电子陶瓷材料专业人才培养体系的构建与实践

侯育冬， 郑木鹏， 朱满康， 王如志， 严 辉， 崔素萍(北京工业大学 材料科学与工程学院， 北京 100124)



电子陶瓷材料专业人才培养体系的构建与实践

侯育冬， 郑木鹏， 朱满康， 王如志， 严 辉， 崔素萍
(北京工业大学 材料科学与工程学院， 北京 100124)

电子陶瓷材料是电子信息工业的基石，作为交叉学科在材料科学与电子信息工程领域中占有极为重要的地位。由于我国高等工科教育长期固守传统材料学科架构，缺乏对电子陶瓷材料教学体系的有效建设。为此，基于地方高校电子信息材料教学与科研平台，从完善本科生与研究生两级课程教学环节、设计与运行多媒体互动教学网络、依托科研课题实施本科生导师制和围绕地区产业发展培养研究生创新能力，尝试全方位构建电子陶瓷材料专业人才培养体系。实践表明，该培养体系在提升不同层次学生实践创新能力，培养高端电子陶瓷材料人才方面成效显著，并有望进一步在相关学科中进行推广。

创新能力； 培养机制； 教学体系； 电子陶瓷材料

0 引 言

在人类社会的第三次技术革命中，以电子信息产业为代表的高科技产业异军突起，在整个国民经济中占据越来越重要的地位，并逐渐成为整个社会最重要的支柱产业。作为电子信息工业基石的电子陶瓷材料是指检测、转换、耦合、传输及存储电、光、声、热、力、化学和生物等信息的介质材料，是构建电子元器件的核心[1-2]。随着高新技术在新世纪的快速发展，电子陶瓷材料的发展也趋向于多层化、低维化、复相化、织构化和多功能化。但是，作为当今材料科学中的重要分支，与已经成熟的传统材料(金属材料、结构陶瓷、复合材料等)学科相比，电子陶瓷材料具有发展历程短，多学科交叉，工艺性强的特点。国外对电子陶瓷材料专业的开设伴随着20世纪40年代第一个铁电陶瓷材料——钛酸钡(BaTiO3)的发现就已产生，并逐步形成了以美国宾西法尼亚州立大学材料中心为代表的世界著名研究与教学机构。而在我国，由于长期固守传统材料学科架构，陶瓷材料教学中结构陶瓷内容偏多，功能陶瓷，特别是新兴的电子陶瓷教学内容偏少，且缺乏相关教学体系的有效建设，由此导致的专业人才的匮乏极大制约了与该类材料密切相关的新型电子陶瓷材料与元器件的研发，并直接影响到我国电子设备整机的民用与军用装备水平[3]。

1 培养体系的构建

针对国家中长期教育改革和发展规划中提出的高素质专门人才和拔尖创新人才的培养目标要求[4]，面对国家对新型电子陶瓷材料与元器件的重大需求，北京工业大学电子信息材料学科结合自身科研特色，依据“厚基础、重特色”的专业人才培养和教育教学主导思路，从专业课程体系设计、教学网络平台建设、推行本科生导师制和凝炼学科特色培养研究生创新性四方面全方位构建电子陶瓷材料阶梯式专业人才培养体系，并进行了系统实践。

1.1 专业课程体系设计

电子陶瓷材料专业课程体系分为本科教学和研究生教学两个层次。

本科教学环节，“电子陶瓷材料”作为电子信息材料学科的必修专业课和主干模块课程，在大学三年级开设，前期的基础课程包括“材料科学基础”和“材料工程基础”。针对现有专业课培养方案中存在模块课课时少(32学时)，教学内容多，理论与实践脱离的问题，对现有课程体系进行改革势在必行。我们一方面在“电子陶瓷材料”原有理论课程中加强基础教学，从材料、性能、应用的角度出发，以钙钛矿结构与电极化机制为两条主线索，着重介绍电子陶瓷材料的基本特性及其应用范围，重点突出满足社会重大需求的介电、铁电与压电陶瓷材料及其器件相关内容讲述。另一方面，我们应用研究型综合实验设计思想，修订现有培养计划[5-7]。增设“电子陶瓷材料实验”实践教学课程，对理论教学内容进行有效补充。系统编制实验教程，撰写实验指导书并录制实验操作视频。采用研究型实验的设计思想，设计了五个既相互独立，又相互关联的电子陶瓷材料实验，包括：实验一，电子陶瓷粉体制备；实验二，电子陶瓷成型与烧结；实验三，电子陶瓷表面金属化；实验四，电子陶瓷人工极化和实验五，电子陶瓷性能测试。根据模块课小班教学特点(≤30人)，采取目标导向型小组模式分类(以5个独立电子陶瓷目标体系为导向进行分组，以组为团队，每组6人并设组长1名，研究生助教1人)和责任教授分阶段考核等方式增强学生独立实践能力与团队协作能力。图1为本科生进行电子陶瓷材料分组实验。通过“电子陶瓷材料”实验课程的开设与运行，使学生能够在前期学习理论课程的基础上，做到理论联系实践，全面深入地掌握电子陶瓷制备工艺流程及其材料各项性能的表征方法，实现专业实验课程的改革从演示验证实验到自主研究实验的转变，从被动灌输教学实验到主动寻知求学的拓展试验转变和从以往实验员“单兵教练”到由责任教授负责的高水平实验教学团队的实验教学实施模式的转变。

粉体造粒

干压成型

陶瓷抛光

密度测量

煮坯装片

烧结瓷片

烧渗电极

高压极化

研究生教学环节，我们针对本科生课程与研究生课程的衔接问题，特别是选课研究生生源的多样化和参差不齐的基础，对学术型研究生课程“先进陶瓷材料”的教学内容进行全面修订。适当加强导论部分的学时数，着重基本概念的讲述和重要公式的推理，以期在短时间内使不同学科背景的学生均能够掌握先进陶瓷材料的基础知识。进一步，在功能化陶瓷材料的教学内容选择上，教师结合自身的科研探索，将先进陶瓷领域的前沿与发展动态引入课堂，将科研成果转化为教学案例，引导学生掌握先进陶瓷材料结构设计的精髓，使学生的知识更新始终走在领域发展的前列。此外，对于“先进陶瓷材料”课程中涉及的复杂设备工作原理和材料制备的特种成型与烧结工艺过程(例如流延成型技术，多层陶瓷共烧技术和放电等离子烧结工艺等)，采用多媒体动画技术进行解析与演示，提升同学们对于教学难点的理解，获得了良好的教学效果。另外，针对专业硕士工程化的培养目标，我们还相应开设“电子陶瓷材料与工艺”课程，从工业制造角度，以新型陶瓷材料设计与电子器件匹配为核心，通过专题报告与课程实验模式，提升学生工程实践能力，为后续专业硕士进入企业从事工程类型课题研究打好基础。

1.2 教学网络平台建设

网络教学是新的数字化教学模式，与课堂教学具有互补功能[8-9]。电子信息材料学科利用现有理论计算中心计算机服务器等硬件装备，组织学科教师与学生共同参与构架网络教学平台，拓展虚拟互动教学模式。教学网络平台(http://qmlab.bjut.edu.cn/edu/)有效实现课程教学大纲和电子教案的共享。已发布的电子陶瓷材料教案(见图2)被校内外师生和同行(包括一些高新技术企业)下载用于学习与教学。

图2 “电子陶瓷材料”课程电子教案

此外，在教学内网中设计了电子陶瓷材料实验设备使用网上预约管理系统(见图3)，实现学科开放实验室内所有合成与测试设备预约数字化。该管理系统既方便电子陶瓷材料专业教师对于实验设备的高效管理，也有利于实验教学中本科生和研究生及时预约相关仪器设备，开展科学研究。为了加强师生互动，我们还在教学网络中建立电子陶瓷材料专业论坛，由学科责任教授担任版主，定期发布领域内热点聚焦和工业应用实例，并通过版主引导学生与教师、学生与学生之间针对课程难点与学术问题展开网络论坛互动。电子陶瓷材料专业论坛具有前沿性，知识性和趣味性，有效培养了学生积极思考与主动学习的能力。此外，论坛还以量子币这种虚拟货币形式对积极参与互动交流的学生进行奖励，并阶段性统计兑换奖品，激发学生网络学习热情。经统计目前校内外注册会员已近千人，点击量在同类专业教学版块中遥遥领先。其中，仅发布的环保型无铅压电陶瓷材料——铌酸盐基陶瓷教学讨论一个专题的点击量就已经接近两万，并收到数百个校内外回复。

图3 电子陶瓷材料实验设备使用网上预约管理系统

1.3 本科生导师制推行

电子陶瓷材料学科方向建成有完整配套的材料制备—表征—检测实验平台，除承担本方向的科学研究与实验教学任务外，所有设备还全面对本科生开放。学科自2007年起推行本科生导师制，以满足学生个性化发展需求为基础，依托创新学分改革和学业辅导培养计划，由责任教师根据学科领域和在研科研课题，安排低年级(一二年级)本科学生进行科研实践，并由研究生进行辅助指导。本科生导师制充分发挥了课堂外“导学”对课堂内“教学”的补充作用，实现学生实践能力培养的两个转变：从单项技能训练实验到目标导向的电子陶瓷材料设计、制备与加工、材料结构与电学性能研究一体化综合能力培养的转变，从课堂知识验证型训练到跟踪学科前沿的研究型训练转变[10-11]。通过2到3年的培养周期，结合中外文献与专利调研、实验方案设计、工艺设备操作、样品测试与数据分析、论文写作等环节，确保学生接受科研过程、科研规律和科研能力的系统训练，深挖学生的学习潜能，提高学生的自主学习能力、独立思考能力和解决问题能力。电子陶瓷材料专业开展的本科生导师制深受广大学生的欢迎，以本科生为科研骨干完成和撰写的论文，相继发表在美国陶瓷学会志，应用物理快报和材料物理与化学等本领域核心SCI学术刊物上，得到国内外学者高度评价。多人因本科科研经历和高学术水准而保研或获得全奖进入国外高水平大学继续学习与深造。

1.4 研究生创新能力培养

研究生教育是电子陶瓷材料学科方向上高等教育的最高层次，研究生教育的质量，特别是具有创新能力的研究生培养是衡量本学科方向教学与科研发展水平的重要标志[12-13]。电子信息材料作为北京市重点发展的产业，是北京市经济发展的重要增长点。尽管北京市电子信息材料产业在国内居于领先地位，但相对于欧美等发达国家，依然缺乏对核心关键技术的掌握。相对于下游应用产业来说，上游材料制备技术难度较大，技术门槛高，急需高素质的专业人才。作为北京市属211工程重点工科大学，北京工业大学为地区经济发展服务是其重要使命之一。我们结合地方性研究型大学的发展定位与现有基地条件，将北京市对电子信息新材料产业的重大需求与国际研究前沿相结合，凝炼学科特色，突出面向能源应用的新型电子陶瓷与器件这条研究主线[14-15]，以指导教师为主并强化学科教师组的团队辅助指导功能，在培养中突出建立主动创新意识、完善优秀品质和强化模仿训练环节，全面提升研究生培养质量。在以上工作的基础上，我们还充分利用学校提供的第二课堂科技创新项目支持，积极鼓励和引导研究生基于电子陶瓷材料专业平台申报“研究生科技创新基金”。通过这些项目的实施，锻炼了研究生的项目组织、运行与实施能力，对学科人才培养机制进行了有效的补充。面向能源应用的新型电子陶瓷与器件的研究生培养模式也结出硕果，近年来本方向为北京京东方、中芯国际、有研硅股、中科晶电、七星华创、元六鸿远等著名电子信息材料企业输送了大量毕业生，其中大多数已成为相关企业研发的技术骨干，并有10余名电子陶瓷材料方向的博士生和硕士生相继获得北京工业大学优秀博士学位论文和硕士学位论文，多人获得国家奖学金和校长奖学金。此外，电子陶瓷材料专业的研究生培养坚持“请进来，走出去”的教学指导方针，加强校内外教学交流。目前，学科已经与本领域有影响力的国内外著名高校，包括：美国宾西法尼亚州立大学、东京工业大学、香港理工大学、西北工业大学、北京理工大学、北京科技大学和合肥工业大学等，建立长期教学与科研互助伙伴关系，定期互访，集思广益，共同提升电子陶瓷材料专业学生工程实践能力。学科还充分利用“工程大师论坛”这一品牌栏目，邀请一批科学研究和工程技术领域中在电子陶瓷材料方向上卓有建树的科学家与工程师进行科普讲座，结合他们的人生经历和科研经历，为学生讲述探索科学的执着精神、面对挫折的积极态度以及科学研究的思维和实施方法，激发学生的科研兴趣，树立积极向上的科学精神与勇于创新的科研态度。

2 实践总结与分析

本学科在电子陶瓷材料专业人才培养体系的构建与实践工作中，通过深入研究和分析国内外本专业的发展特征和趋势，结合本校材料科学与工程大学科专业设置特点，逐步完善和细化了具有基础性、学术性、系统性和前瞻性特色的本科与研究生两级课程体系，实现理论教学与实践教学的平衡发展。另一方面，设计并成功运行电子陶瓷材料网络教学平台，有效实现教学资源与教学手段的数字化。教师与学生利用专业论坛，充分进行教学难点的讨论与互动，有效激发学生的学习热情和对本领域前沿及工业化应用成果的认知。此外，教师科研活动直接为本科生培养服务，基于本专业具有国际领先的电子陶瓷合成与测试平台以及教学团队中的大多数老师承担有国家和省部级科研课题这些有利条件，本学科积极推行本科生导师制，引导低年级的本科生在课堂学习之余，进入实验室在导师的指导下从事科学研究。这种系统的课外实践活动在提高本科生自主学习能力、团队协作能力和科研创新能力等方面成效显著。针对研究生层次的培养，我们凝炼学科特色，以国家和北京市对电子信息新材料技术与人才的需求为导向，以高新技术研究为驱动力，突出面向能源应用的新型电子陶瓷与器件的研究主线，并强化指导教师为主，团队教师为辅的团队指导功能，从理论水平和实践创新两方面提升研究生培养质量，形成电子陶瓷材料专业研究生培养优势。以上这些教学成果应用于培养学生的实践表明，不同层次学生主观能动性和综合设计、分析与解决问题能力方面有明显提高，专业知识面拓宽，受到人才市场的广泛认可和欢迎，并逐步形成北京工业大学电子陶瓷材料专业的教学特色。

3 结 语

相对于传统学科，电子陶瓷材料这门新兴学科的培养体系并不完善，急需进行有效构建以提升不同层次学生的科研实践能力。本文结合地方高校学科实际，从专业课程体系设计、教学网络平台建设、本科生导师制推行和培养研究生创新性四方面构建电子陶瓷材料阶梯式专业人才培养体系，并且通过近5年的运行，取得一定成果。但是，电子陶瓷材料学科作为交叉学科和新兴学科，人才培养模式改革目前仍然还处在起步阶段，还需在教学实践中不断积累和摸索经验，以为国家培养出更多高素质专业人才。

[1] Moulson A J, Herbert J M. Electroceramics [M]. England: John Wiley & Sons Ltd, 2008.

[2] 沈能珏. 现代电子材料技术: 信息装备的基石 [M]. 北京：国防工业出版社，2002.

[3] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部. 无机非金属材料科学学科发展战略研究报告(2006年—2010年)[M]. 北京：科学出版社，2006.

[4] 顾明远，石中英. 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)解读 [M]. 北京：北京师范大学出版社，2010.

[5] 毛有武，余晓武，谢明立，等. 材料工程开放模式实验教学与实践 [J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(9): 245-247.

[6] 杨一平，李 苹，王贵学，等. 培养学生具有创新素质的实验教学模式探讨 [J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(7): 259-261.

[7] 吴 音，龚江宏，唐子龙. 无机非金属材料实验教学的研究与探索 [J]. 实验技术与管理, 2011, 28(6): 257-258.

[8] 胡 勇. 网络教学中的教师角色实证研究 [J]. 开放教育研究, 2009, 15(2): 92-96.

[9] 严 莉，杨宗凯，刘三女牙. 关于高校教师与网络教学的研究综述 [J]. 电化教育研究, 2009(4): 39-42.

[10] 严 薇, 袁云松. 大学生实践创新能力培养的探索与实践 [J]. 中国大学教学, 2012(9): 78-80.

[11] 王 丽，陈江博，苏雪琼，等. 科研融入实践教学与大学生创新能力培养 [J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(8): 112-114.

[12] 王如志，严 辉. 试论培养研究生主动创新意识的方法与途径 [J]. 中国高教研究, 2006(1): 42-45.

[13] 赵庆年，祁 晓. 研究型大学的基本职责 [J]. 高教探索, 2012(5): 5-10.

[14] 刘 祯，蔡永香. 北京电子信息材料产业发展研究 [J]. 新材料产业, 2012(1): 1-7.

[15] 李永祥. 信息功能陶瓷研究的几个热点 [J]. 无机材料学报, 2014, 29(1): 1-5.

Practice and Construction of Professional Training System for Electroceramic Major

HOUYu-dong,ZHENGMu-peng,ZHUMan-kang,WANGRu-zhi,YANHui,CUISu-ping
(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Electroceramic is the cornerstone of the electronic information industry. As an interdisciplinary major, it occupies a very important position in the fields of materials science and electronic engineering. In China, due to the long stick to the traditional architecture of materials science, it lacks the effective construction of teaching system for electroceramic major. Based on the teaching and research platform of electronic information material in local university, professional training system of electroceramic major has been constructed gradually from the following four parts: improving undergraduate and graduate course teaching plan, designing and operating interactive multimedia teaching network, carrying out the undergraduate tutorial system according to scientific research foundation, and promoting the postgraduate innovation ability centered on the regional industrial development. Practice shows that the training system is effective in enhancing the active practice ability of students and cultivating high-end talents in electroceramics, and the training mode is expected to further extend to other related majors.

innovation ability; training mechanism; teaching system; electroceramic

2014-03-19

北京工业大学教学研究项目(ER2011-B01)；北京工业大学研究生课程重点项目(CR2011-A-006)；北京工业大学师德建设品牌项目；北京工业大学研究生精品课程建设项目(CR2014-013)

侯育冬(1974-)，男，陕西西安人，教授，博士生导师，电子信息材料学科教学责任人，研究方向：电子陶瓷材料。

Tel.:010-67392445;E-mail:ydhou@bjut.edu.cn

TQ 15； G 642.0

A

1006-7167(2015)02-0202-04