基于社会需求导向的地方应用型本科院校“功能材料”课程内容优化与教学实践

郭 丹

成都工业学院材料与环境工程学院 四川成都 611730

面向国家和地方新材料相关领域战略需求和经济建设需求，需要培养具备专业理论与实践能力的复合型人才。为了适应功能材料等战略性新兴产业的迅猛发展，面向国家对功能材料专业人才的需求，国内一部分高校在教育部的审核下设立了功能材料专业，但大部分高校采取重组的模式，建立包含金属、无机非金属、高分子和功能材料等专业方向的材料科学与工程新专业来适应时代的发展和市场对人才的需求。随着科技的发展，学科交叉已成为当今材料科学与工程发展的主要趋势，因此，对材料类大学本科教育也提出了新的要求。作为材料科学与工程新本科专业的专业方向课程，“功能材料”具有很强的学科交叉特点和实用性，通常在大三开设，学生在大一、大二学习了专业基础理论，但并没有就功能材料的功能性原理和应用进行系统学习，还不能够运用所学内容解决与功能材料相关的实际工程问题。采用合适的教学方式，优化“功能材料”课程的内容，使学生既掌握相关基础理论知识，又能够将书本知识运用到功能材料设计、制备、结构性能调控和应用等实际工程问题的解决过程中。

1 紧密联系地方经济结构和产业布局，突出重点，科学合理地优化课程内容

功能材料涵盖的内容相当广泛，而且学科交叉性非常明显。通常可以按不同的方法将功能材料进行分类，按物性分为金属、无机非金属和高分子等功能材料；按具体功能分为声、光、电、磁、热、辐射等功能材料；按应用领域分为电子信息、生物医用、能源环境、航空航天等功能材料[1]。“功能材料”种类繁多，应用面广，因此，在材料科学与工程专业开设的“功能材料”课程不能像在功能材料专业那样有充足的课时将庞大的功能材料系统地讲解给学生，所以需要科学合理地优化改进课程内容的设置。

四川省“十四五”高新技术产业发展规划(2021—2025年)明确了“十四五”时期，进一步发展壮大电子信息技术、航空航天技术、装备制造、新材料技术、新能源及节能技术、生物与新药技术、资源与环境技术、科技服服务业、高新技术改造传统产业和数字经济等重点领域。成都工业学院作为一所以电子和机械为特色的地方性应用型本科院校，依托行业优势，以培养具有现代职业素养、适应四川地方经济社会发展和行业技术进步的工程技术人才为目标。成都工业学院目前在成都和宜宾建有两个校区，按照四川省发展改革委发布的我省五大经济区“十四五”规划，成都工业学院立足“成都平原经济区”和“川南经济区”两大经济区，辐射全川。所以，在专业设置和课程内容的选择上必须首先考虑四川省地方经济结构和产业发展布局的需要[2-5]。重点以国家战略为引导，围绕电子信息、装备制造、新材料、新能源及节能技术等领域，充分发挥成都工业学院的特色优势，为四川省加速发展以高新技术产业为主的现代产业体系培养专门人才，为四川省经济高质量发展提供人才支撑。在成都工业学院材料科学与工程专业的“功能材料”课程中重点设置实践内容：电子信息功能材料及其应用、生物医学功能材料及其应用、新能源材料及其应用和特种功能材料及其应用等四个主题[6-9]。

2 以学生为本，与时俱进，紧跟科学前沿，基于专题式学习的教学实践探索

2.1 电子信息功能材料及其应用专题

四川拥有“万亿级”的电子信息产业集群，政府先后制定了促进“电子信息”“存储”和“传感器”等战略性产业高质量发展的一系列政策措施。由郫都区与高新区共建的“成都电子信息产业功能区”重点打造软件开发、芯片封装、面板显示、5G通信等研发制造基地，拥有Intel、京东方、华为等行业龙头。随着5G技术、人工智能、量子科技和集成电路等产业的发展，对相关功能材料从业人员的需求也将增加。同时，计算机、通信和网络等相关行业对大学生具有很强的吸引力，尤其是材料科学与工程专业的学生对电子信息产业领域所用的功能材料有着浓厚的兴趣。所以，我们在电子信息功能材料及其应用专题中设置光导纤维、半导体材料、超导材料、电子封装材料等电子信息功能材料的课程内容，讲解基本原理，引导学生从实际工程应用需求出发，进行材料的设计、制备、结构性能的优化，以及应用于实践。

2.2 生物医学功能材料及其应用专题

生物医学功能材料是21世纪世界高科技技术的重要组成部分，作为一个战略新兴产业，目前已进入快速发展阶段，预计在不久的将来，生物医学功能材料市场将赶超药物市场的份额，成为一个支柱产业。作为研究人造组织器官和医疗器械的物质基础，生物医学功能材料已然成为材料学科的重要分支，随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料正在成为各国竞争的焦点。四川省早已积极布局生物材料，在成都市高新区大力发展“生物城”，积极引进了“京东方医院”做转化。以“丝丽雅集团”为龙头的宜宾新材料产业集群，积极布局生物基纤维，初步形成了以水刺无纺布为代表的卫生材料产业集群。因此，我们在实践生物医学功能材料及其应用专题时给学生重点介绍有关心、脑血管组织工程支架材料、骨及软骨组织工程支架材料、口腔材料、人工器官材料、微胶囊材料、药物控制释放，以及无纺布等先进生物医用功能材料。引导学生从实际工程应用需求出发，结合材料科学与工程专业的知识，从金属、无机非金属和高分子材料三个不同的方向进行生物医用功能材料的设计、制备、结构性能的优化与实践。

2.3 新能源料及其应用专题

基于电化学原理，可以将存贮在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，即固体氧化物燃料电池，这是一种继水电、火电和核电之后的第四代发电技术。发达国家对于大型燃料电池的研究十分活跃，尤其是作为电池物质基础关键的电池材料，如阳极、阴极、电解质和隔离膜等功能材料已经成为燃料电池规模化应用的关键制约因素。作为一种可持续的绿色能源，太阳能的有效利用技术已经成为世界各国竞相发展的新能源技术，太阳能电池材料是基于光电效应(光生伏特效应)实现太阳能利用的关键新能源材料。目前，太阳能电池材料已经从最初的无机单晶材料发展到陶瓷化合物和有机化合物光伏材料。太阳能电池的转换率也高达40%，极大地促进了太阳能的有效利用。另一方面，氢能源是与太阳能、地热能和风能等同等重要的一种绿色新能源，氢能源的开发引起了各国的极大兴趣。在氢能源的开发利用过程中，氢的存贮至关重要，而贮氢材料是实现氢能源的存贮、运输和使用过程需要的一种关键特殊功能材料。四川省在成都、眉山、自贡和攀枝花等地都重点布局新能源材料产业基地，宜宾本土的“丝丽雅集团”不仅引领生物基纤维和无纺布等传统产业，同时积极布局锂电新材料。尤其是宁德时代的引入，与宜宾市共建宁德时代西南总部、生产基地、产业生态体系、国际培训中心、新能源学院和新能源产业基金，助力宜宾建成世界最大动力电池生产基地，对于新能源材料产业从业人员的需求大增。我们对标新能源材料产业，在此专题实践给学生重点介绍光伏级硅材料、有机光伏材料，以及新型能源存储用的锂离子电池材料、钠离子电池材料、燃料敏化电池材料、相变储热材料、压电和热电陶瓷材料等能源转换与存储材料的基本原理、设计、制备、结构性能优化与应用。

2.4 特种功能材料及其应用专题

特种功能材料是应用于特殊领域的材料，往往具有更多的功能和更高的性能，如重量轻、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、高强度等。特种功能材料多用于军事航天领域，支撑着如通信卫星、导弹装甲、武器雷达、先进战机、坦克潜艇和裂变聚变等军工行业的发展。特种功能材料对国防实力、国防科技及国民经济的发展具有重要推动作用。四川把军民融合发展作为改革创新“一号工程”，特种功能材料已然作为一个重要的落实点。无论是“军转民”，还是“民参军”，对特种功能材料的从业人员都急剧增加。在此专题实践中我们要给学生重点介绍形状记忆合金、磁致伸缩材料、(声、光、电、磁、热和辐射等)敏感材料、传感器材料、隐身材料和永磁材料等特种功能材料的设计、制备及应用。

3 基于社会需求，激发学生学习兴趣，培养学生创新能力的教学效果显著

本课程教学团队从2018年起，先后在四届材料科学与工程专业本科生中讲授“功能材料”课程，选课学生的数量占到90%以上，且学习态度积极，取得了良好的教学效果良好。通过不断优化课程内容，改进教学方法，成功探索出一套适用于地方应用型本科院校材料科学与工程专业“功能材料”教学的“四元三导一对分”的课程资源体系和教学模式。本课程基于社会需求，优化后的内容弱化复杂的基础理论，强化实际工程应用，通过专题式教学设计，启发学生的思路，激发学生的学习兴趣，鼓励学生独立思考，培养了学生分析问题和解决问题的能力。

基于此课程的学习，材料科学与工程专业的学生每年都积极参与各种与功能材料相关的学科竞赛和创新创业项目，仅本课程教学团队年均就被邀请指导各类基于功能材料的学科竞赛和创新创业项目30余人次，包括多项国家级和四川省大学生创新创业项目。在材料科学与工程专业，每年有将近1/4的毕业生进入长虹等四川省内的知名企业，从事功能材料相关工作，服务地方经济。

结语

基于社会需求导向的地方应用型本科院校应立足地方，依托地方行业优势，深刻认识和把握地方经济结构和产业发展布局，发展特色学科，创办特色专业，开发特色课程。以培养具有现代职业素养、适应地方经济社会发展和行业技术进步的工程技术人才为目标，对标功能材料相关产业所涉及的人才需求特点，以人才培养方案和教学大纲为基本，优化精选课程内容，将功能材料领域的科技成果引入课程，构建和完善课程体系，激发学生持续的学习兴趣和内在动力，使学生在牢固掌握功能材料基本理论的同时，又及时了解最前沿的科学发展动态。拓宽学生学习思路和知识面，增强专业自信，提升就业本领，最终实现良好的教学效果与目的。