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淺析材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)新型實(shí)驗教學(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”國家重點(diǎn)學(xué)科、“材料科學(xué)與工程”一級學(xué)科博士點(diǎn)、博士后流動(dòng)站、“特種功能薄膜材料”國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室、“薄膜材料及器件”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室、“裝備用關(guān)鍵薄膜材料及應用”湖南省國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室、“低維材料及其應用技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗室、“材料設計及制備技術(shù)”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室等一批良好的學(xué)科平臺，逐步形成了裝備用關(guān)鍵材料及工程化應用、低維材料及其應用技術(shù)、薄膜材料與器件力學(xué)、材料設計與加工四個(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，教育部批準立項成立了湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程實(shí)驗教學(xué)示范中心，為國家級材料類(lèi)實(shí)驗教學(xué)示范中心建設單位。該中心面向材料科學(xué)與工程一級學(xué)科，立足特殊涂層薄膜材料、航天航空用無(wú)機非金屬材料工程、關(guān)鍵金屬材料工程、先進(jìn)復合材料工程、材料物理、材料化學(xué)等材料類(lèi)二級學(xué)科專(zhuān)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，致力于培養基礎知識扎實(shí)，能在材料結構設計制備、性能表征、工程化應用等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、教學(xué)、科技開(kāi)發(fā)及相關(guān)管理等方面的復合型人才。然而，近幾年實(shí)驗教學(xué)情況分析顯示，原有的實(shí)驗教學(xué)體系難以跟上當前材料學(xué)科快速發(fā)展趨勢和社會(huì )需求，不利于材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生的能力培養、繼續深造和社會(huì )就業(yè)。因此，逐步對材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗教學(xué)內容、教學(xué)方法、評價(jià)機制等進(jìn)行了嘗試性探索和改革，預期得到一些可行的教學(xué)經(jīng)驗。
1. 1 整合和提升實(shí)驗教學(xué)內容
從2010 年開(kāi)始，教研組通過(guò)調研該專(zhuān)業(yè)國內外發(fā)展趨勢和特點(diǎn)，整合現有的實(shí)驗教學(xué)項目，補充和完善新興實(shí)驗教學(xué)內容，從廣度、深度及實(shí)際解決問(wèn)題的角度進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)改革，加強多學(xué)科之間的交叉，突出改革的整體性、綜合性和實(shí)踐運用，完善整個(gè)實(shí)驗課程教學(xué)體系，整合原來(lái)分散的、與理論課對應的實(shí)驗課，分層次組織實(shí)驗教學(xué)。按照4∶ 3∶ 3 比例，實(shí)驗教學(xué)內容體系分為基礎類(lèi)、綜合類(lèi)和創(chuàng )新類(lèi)3 種類(lèi)型。
1) 基礎類(lèi)實(shí)驗主要是加深學(xué)生對課本基礎
理論知識的理解，在實(shí)驗中檢驗相關(guān)定律、定理和基本概念，掌握基本實(shí)驗操作方法，具有一定的實(shí)驗操作技能，該層次主要通過(guò)設置的“材料科學(xué)與工程基礎實(shí)驗”課程實(shí)現。該實(shí)驗類(lèi)型包括材料基本理論驗證實(shí)驗、材料微觀(guān)結構實(shí)驗、材料性能實(shí)驗( 光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等) 、材料研究方法實(shí)驗、材料力學(xué)性能實(shí)驗( 強度、斷裂韌性、殘余應力、彈性模量等) ，結合現代分析測試儀器，建立從化學(xué)成分分析到材料微觀(guān)結構分析的實(shí)驗平臺。在專(zhuān)業(yè)培養方案中，增加了實(shí)驗教學(xué)時(shí)數的比例，略微降低課堂教學(xué)時(shí)數，加強學(xué)生的實(shí)驗手段、方法和儀器操作技能的培養。從實(shí)驗教學(xué)出發(fā)，讓學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎知識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和獨立思考的能力。
2) 綜合類(lèi)實(shí)驗是指根據材料學(xué)科發(fā)展趨勢，
以及本教研組學(xué)科方向的發(fā)展規劃，實(shí)現不同專(zhuān)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(zhuān)業(yè)的交叉學(xué)科實(shí)驗項目。從教研組成員的科研課題中提煉出新的實(shí)驗設備方案，應用新的實(shí)驗測試技術(shù)，搭建新的實(shí)驗平臺，研發(fā)出新功能的實(shí)驗儀器設備，完善綜合類(lèi)實(shí)驗項目，加強學(xué)生工程意識的培養，致力于加強學(xué)生動(dòng)手能力、解決問(wèn)題的能力，強化學(xué)生的工程意識。代表性的新型綜合類(lèi)實(shí)驗有: 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、數字圖像散斑法在材料力學(xué)性能測試中的應用、基于維氏壓痕法脆性涂層材料斷裂韌性和殘余應力壓痕法實(shí)驗分析等、復雜環(huán)境下材料宏微觀(guān)變形測試分析、高溫環(huán)境下材料壓痕測試分析等。
3) 創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗主要依托教研組的科研項目
和各種實(shí)驗競賽( 例如大學(xué)生創(chuàng )新項目、全國“挑戰杯”競賽等) ，培養學(xué)生學(xué)以致用的能力。目前，教研組主要根據教研組教師所獲資助的材料，力學(xué)、化學(xué)、機械等交叉學(xué)科方面的科研課題，把創(chuàng )新性較好的實(shí)驗測試課題分解成難度適中、數量適當的創(chuàng )新型實(shí)驗題目，并發(fā)布給學(xué)生。根據發(fā)布的信息，學(xué)生自由組隊或教師協(xié)助指定分組，雙方確定感興趣的實(shí)驗研究主題框架和內容。然后根據實(shí)驗測試所涉及的研究背景，主動(dòng)查閱相關(guān)文獻，結合專(zhuān)業(yè)知識，設計合理的實(shí)驗方案。在實(shí)驗指導教師的幫助下，組裝現有的儀器設備，完成相關(guān)實(shí)驗測試，并進(jìn)一步分析實(shí)驗測試結果，得出這個(gè)方面的研究結論，甚至達到能夠發(fā)表學(xué)術(shù)論文的水平。這種創(chuàng )新類(lèi)的實(shí)驗訓練鼓勵學(xué)生和指導教師共同協(xié)商選題，大力培養學(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)驗教學(xué)方法和評價(jià)機制互補
1) 編寫(xiě)實(shí)驗講義。根據實(shí)驗教學(xué)項目的設計及發(fā)展規劃，刪除或更新原來(lái)過(guò)舊的實(shí)驗講義，補充新實(shí)驗項目匹配的實(shí)驗講義，實(shí)現教材指導資料多樣性。實(shí)驗講義不僅體現了課程理論課程的教學(xué)內容和關(guān)鍵點(diǎn)，而且融合了多學(xué)科、新型實(shí)驗技術(shù)和方法、新型實(shí)驗測試設備，緊跟材料發(fā)展前沿以及國家中長(cháng)期發(fā)展規劃，提煉出新的實(shí)驗教學(xué)內容。例如，教研組周益春教授編寫(xiě)了《材料的宏微觀(guān)力學(xué)性能實(shí)驗指導》，已成為國家精品課程、國家“十一五”規劃教材《材料的宏微觀(guān)力學(xué)性能》的配套實(shí)驗指導教材。該實(shí)驗指導書(shū)共分3部分: 基礎性實(shí)驗部分、綜合性實(shí)驗部分和創(chuàng )新性實(shí)驗部分; 全書(shū)共45 個(gè)實(shí)驗，涉及硬度、斷裂韌性和殘余應力的常規力學(xué)性能測試，完善了金屬材料的疲勞、蠕變、腐蝕實(shí)驗測試，智能薄膜材料、功能陶瓷材料、高分子材料和復合材料界面力學(xué)性能測試分析等。
2) 多樣化的教學(xué)方法。對于基礎類(lèi)和綜合類(lèi)實(shí)驗教學(xué)，一般是指導教師或助教先講解實(shí)驗測試原理，然后親自操作一遍整個(gè)實(shí)驗過(guò)程，并同時(shí)講解實(shí)驗過(guò)程中應該注意的事項，對關(guān)鍵環(huán)節、關(guān)鍵知識點(diǎn)，及時(shí)提問(wèn)學(xué)生，學(xué)生現場(chǎng)作答，加深對課程知識的運用和掌握。在學(xué)生分組動(dòng)手做實(shí)驗環(huán)節，及時(shí)糾正學(xué)生在試驗過(guò)程中出現的不規范操作和錯誤操作，全程監護學(xué)生實(shí)驗過(guò)程，防止發(fā)生人身意外和損壞實(shí)驗設備等。對于創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗教學(xué)，由于對所涉及的知識點(diǎn)要求提高，結合具體的實(shí)驗項目類(lèi)型，一般先讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻資料，以便了解所研究測試的主題背景、測試內容及數據分析。然后類(lèi)似于上述的實(shí)驗教學(xué)方式，在指導教師的幫助下，一起完成具體的科研測試，確保實(shí)驗結果可性度。
3) 多種實(shí)驗教學(xué)考核方式互補。學(xué)生的實(shí)驗成績(jì)和評價(jià)標準與實(shí)驗項目的類(lèi)型緊密相關(guān)，不同于原來(lái)只看實(shí)驗報告的那種單一評價(jià)模式。對于基礎類(lèi)實(shí)驗成績(jì)評價(jià)，主要參考學(xué)生的實(shí)驗操作能力、實(shí)驗結果分析程度、實(shí)驗報告規范程度。對于綜合類(lèi)和創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗成績(jì)的評價(jià)，主要考察學(xué)生對所研究的主題理解程度，對文獻的調研能力、消化能力、問(wèn)題提煉能力，在實(shí)驗中的創(chuàng )新程度。同時(shí)，參考實(shí)驗數據分析水平。對于表現突出，參與發(fā)表了學(xué)術(shù)論文的學(xué)生，成績(jì)從優(yōu)。另外，學(xué)生通過(guò)創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗項目積累的相關(guān)科研工作經(jīng)驗，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試過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。
2 實(shí)驗教學(xué)改革的進(jìn)展情況
從2010 年開(kāi)始，教研組利用具有國際國內先進(jìn)水平的儀器設備，為本科生開(kāi)設實(shí)驗項目，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(zhuān)業(yè)的實(shí)驗教學(xué)改革，完善多種方式互補的考評機制，激發(fā)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣，提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)水平，豐富了實(shí)驗教學(xué)經(jīng)驗。教研組把相關(guān)科研成果逐步應用到實(shí)驗教學(xué)改革中，取得了較好的效果。例如，“多功能一體化數字圖像小負荷維氏壓痕儀”是2011 年由毛衛國教授自主設計和研制的，擁有自主知識產(chǎn)權的高科技通用教學(xué)科研設備( 專(zhuān)利號: 201410260206.8，201110221197. 8，ZL 201120280201. 3 和2012R11S048409) ; 該儀器順利通過(guò)了上海市計量測試技術(shù)研究院、華東國家計量測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，從細觀(guān)到宏觀(guān)尺度上實(shí)現了快速準確測試脆性材料體系顯微硬度、斷裂韌性和殘余應力3 個(gè)關(guān)鍵指標，為脆性涂層材料產(chǎn)品的相關(guān)工藝優(yōu)化、質(zhì)量檢測及可靠性評價(jià)提供了一種功能集成的實(shí)驗設備。2012 年兩套設備開(kāi)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(zhuān)業(yè)，在“材料顯微硬度試驗”“脆性塊體陶瓷材料斷裂韌性測試”和“脆性涂層材料體系斷裂韌性和殘余應力測試”3 個(gè)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗中發(fā)揮了重要作用。教研組編寫(xiě)了配套的實(shí)驗講義，豐富了實(shí)驗類(lèi)型，先后承擔了2 項國家級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目的測試任務(wù)( 1 項被評為優(yōu)秀) 。
對于創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗項目，大部分學(xué)生能夠在一定時(shí)間內協(xié)調完成實(shí)驗測試任務(wù)。部分優(yōu)秀的選題項目成功獲得了大學(xué)生研究性學(xué)習和創(chuàng )新性實(shí)驗計劃立項資助項目。例如，張瑜負責完成了“基于數字圖像相關(guān)技術(shù)的熱障涂層體系界面失效實(shí)驗表征方法研究”，并獲得2013 年度大學(xué)生研究性學(xué)習和創(chuàng )新性實(shí)驗計劃項目省級優(yōu)秀結題項目。張瑜參與毛衛國教授指導的創(chuàng )新類(lèi)實(shí)驗項目，表現突出，共發(fā)表5 篇學(xué)術(shù)性論文( 3 篇SCI 和1 篇EI)。2013 年謝慧婷承擔了“電纜電線(xiàn)絕緣層老化程度測試研究”、2011 級李可可承擔了“1100 ℃環(huán)境下熱障涂層體系界面失效實(shí)時(shí)測試研究”、張沛然負責完成了“石墨烷的隧穿磁阻效應與自旋閥設計”。其中李可可出色完成了所選擇的創(chuàng )新實(shí)驗，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大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)年會(huì )，并就項目成果作口頭報告。這充分說(shuō)明從指導教師科研項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(lèi)實(shí)驗，既培養了大學(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 結束語(yǔ)
在新形勢下，為滿(mǎn)足社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展對材料學(xué)科專(zhuān)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”一級學(xué)科博士點(diǎn)和博士后流動(dòng)站、材料科學(xué)與工程國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心、低維材料及應用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室和“薄膜材料及器件”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室等學(xué)科平臺，以科研項目研究成果及研制的實(shí)驗儀器設備，豐富實(shí)驗教學(xué)內容，提升實(shí)驗教學(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(zhuān)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)驗教學(xué)改革新途徑。
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