“功能材料专业”实验教学体系构建及实践探究

温建武　曹林洪　王军霞　李延波　刘桂香

摘 要：功能材料专业作为国家战略型新型产业相关专业，其实验教学体系的合理设计及构建对于提升学生的综合实践创新能力，培养高素质应用型人才具有重要的意义。文章以西南科技大学功能材料专业的实验教学课程体系为例，从公共基础实验、专业基础实验以及专业综合性实验三大模块出发探讨了该专业的实验教学体系的构建基础，并着重针对专业综合性实验模块在教学内容和方法上的设计理念及专业特色进行了有益的探索。

关键词：功能材料；实验教学；实践；设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）04-0083-03

Abstract： Functional Materials Specialty is a specialty related to national strategic new-industry. The reasonable design and construction of experimental teaching system are greatly important to enhance the ability of comprehensive practical innovation and to cultivate applied talents of high quality. Herein， with the example of Functional Materials Specialty in Southwest University of Science and Technology （SWUST）， the construction foundation of the experimental teaching system was discussed from three modules including public basic experiment， specialized basic experiment and specialized comprehensive experiment， especially， focusing on the module of specialized comprehensive experiment， and the valuable exploration has been made on the design concepts and professional characteristics of the teaching content and method.

Keywords： Functional materials； experimental teaching； practice； design

一、概述

功能材料专业是国家大力倡导的战略型新型产业相关专业，从属于材料科学与工程一级学科，沿袭了材料学科实践性较强的特点。在功能材料专业的教学内容体系中，实验教学环节对于培养学生实践能力、理论联系实际的能力以及运用所学知识综合创新的能力具有重要的作用[1-3]。实验教学体系的合理化设计与构建对于增强实践课程授课的效果、培养全面创新的高素质应用型人才具有关键意义。西南科技大学功能材料专业于2012年成立，隶属于材料科学与工程学院，其办学历史源于学院1999年材料科学与工程专业下设的电子信息材料专业方向。多年来，功能材料专业在学校学科建设的大力支持下，经过不断的探索改革，其实验教学内容体系在模块化建设的基础上逐步得到完善，尤其是在专业综合性实验模块的教学方面形成了具有一定特色的专业综合训练体系。

二、功能材料专业实验教学课程体系构建

西南科技大学功能材料专业的实验课程是基于模块化建设下的实验教学体系，主要分为公共基础性实验、专业基础性实验和专业综合性实验三大模块。

（一）公共基础性实验模块

公共基础性实验模块主要包括《无机及分析化学实验》、《物理化学实验》、《大学物理实验》、《电工电子学实验》、《计算机基本技能训练》四门实验课程，其中，除《电工电子学实验》为课内实验外，其余三门实验均为独立的实验课程。由于功能材料学科作为一门高度交叉性工科学科[4]，该学科的发展和科学研究可能涉及物理、化学、生物等多方面的知识的融合，因此我校该专业公共基础性实验开设的目的主要是为了让学生掌握基本的物理、化学、分析、电路及计算机方面的必备操作技能及理论知识。

（二）专业基础性实验模块

专业基础性实验模块的主要目的是为了让学生更加深入地理解功能材料学科所必需的基础理论知识，掌握功能材料学科所需的研究和开发新型功能材料的基本技能。该模块主要包括《材料科学基础实验》、《半导体物理实验》、《材料合成与制备技术实验》、《现代分析测试技术实验》、《电子材料测试技术实验》、《计算机在材料科学与工程中的应用实验》六门实验课程。该模块内容的设计思路，首先让学生掌握材料学科的基础知识（如《材料科学基础实验》、《半导体物理实验》等），然后从材料的制备（如《材料合成与制备技术实验》）到材料的表征（如《現代分析测试技术实验》、《电子材料测试技术实验》）再到数据的处理与模拟计算（如《计算机在材料科学与工程中的应用实验》），使学生分段式掌握材料研究和开发自上而下各个环节的实践知识。该模块内容的实验课程多数采用独立设课方式授课，由材料实验中心负责系统授课和考核，使实验课程既与理论课程联系，但不依附于理论课程，增加实践技能的系统性和关联性，提高实践课程的教学效果。

（三）专业综合性实验模块

专业综合性实验模块开设的主要目的是为了培养学生运用所学知识和实践技能从事新型功能材料的科学研究以及项目开发的综合应用能力以及创新能力。我校功能材料专业综合性实验模块主要包含《半导体工艺实验》和《功能材料专业综合实验》两门课程。

《半导体工艺实验》课程是在学生综合学习功能半导体工艺及薄膜制备相关理论课的基础上，开设的半导体工艺及薄膜制备工艺认知的一门综合实验课程。该课程实验项目的设计思路主要是让学生在掌握半导体光刻工艺的基础上，了解并且理解几种常见的薄膜制备工艺原理。

《功能材料专业综合实验》课程是功能材料专业开设的学位必修课，是在学生修完所有的专业基础课和专业课的基础上开设的专业综合实验，设立的实验项目类型以综合性、设计性为主。本实验课程的目的主要是使学生对所学的理论课程知识达到融会贯通的目的，对专业知识有较为深刻的理解和认识，培养学生综合运用专业知识及创新的能力。因此，在功能材料专业整个实验体系的设计上，本门实验课程是在前期专业基础实验模块化学习的基础上开设，在前期掌握了功能材料电、磁、热、光等性能的基本测试和表征手段之后，针对特定功能材料形式综合运用以往所学知识而进行开发。

三、功能材料专业综合性实验模块的内容设计及实践

西南科技大学功能材料专业综合性实验模块经过多年的学科建设及实践，通过不断的改革创新，在教学内容和教学方法上形成了具有较强综合性和专业特色的综合实验教学体系。

功能材料专业综合性实验模块设置有《功能材料专业综合实验》和《半导体工艺实验》两门综合实验课程。在实验项目的内容设计方面，《功能材料专业综合实验》课程目前设置有“功能氧化物粉体材料制备（液相法）及基础性能表征”、“功能薄膜材料制备（旋涂法）及基礎性能表征”、“功能压电陶瓷制备（固相法）及基础性能表征”和“小型功能器件的制备组装测试”四个综合设计类实验项目。《半导体工艺实验》课程目前设置有“半导体光刻工艺”、“热蒸发镀膜工艺”、“磁控溅射沉积薄膜工艺”、“微波等离子体化学气相沉积薄膜工艺”四个实验项目。两门综合实验课程开设的实验项目在内容上可以起到相互补充，相互促进的作用。

（一）“三类三段”递进式综合实验训练体系

基于功能材料的性状分类，针对功能材料的三大形式：粉体、薄膜与块体材料，分别设置了独立的综合实验项目，内容涉及功能氧化物粉体、功能薄膜以及功能压电陶瓷块体三类材料的制备及基础性能表征，最后，在此基础上，拓展到“功能器件制备、组装、使用性能测试”的设计创新类实验，实现了从“原料”到“功能材料”再到“功能器件”使用的三段式训练，使学生对材料学科关键理论和实践知识实现了自下而上的认识和理解，切实有效地培养了学生综合实验设计能力和综合创新能力。

（二）覆盖知识点全面，综合训练程度高，实践应用性强

第一，在粉体、薄膜、块体三大类材料的“原料-材料-器件”三段式综合实验训练过程中，实验内容覆盖了材料学科的合成与制备、组成与结构（扫描电镜观察微观结构、X射线衍射测试晶体结构等）、性质（密度、导电率等）以及使用性能（储能、压电性能等）四要素。

第二，材料的合成与制备在功能材料学科体系中具有非常重要的地位，为了让学生掌握更全面的合成方法，我们基于材料合成方法的三大分类（液相法、固相法、气相法），在粉体、薄膜及块体材料的制备及基础性能表征的三个独立的综合实验中，分别采用了液相法制备粉体和薄膜材料，采用固相法制备陶瓷块体材料，采用旋涂法制备薄膜材料，而气相合成法在《半导体工艺实验》中的几种利用大型仪器镀膜的实验项目（如热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积镀膜实验）中都有涉及。

第三，针对学生未来作科学研究及项目开发的需求[5]，每个独立的综合实验项目的所涉及的内容，都包含从前期文献调研出发到实验方案设计、材料制备、结构表征以及基础性能检测在内的整个流程，使学生在查阅和总结文献、实验方案设计及论证、材料制备的工艺方法以及性能检测的方法等每个阶段都能得到相应的训练，有助于学生对功能材料的研究或开发流程有全面深入的理解，达到融会贯通的效果，切实培养了学生独立开展科学研究课题或项目开发的能力。

第四，专业文献的调研及阅读对于学生掌握最新的科研进展具有重要意义。学生在理论课学习的过程中，对于文献调研方面的训练还存在不少问题，第一，文献调研训练机会比较少；第二，专业文献的阅读方法及有效信息的快速获取尚缺乏经验；第三，阅读的文献往往集中在中文文献，而对于英文文献的查阅方式、技巧及阅读方法的掌握还有待进一步提高，而我们知道要保持对于最新科研进展的了解和掌握，学会定期阅读英文文献是必不可少的。

针对专业文献调研方面目前存在的问题，我们在综合实验项目中加入了文献调研的环节，在综合实验项目的实施过程中，把综合实验中的文献调研环节提取出来单独组织一次文献调研的实验项目训练。通过在电脑机房，利用微软Netmeeting软件会议模式，实现老师主机控制端与学生显示终端共享屏幕。首先，老师现场讲解并演示文献查找方式和文献阅读方式，尤其是英文专业文献的查找及阅读方式，详细介绍几个常用文献数据库（美国化学会、英国皇家化学会、Web of Science、Elsevier、Wiley、Nature、Science）的背景、查阅方式以及其各自的经典期刊、主打期刊及各自期刊的特点，并以关键词举例的方式现场演示。然后，要求学生在规定的时间内对给定的课题，在不同的数据库中各查找一篇相关的英文文献，并经过阅读文献后，设计出一份合成给定目标材料的实验方案。该文献调研实验项目的开设，旨在培养学生的英文文献调研能力及快速获取关键信息的能力，在该文献调研实验项目的实施过程中，尽管学生在实验训练过程中感受到快速查阅英文文献的难度及压力，但是最终完成设计方案后还是收获良多。多数学生表示该实验项目的训练在很大程度上提高了其在专业文献查阅尤其是英文专业文献查阅的能力，开阔了科研文献信息获取的思路，为其后期毕业论文的开展奠定了一定的基础。

（三）兴趣式教学

在实验课程的授课过程中，能够激发学生的主动式学习兴趣对于授课的效果具有重要的帮助。但是，在功能材料的实验课体系中，由于专业课程内容的理论性较强，内容比较枯燥深奥，前期大二、大三阶段的实验多以为验证某个定理而设置的验证型实验为主，往往很难引起学生的兴趣。在综合实验项目授课过程中，我们在液相法制备功能粉体实验中，采用了柠檬酸盐或甘氨酸盐燃烧法来制备粉体，实验中低温燃烧产生火焰的现象能够在很大程度上激发学生的兴趣，而实验考核环节中，我们将实验视频的拍摄作为一项考核要求，更增加了学生的积极性和主动性，给学生留下非常深刻的印象。另外，在器件制作实验中，多数学生在实验之前就怀着高度的兴趣，学生在利用自己亲手从原始化学原料制备的材料组装成锂离子电池并且能够现场点亮LED灯时，多数学生都怀着满满的幸福感和成就感，收到良好的教学反馈效果。

兴趣式实验教学是兴趣教学和实验教学的结合。兴趣式实验教学模式的设立，尤其是兴趣式实验教学元素的多点开发，可以有效培养学生的实验及科研兴趣，激发学生探索式学习的动力，启发学生的创新性思维，调动学生的实验积极性，培养学生对于实验现象的主观思考、观察和深度分析能力，有助于激活实践教学课堂的活力，可以使学生更为积极主动的参与其中，带着兴趣做实验的同时，可以收获更加切实、丰富、可塑并可转化和利用的实验知识，巩固和强化对理论知识的理解，对于学生的实验效果具有非常积极有效的促进作用，大大提高了实验教学的效率。

（四）科研成果转化实验教学，增强教学内容的前沿性

在开发新的综合实验项目过程中，我們注重最新科研成果与实验教学的结合，对于本专业最新的科研文献（进展）保持追踪，并对最新进展内容评估其引入实验教学的难易度及可行性，及时将其引入本科实验教学中，如：我们根据文献报道的一种非常新颖的材料合成方法——热引发聚合物凝胶法，认为该方法在本实验课程中实施可行度高，并将该方法成功引入到综合设计类实验项目“功能氧化物粉体制备及基础性能表征”中；这样，在实际教学中，既能够使最新科研成果更快应用到教学中去，也使学生能够了解且动手验证并掌握最新的科研进展；在提高教学质量方面，保证了实验教学内容的前沿性，实现了高效的科研成果服务于教学，加强了教学和科研的相互促进、融合及统一。

四、结束语

功能材料专业模块化实验教学体系的构建对于渐进式培养学生的动手能力和创新能力具有重要意义。在专业综合实验模块的建设方面，西南科技大学功能材料专业经过多年探索实践构建的递进式综合实验训练体系，覆盖知识点全面，注重兴趣式教学，并重视将科研成果与教学的结合，具有综合训练程度高、实践应用性强的特点，在教学内容和教学方法上形成了具有较强综合性和专业特色的综合实验教学体系，切实培养了学生的专业综合创新能力。

参考文献：

[1]张爱英，李树奎.以创新人才培养为导向的“功能材料实践创新基地”建设[J].实验技术与管理，2014（8）：215-217.

[2]崔建军，万桂怡.材料学科实验教学体系改革的思考与实践[J].实验技术与管理，2012（3）：138-140，143.

[3]贺格平，薛建锋，尹洪峰，等.功能材料专业人才培养模式探索——基于国家战略性新兴产业[J].新西部（理论版），2015（08）：135+129.

[4]丁明烨，余华，陈大钦.功能材料专业课程教学模式改革与实践[J].教育教学论坛，2016（22）：120-121.

[5]王显威，朱倩倩，王小二，等.功能材料专业研究型实验教学模式探索[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：184-186.

[6]董爱娟，高蕊，丛中笑，等.基于创新性人才培养的材料专业实验教学改革[J].高教学刊，2016（22）：148-149+151.

[7]刘桂香，李延波，王军霞，等.工程教育专业认证导向下材料类专业实验教学方法和评价方式的改革探索[J].高教学刊，2016（19）：129-130.