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无机固体功能材料实验室建设

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新材料作为高新技术发展的物质基础和先导,其战略地位极其重要,其中固体材料的合成、加工与设计是我国重点关注与优先发展的新兴产业之一。随着全球家电、电脑、电动工具和玩具等加速向我国转移,新材料正逐渐在我国成为全球最大的潜在市场和拉动需求增长的主要动力。其中,无机固体功能材料是该领域中非常重要的和亟需发展的一部分。小到手机芯片的制备大到航空航天零件的加工,从数据存储、信号计算与处理、光电能量转换、超级电容、到防火耐高温涂层等等,无机固体功能材料的日趋发展为我们的生活带来了日新月异的变化。我校材料科学与工程专业于2011年成立并开始招生,无机固体功能材料方向是该学科专业的办学特色之一。在本科生教学与培养方面,本专业力求培养德、智、体、美全面发展,学习并掌握系统的材料科学与工程专业基础理论及工程技术基础知识、具有较强的综合素质以及熟练的实验技能,为地方经济建设、产业科技创新和社会发展培养特色人才,使之服务于国家无机非金属材料和金属材料产业,在材料设计、材料开发、材料研究等方面具有熟练的应用能力和勇敢的创新精神,能够在无机固体功能材料和金属表面处理领域从事材料生产、加工、销售和管理等工作的高级复合型应用型人才[1]。新专业建设需要在不断地摸索中逐渐取得进步。为满足并加强材料科学与工程专业实践教学建设,我们针对无机固体功能材料实验室的规划与建设进行思考并付诸实践,主要包括以下方面:

一、无机固体功能材料实验室硬件基础设施的规划与建设

吉林化工学院材料科学与工程专业始建于理学院,2013年统编入新成立的材料科学与工程学院。作为一个新专业,需要从教学环境、教学设施、实验场地等多方面筹备和建设。实验室的硬件建设很重要,没有恰当先进的实验设备,就无法保证高质量的实验教学课程,无法让学生更好地接触材料科学领域发展的前沿课题。无机固体功能材料,同样离不开材料的四个基本要素:制备与加工、组成与结构、性质、使用性能。为此,我们规划与建设的无机固体功能材料实验室,涵盖了材料合成实验室、材料加工实验室、测试分析实验室、金相实验室、XRD测试与结构计算实验室。为无机固体功能材料实验室提供实验场地,科研仪器和教学研究素材等。依托我校材料科学与工程研究中心,建立起包含有球磨机、水热反应设备、旋涂机磁控溅射仪等设备,可开展高温固相及水热等液相合成方法用于材料合成的材料合成实验室;包含有液压机、抛光仪、马弗炉等设备的材料加工实验室;依托材料中心的X射线衍射测试分析仪、扫描电子显微镜及原子力显微镜、红外测试光谱仪、介电阻抗分析仪等大型实验设备以及依托学校本专业购置的固体比表面积分析仪、电化学工作站等实验测试设备,建立起能针对无机固体功能材料进行结构、组织成分分析以及材料性能测试的材料测试分析实验室;此外我们依托学校购置了数台计算机,并配有MSModeling晶体结构计算模拟软件,联合XRD实验设备,建立了XRD测试与结构计算实验室。在此基础之上,我们按实验室的建设,设计并规划购置实验室通风橱及实验台等基础设施,目前也已顺利投标,在年底即将投入使用。另一方面,师资队伍的建设也是实验室建设的关键。师资队伍是实验室建设的灵魂[2]。我院领导高瞻远瞩,于2013年成功引入两位无机固体功能材料方向青年教师,协助并组织材料科学与工程专业无机固体功能材料专业方向的建设。没有好的师资,没有好的实验项目,创造不出好的实验条件,带不好实验课程。所以必需有一支踏实进取、有实力的年轻有力的师资队伍。以材料学院院长为学科带头人的师资力量正逐渐扩大。因此,为完善实验室的基础硬件建设不仅需要引进先进的科学仪器设备为学生们开阔视野、培养专业技能,同时也需要加强师资队伍建设,引进和发展高水平人才教学和科研骨干,更好地开拓本实验室的学科特色和功能。

二、完善实验教学内容

材料科学与工程专业以无机固体功能材料方向为专业培养特色。在实验教学内容上,根据材料科学与工程专业的培养要求,针对材料科学与工程专业不同年级学生的理论基础水平,设计开展多层次、多角度的实验课程,包括材料无机化学实验、材料科学基础实验、材料化学实验及材料科学专业实验等实验教学内容。为实现材料科学专业的人才培养特色,在基础实验材料无机化学实验中为学生安排基础玻璃工操作、高精密天平的使用、多种化学药品溶液的配制等基本功操作训练的实验内容,同时设计和带领学生练习五水合硫酸铜晶体的制备、粗食盐的提纯等实验,不仅使学生将高中以及大学化学学习的基本内容与实践很好地结合起来,同时也为后续实验课程打下良好实验操作基础。在材料科学基础实验与材料化学专业实验中,注重专业培养特色,为学生设计并开展具有专业特色的水热法、共沉淀法等基础固体材料合成方法,合成包括具有钙钛矿型、尖晶石型等复杂结构的无机固体功能材料;在稀土掺杂母体钛酸钡介电陶瓷材料的合成与表征综合实验中,借助吉林化工学院材料研究中心实验室的实验平台,实验进展顺利,锻炼了学生系统的科研工作思想、动手能力及分析解决问题的能力,得到了良好的效果。在材料科学与工程专业实验中,我们设计安排了“传统高温固相合成方法合成无机固体功能材料及表征”的开放性实验,在学生查阅文献及相关参考资料的基础上,自主进行实验设计及操作,锻炼学生的自主动脑及动手能力。实验内容的设计包括实验室硬件设备及学生培养需要等多方面的考量。目前实验内容已基本成型并顺利开展,为适应学科发展及学生培养方向,实验内容还将进一步完善。

三、完善教学手段,设计考核方式

学校在教育思想定位中能否坚持以学生为主体,以教师为主导,以能力为根本,是提高教学质量的前提,是检验教学成果的标准,是学校发展成败的关键[3]。在实验教学中,同样要本着以学生为主体,教师为主导的原则。积极发挥教师的主导作用,做好课前准备及课堂讲授工作[4]。在实验课备课中,首先要熟悉实验讲义,做到“我与他相识,我请他跳舞,他在我心中”的三个境界,讲实验讲义与所讲专业理论课融会贯通,明确实验目的;其次要做好实验准备工作,即做好预实验。在学生进入实验室开展实验前,教师必需做好预实验工作,细化实验步骤,积极发现并解决实验过程中可能出现的问题,做好实验记录。在讲授实验课程时,做好课程导入,调动学生的学习动手兴趣。在实验课进行过程中,注意发现总结学生实验操作过程中存在的问题,及时指导学生改正。

在教与学的关系中,教师的教为外因,学生的学为内因。实验前规定学生做好实验预习工作,并写好预实验报告。在预习的过程中,让学生自己提出问题,“学起于思,思源于凝”,学生自主提出的问题往往会带来更好的学习效果。在实验过程中,随着实验的进行,教师要及时提出适时地发现问题并提出问题,同时学生遇到问题时,要让学生积极自主解决问题。努力培养学生从“要我学”向“我要学”的过程积极转变[6]。实验课程的考核分为三个部分。第一部分为学生实验预习的效果,占总成绩的10%,第二部分为学生实验操作成绩,占总成绩的20%,第三部分为对实验的总体理解学习成果,以课堂提问及实验报告的形式进行考核,占总成绩的70%。部分实验课程安排开放型实验,运用已学的实验及理论知识制定具体要求,由学生自行选题,在规定时间内进行实验方案设计并实施。最后以论文形式结课。综合评定学生成绩。调动学生学习积极性,培养学生自主解决问题能力及创新能力。

四、结语

材料科学与工程学院刚刚成立两年,作为一个新专业,无机固体功能材料实验室的建设还有很多需要进一步发展和完善的地方。我们将秉承以培养专业特色人才为原则,加快加强实验室建设,在实验室硬件、教学方法、教学手段、教学内容上不断摸索进步。随着材料科学基础实验室的建设工作逐步完善,材料科学与工程专业的学生能够得到与专业相关的动手能力的培养,使学生将专业理论知识与实践内容有机的结合,形成对自身所学专业更为直观、更为形象、更为深刻的认识。既能培养学生理论与实践相结合的能力,又能训练学生在实践中动脑思考的能力,让本专业学生得到全方位的训练、拥有更为全面的材料科学与技术的技能。在他们走出校门进入、社会之时,拥有更强的竞争力,成为有用的的高水平高素质材料科学与技术的开发和建设人才。

作者:王珊 路大勇 韩丹丹 单位:吉林化工学院 材料科学与工程学院

无机固体功能材料实验室建设责任编辑:杨雪    阅读:人次