材料化工类应用型人才教育与实践的探索研究

弓丽华,巩飞龙*,杨玄宇,高胜国,王国庆,张永辉

(1.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院,河南 郑州 450001 ; 2.汉威科技集团股份有限公司,河南 郑州 450001)

材料合成与制备作为材料化工专业的一门重要专业课,是理论和实践并重的课程,起到承上启下的串联作用,对学生后续知识的衔接、综合能力和思维方式的培养至关重要。在教学过程中,结合21世纪材料科学发展趋势,参考最新的科研文献,结合目前新型材料制备方法的发展概况、基本原理、设备操作以及工艺方法和技术流程,融合现代信息技术,将材料学、化学、物理学等学科内容融入材料合成与制备课程中,启发学生将材料合成原理与生产实践理念有机结合,适应以专业实践为导向、重视应用能力的培养特点[1-3]。基于此,文章结合实际案例“VOCs气体传感器敏感材料设计与开发策略”,对如何培养适用于社会需求的应用型研究生进行探索。

1 案例教学的选取

传感器是我国“强基工程”的核心关键部件之一,其应用领域属于《十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》的战略新兴产业链之一,是推动经济社会发展的重要引擎。然而,由于气体传感器制备工艺和材料自身的不稳定性,以及各个行业对敏感分子检测的更高要求,导致目前气体敏感薄膜兼容制造技术及产业化平台技术中存在选择性差、稳定性不佳和一致性低等关键共性问题,以上问题严重制约了气体传感器的应用。气体传感器敏感薄膜的制备是一个极为复杂的工程问题,关键影响因素有:敏感薄膜关键材料的微纳结构设计与合成、传感器组装的工艺设计及封装测试等关键技术。

郑州轻工业大学材料与化学工程学院与汉威科技集团股份有限公司合作共建“智能气体传感器工程技术中心”研发平台,具有传感器敏感膜材料合成、加工和器件组装的全链条研发能力。结合授课教师的研究方向以及与企业合作的研发平台,在讲解材料合成与制备课程中,引入“VOCs气体传感器敏感材料设计与开发策略”案例教学,从如何将经典材料的合成理论与气体传感器敏感材料的前沿设计技术有机结合出发,探究高性能VOCs气体传感器敏感材料设计策略,指导稳定性和一致性高的敏感材料研发。在课堂传授材料合成理论知识的基础上,启发学生将材料合成原理与生产实践理念有机结合,提高学生应用材料合成理论知识综合分析工程问题的能力。本案例教学的选取依托以上优势,为应用型人才的高质量培养提供参考和思路。

2 学生选取与分配方案

案例教学涉及到实验室实操和企业实地观摩,是对材料合成与制备课程教学模式的初步探索,学生不易选取太多。此次案例教学选取对象为郑州轻工业大学材料与化学工程学院2019级研究生,材料化工专业学生共15人,采用小班授课。将学生随机划分为5个小组,每组3人,推选出一位组长,负责本组的集体活动。

3 案例教学的实施

3.1 课堂教学

通过具体的案例教学分析,将基础课程与国家的发展,面临的困难,实际的需求,前沿的研究相互结合,引导学生从材料的基础理论知识出发,思考问题的由来,以及理论在实际中的应用是如何体现的。同时激发学生的主观能动性,调动学生的学习兴趣,潜移默化地提高学生运用理论知识分析并解决实际工程问题的能力,使学生分析解决问题的能力螺旋式上升,培养学生的创新精神和实践能力,促进理论教学与专业实践的有机结合。

“VOCs气体传感器敏感材料设计与开发策略”案例教学的建设,从材料设计、工艺优化、性能评价和生产实践四个维度出发,根据气体传感器的生产实践,结合理论教学内容,以材料合成方法的基础理论指导高性能VOCs气体传感器的设计与开发。促使学生运用自己所学的知识,通过深入细致地分析,解决实际工作中的问题,做到“做中学,学中做,教学做一体化”。“VOCs气体传感器敏感材料设计与开发策略”案例教学的内容框架见图1。

图1 “VOCs气体传感器敏感材料设计与开发策略”案例教学的内容框架

教师在授课过程中,将结合图1的案例教学内容框架,以气体传感器市场需求为牵引,基于教学目标、生产实践、学生对课程的期待和教学内容进行教学计划设计。采用线上线下相结合的教学模式,线上为学生提供丰富立体、形象生动的课程资源,如视频、PPT、练习题、章节测试题、考试、讨论等形式。实现测验结果与知识点精准对接,有针对性地进行学习和训练;同时进行线下翻转课堂、专题讨论、学生讲授等多种教学方式方法,将企业所面临的实际困难与基础理论知识相融合。提出企业需求,引导学生结合所学的材料合成与制备基础知识,广泛调研国内外重要前沿文献,设计相关材料的具体合成步骤,针对教学案例分组讨论和互评,最终结合实验室的科研条件,找出最合适的合成方案,从而增强学生的学习信心,提高分析问题和解决问题的能力。

3.2 车间实践

带领学生进行生产车间的实地观摩,初步完成实践过程中敏感膜的流水线制备和器件生产。与企业保持产学研合作,签订《VOCs和甲烷气体传感器敏感膜材料开发》技术开发战略合作协议。本案例教学以此为依托,委托企业高级工程师带领学生深入“三防”车间(防霉菌、防潮湿、防盐雾)实地观摩,利用合成的材料在流水线进行小批量敏感膜生产,制作了对乙醇和三乙胺气体敏感的气敏元件和传感器,并送至具有检测资质的公司对学生完成的产品进行检测,部分器件的检测结果符合国标要求。该案例部分严格按照材料生产、器件制作和场景应用的全套实践进行,这种教学模式极具吸引力,一方面极大地提高了学生的学习兴趣,另一方面促使学生快速适应企业,实现学生的高质量培养。

3.3 能力培养目标

该案例教学将当前VOCs气体传感器敏感材料的发展需求,传感器企业面临的卡脖子技术难题与材料合成与制备基础理论教学内容相互融合,以培养加深学生对于材料合成基础理论的理解为目的,培养学生的大国工匠精神,鼓励学生主动参与教学活动并提出自己的观点,培养学生的创新意识和能力。从而提高学生应用材料合成理论知识对目标案例的具体生产工艺进行分析、计算和优化的能力,提高学生应用材料合成理论知识综合分析工程问题的能力,提高学生解决实际问题的创新思维,强化学生解决实际工程问题的工程理念,培养学生的工程意识。

3.4 建立过程性评价机制

在教学计划执行中,采集学生学习数据,按照规范的评估方法对学生材料合成、器件组装、阶段性测试等成果进行评估。基于评估结果,总结教学阶段性经验,改进教学计划,教师在每一轮教学结束后总结授课经验及学生学习特征,对以后的课程教学进行优化设计和改进,建立了案例教学与学习评估结合的持续改进评价机制,学生基本掌握了材料可控合成、敏感膜的制作及传感器性能评价的整套流程。过程性评价机制流程:线下预习→课堂讲授→确定方案→组间讨论和互评→材料合成→器件组装→性能测试→教师实施过程评价。

3.5 案例教学取得成效

通过对参与此次案例教学的学生进行跟踪回访,在多个领域取得了明显成绩,主要分为以下两个方面:①入职单位。分别入职中石化公司石油工程技术研究院、宁德时代等国内知名企业,大部分毕业生目前已在公司研发、生产、质控等部门担任重要职务。②毕业后攻读博士学位情况。部分学生毕业后选择继续攻读博士学位,录取单位包括中国科学院、南京大学、北京师范大学、南京理工等国内知名高校。

案例教学在材料合成与制备课程中进行了初步尝试。根据材料合成实践性强的特点,结合任课教师的科研项目及企业的具体需求,后期也设计了一些其他的案例教学内容,如“氧化锌基敏感膜材料的构筑及其室温乙醇传感器的开发”“水热法制备氧化锡基多元复合材料及其在室内甲醛气体的实时监控”等。

3.6 总结

建立“理论学习-实验探索-企业实践”一体化人才培养模式。在案例教学中给定具体应用对象和指标,充分调动学生的自主学习能力,利用材料合成相关理论和查阅相关文献,制定材料设计和合成的方案,进行相关方案的具体实施,在实验室完成器件的组装和性能测试,并积极与企业对接进行实践和应用,探索新型培养模式。

加强工程实践能力以及技术创新能力的培养,坚持OBE导向建设理念[4]。通过邀请企业负责研发或生产的工程师与学生进行交流,使学生深入了解目前行业关键瓶颈问题和行业发展动向,并带学生深入生产现场观摩、讨论和实践,促进理论与生产相结合。该案例的成功建设,将提供一种以需求牵引为导向,以强化学生解决实际工程问题为目标的高质量示范教学案例,并推广至其他类似课程的高质量讲授。

4 结语

材料合成与制备是材料化工类专业的一门重要的专业课,课程内容丰富且复杂,与多学科交叉融合,实践性非常强,案例教学模式的探索,与企业需求接轨,满足培养高校转型高素质创新创业应用型人才的要求,需要不断地探索,改革和创新,提高学生的求知欲望和学习兴趣,从而使本课程的讲授取得理想的教学效果,为培养出复合型、应用型人才奠定理论实践基础。