淺析材料科學(xué)與工程專業(yè)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革論文
1 湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新
學(xué)校材料科學(xué)與工程學(xué)科依托材料科學(xué)與工程學(xué)院的師資力量，以及“一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)”國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、“材料科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)、博士后流動(dòng)站、“特種功能薄膜材料”國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室、“薄膜材料及器件”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“裝備用關(guān)鍵薄膜材料及應(yīng)用”湖南省國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“低維材料及其應(yīng)用技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等一批良好的學(xué)科平臺(tái)，逐步形成了裝備用關(guān)鍵材料及工程化應(yīng)用、低維材料及其應(yīng)用技術(shù)、薄膜材料與器件力學(xué)、材料設(shè)計(jì)與加工四個(gè)代表性的學(xué)科方向，形成了以材料、力學(xué)、物理、化學(xué)、電子等多學(xué)科交叉的材料學(xué)科體系。2008年，教育部批準(zhǔn)立項(xiàng)成立了湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，為國(guó)家級(jí)材料類實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位。該中心面向材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科，立足特殊涂層薄膜材料、航天航空用無(wú)機(jī)非金屬材料工程、關(guān)鍵金屬材料工程、先進(jìn)復(fù)合材料工程、材料物理、材料化學(xué)等材料類二級(jí)學(xué)科專業(yè)。目前，該學(xué)科已成為湘潭大學(xué)學(xué)科發(fā)展的重要力量，致力于培養(yǎng)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，能在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備、性能表征、工程化應(yīng)用等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、教學(xué)、科技開發(fā)及相關(guān)管理等方面的復(fù)合型人才。然而，近幾年實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況分析顯示，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系難以跟上當(dāng)前材料學(xué)科快速發(fā)展趨勢(shì)和社會(huì)需求，不利于材料專業(yè)學(xué)生的能力培養(yǎng)、繼續(xù)深造和社會(huì)就業(yè)。因此，逐步對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)機(jī)制等進(jìn)行了嘗試性探索和改革，預(yù)期得到一些可行的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。
1. 1 整合和提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
從2010 年開始，教研組通過(guò)調(diào)研該專業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)，整合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，補(bǔ)充和完善新興實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，從廣度、深度及實(shí)際解決問(wèn)題的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，加強(qiáng)多學(xué)科之間的交叉，突出改革的整體性、綜合性和實(shí)踐運(yùn)用，完善整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，整合原來(lái)分散的、與理論課對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課，分層次組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。按照4∶ 3∶ 3 比例，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系分為基礎(chǔ)類、綜合類和創(chuàng)新類3 種類型。
1) 基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)主要是加深學(xué)生對(duì)課本基礎(chǔ)
理論知識(shí)的理解，在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)相關(guān)定律、定理和基本概念，掌握基本實(shí)驗(yàn)操作方法，具有一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，該層次主要通過(guò)設(shè)置的“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)類型包括材料基本理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、材料微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、材料性能實(shí)驗(yàn)( 光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等) 、材料研究方法實(shí)驗(yàn)、材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)( 強(qiáng)度、斷裂韌性、殘余應(yīng)力、彈性模量等) ，結(jié)合現(xiàn)代分析測(cè)試儀器，建立從化學(xué)成分分析到材料微觀結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在專業(yè)培養(yǎng)方案中，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)的比例，略微降低課堂教學(xué)時(shí)數(shù)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)手段、方法和儀器操作技能的培養(yǎng)。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)出發(fā)，讓學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。
2) 綜合類實(shí)驗(yàn)是指根據(jù)材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，
以及本教研組學(xué)科方向的發(fā)展規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同學(xué)科間的交叉滲透和輻射作用，形成跨學(xué)科、跨專業(yè)的交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從教研組成員的科研課題中提煉出新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備方案，應(yīng)用新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，搭建新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研發(fā)出新功能的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完善綜合類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)，致力于加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力、解決問(wèn)題的能力，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)。代表性的新型綜合類實(shí)驗(yàn)有: 靜電紡絲法制備納米材料、智能材料力電磁熱耦合性能研究、數(shù)字圖像散斑法在材料力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用、基于維氏壓痕法脆性涂層材料斷裂韌性和殘余應(yīng)力壓痕法實(shí)驗(yàn)分析等、復(fù)雜環(huán)境下材料宏微觀變形測(cè)試分析、高溫環(huán)境下材料壓痕測(cè)試分析等。
3) 創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)主要依托教研組的科研項(xiàng)目
和各種實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽( 例如大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽等) ，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。目前，教研組主要根據(jù)教研組教師所獲資助的材料，力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械等交叉學(xué)科方面的科研課題，把創(chuàng)新性較好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試課題分解成難度適中、數(shù)量適當(dāng)?shù)腵創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)題目，并發(fā)布給學(xué)生。根據(jù)發(fā)布的信息，學(xué)生自由組隊(duì)或教師協(xié)助指定分組，雙方確定感興趣的實(shí)驗(yàn)研究主題框架和內(nèi)容。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所涉及的研究背景，主動(dòng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的幫助下，組裝現(xiàn)有的儀器設(shè)備，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，得出這個(gè)方面的研究結(jié)論，甚至達(dá)到能夠發(fā)表學(xué)術(shù)論文的水平。這種創(chuàng)新類的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練鼓勵(lì)學(xué)生和指導(dǎo)教師共同協(xié)商選題，大力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)、實(shí)踐能力和思考能力。
1. 2 多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和評(píng)價(jià)機(jī)制互補(bǔ)
1) 編寫實(shí)驗(yàn)講義。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及發(fā)展規(guī)劃，刪除或更新原來(lái)過(guò)舊的實(shí)驗(yàn)講義，補(bǔ)充新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目匹配的實(shí)驗(yàn)講義，實(shí)現(xiàn)教材指導(dǎo)資料多樣性。實(shí)驗(yàn)講義不僅體現(xiàn)了課程理論課程的教學(xué)內(nèi)容和關(guān)鍵點(diǎn)，而且融合了多學(xué)科、新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法、新型實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，緊跟材料發(fā)展前沿以及國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，提煉出新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。例如，教研組周益春教授編寫了《材料的宏微觀力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》，已成為國(guó)家精品課程、國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材《材料的宏微觀力學(xué)性能》的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材。該實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書共分3部分: 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)部分、綜合性實(shí)驗(yàn)部分和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)部分; 全書共45 個(gè)實(shí)驗(yàn)，涉及硬度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力的常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試，完善了金屬材料的疲勞、蠕變、腐蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)試，智能薄膜材料、功能陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料界面力學(xué)性能測(cè)試分析等。
2) 多樣化的教學(xué)方法。對(duì)于基礎(chǔ)類和綜合類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一般是指導(dǎo)教師或助教先講解實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理，然后親自操作一遍整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并同時(shí)講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，及時(shí)提問(wèn)學(xué)生，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)作答，加深對(duì)課程知識(shí)的運(yùn)用和掌握。在學(xué)生分組動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，及時(shí)糾正學(xué)生在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的不規(guī)范操作和錯(cuò)誤操作，全程監(jiān)護(hù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程，防止發(fā)生人身意外和損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。對(duì)于創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于對(duì)所涉及的知識(shí)點(diǎn)要求提高，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型，一般先讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，以便了解所研究測(cè)試的主題背景、測(cè)試內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析。然后類似于上述的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在指導(dǎo)教師的幫助下，一起完成具體的科研測(cè)試，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可性度。
3) 多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式互補(bǔ)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的類型緊密相關(guān)，不同于原來(lái)只看實(shí)驗(yàn)報(bào)告的那種單一評(píng)價(jià)模式。對(duì)于基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，主要參考學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析程度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范程度。對(duì)于綜合類和創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)價(jià)，主要考察學(xué)生對(duì)所研究的主題理解程度，對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研能力、消化能力、問(wèn)題提煉能力，在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新程度。同時(shí)，參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水平。對(duì)于表現(xiàn)突出，參與發(fā)表了學(xué)術(shù)論文的學(xué)生，成績(jī)從優(yōu)。另外，學(xué)生通過(guò)創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目積累的相關(guān)科研工作經(jīng)驗(yàn)，或者參與發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)成果，在學(xué)生找工作或參加研究生復(fù)試過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。
2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的進(jìn)展情況
從2010 年開始，教研組利用具有國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的儀器設(shè)備，為本科生開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生創(chuàng)新研究能力。積極探索“十三五”期間材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，完善多種方式互補(bǔ)的考評(píng)機(jī)制，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣，提高了學(xué)生的專業(yè)水平，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。教研組把相關(guān)科研成果逐步應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，取得了較好的效果。例如，“多功能一體化數(shù)字圖像小負(fù)荷維氏壓痕儀”是2011 年由毛衛(wèi)國(guó)教授自主設(shè)計(jì)和研制的，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技通用教學(xué)科研設(shè)備( 專利號(hào): 201410260206.8，201110221197. 8，ZL 201120280201. 3 和2012R11S048409) ; 該儀器順利通過(guò)了上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院、華東國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心的第三官方檢定，完成了湖南省科學(xué)技術(shù)成果登記，從細(xì)觀到宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確測(cè)試脆性材料體系顯微硬度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力3 個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，為脆性涂層材料產(chǎn)品的相關(guān)工藝優(yōu)化、質(zhì)量檢測(cè)及可靠性評(píng)價(jià)提供了一種功能集成的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2012 年兩套設(shè)備開始服務(wù)于學(xué)校材料物理、材料科學(xué)與工程、新能源材料與器件3 個(gè)本科專業(yè)，在“材料顯微硬度試驗(yàn)”“脆性塊體陶瓷材料斷裂韌性測(cè)試”和“脆性涂層材料體系斷裂韌性和殘余應(yīng)力測(cè)試”3 個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。教研組編寫了配套的實(shí)驗(yàn)講義，豐富了實(shí)驗(yàn)類型，先后承擔(dān)了2 項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的測(cè)試任務(wù)( 1 項(xiàng)被評(píng)為優(yōu)秀) 。
對(duì)于創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大部分學(xué)生能夠在一定時(shí)間內(nèi)協(xié)調(diào)完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試任務(wù)。部分優(yōu)秀的選題項(xiàng)目成功獲得了大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃立項(xiàng)資助項(xiàng)目。例如，張瑜負(fù)責(zé)完成了“基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的熱障涂層體系界面失效實(shí)驗(yàn)表征方法研究”，并獲得2013 年度大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目省級(jí)優(yōu)秀結(jié)題項(xiàng)目。張瑜參與毛衛(wèi)國(guó)教授指導(dǎo)的創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，表現(xiàn)突出，共發(fā)表5 篇學(xué)術(shù)性論文( 3 篇SCI 和1 篇EI)。2013 年謝慧婷承擔(dān)了“電纜電線絕緣層老化程度測(cè)試研究”、2011 級(jí)李可可承擔(dān)了“1100 ℃環(huán)境下熱障涂層體系界面失效實(shí)時(shí)測(cè)試研究”、張沛然負(fù)責(zé)完成了“石墨烷的隧穿磁阻效應(yīng)與自旋閥設(shè)計(jì)”。其中李可可出色完成了所選擇的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并參與發(fā)表了1 篇SCI 學(xué)術(shù)性文章，作為湖南省僅有的2 名代表之一，應(yīng)邀參加了2015 年9 月由教育部主辦的以“青春、夢(mèng)想、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”為主題的第八屆全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會(huì)，并就項(xiàng)目成果作口頭報(bào)告。這充分說(shuō)明從指導(dǎo)教師科研項(xiàng)目中提煉出難度適中的微型研究課題作為大學(xué)生的綜合創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，既培養(yǎng)了大學(xué)生的創(chuàng)新能力，又讓學(xué)生了解學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，有利于學(xué)生就業(yè)或者直接攻讀研究生。
3 結(jié)束語(yǔ)
在新形勢(shì)下，為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)材料學(xué)科專業(yè)人才的需求，全面提高畢業(yè)生的質(zhì)量，依托湘潭大學(xué)“材料科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)和博士后流動(dòng)站、材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、低維材料及應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和“薄膜材料及器件”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等學(xué)科平臺(tái)，以科研項(xiàng)目研究成果及研制的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和質(zhì)量，讓學(xué)生更加貼近社會(huì)實(shí)際需求，緊跟材料專業(yè)發(fā)展前沿，讓學(xué)生得到真實(shí)有效的鍛煉，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，正逐步探索出一條實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革新途徑。
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