够制备出企业需要的多种不同产品,为企业解决了不适合大量生产的产品问题,从资金上保证了实验平台的正常运行。教师和研究生就企业产品改进进行科学研究,建立研发团队,派遣教师和硕、博研究生到企业指导工作,提升企业的竞争力,解决了企业的实际问题。

4 结语

本文对理科实验及实践教学环节进行调整,按照实验及实践教学不间断和工程化的思想,完成了专业实验室建设、校内实习基地建设、校外实习基地建设和课程体系调整及评价体系建设等几个方面。从大学入学的实验室介绍开始到大四的毕业设计整个8个学期都有相应的实验、实践、实习和参与教师的课题活动,这些具体的措施对理科专业的人才培养提供一个更好的平台,解决了学生对实验、实践教学忽视,对校外实习走马观花的现象。提升了学生的实验兴趣、动手能力和就业竞争能力,达到培养具有创新创业精神和综合能力强的复合型人才的目标。凝聚了教师的业余时间,建立了研发团队,为教师提供了实用的研究方向,提升企业的竞争力,解决了企业的实际问题。