专业学位研究生材料高压制备技术教材建设与实践

李尚升 , 李晓晓 , 胡美华 , 胡 强 , 曹新鑫 , 王东斌

(1.河南理工大学 材料科学与工程学院 , 河南 焦作 454003 ; 2.河南理工大学 物理与电子信息学院 , 河南 焦作 454003)

随着我国经济的快速发展,高层次应用型技术人才的需求渐增。我国全日制硕士研究生教育正在从主要培养学术型人才转向更多地培养应用型人才。即专业学位硕士研究生在整体研究生中的占比从2009年的15.9%逐渐增加到2017年的55.68%,2020年更是达到60.83%[1-3]。教育部2020 年发布《专业学位研究生教育发展方案(2020—2025)》强调了专业学位研究生教育的发展目标,即到2025年,以国家重大战略、关键领域和社会重大需求为重点,增加一系列硕士和博士专业学位类别,使硕士专业学位研究生招生规模扩大到硕士研究生招生总规模的2/3左右,专业学位研究生无疑将成为硕士层次研究生教育的主流[1-5]。

经历了超过10年的全日制专业学位硕士研究生的教育改革和进步,专业学位研究生的教育品质确实得到了显著的提升;然而,这种培养方式仍需要进一步的优化和提升。五大核心元素构成了专业学位研究生培养方式,分别是:培养目标、培养组织、培养资源、培养过程、培养评价[2]。这些要素既彼此独立又相互影响,改进、协调并优化这些要素,提高专业学位研究生培养质量是个复杂的系统工程。其中课程资源中的教材建设较为薄弱,即专业学位研究生使用的教材常将学术型研究生教材内容简化教学而已,这直接影响了专业学位研究生偏重应用技术的培养质量。为此,本文重点关注的是专业学位研究生课程资源中的教材建设。

在我校材料与化工专业学位硕士研究生的课程中,材料高压制备技术是一门至关重要的专业课程。这门课程是在材料科学与工程专业本科生超硬材料课程的基础上,对研究生开设的一门专业课,旨在拓宽课程内容的范围。主要目标是让学生掌握多种材料的高压制备技术,借助高压技术提高材料的性能。在专业学位研究生课程材料高压制备技术的教学过程中,对教学团队进行了多项教学改革。即在案例库建设及专业实践示范基地建设的基础上,将思政元素﹑实践案例﹑科技成果﹑科技前沿引入课程教学,这大大提高了教学效果。再加上本门课程没有现成的教材可使用,因此,专业学位研究生课程材料高压制备技术的教材建设是迫切需要的[6-7]。

1 建设背景

1.1 学科背景

材料学科的四个基本要素是组成与结构、合成与制备过程、性质、使用效能,其中组成是由所选取的原料决定的,结构与原料有关更取决于合成与制备过程,原料经过加工成为具有一定结构的材料,因而体现特定的性质,进而具备一定的使用效能。其中材料学科四要素中合成与制备最为关键,直接决定着材料的性质和应用,是材料学科最关注的环节。

材料的制备大多需要高温条件,某些材料还需要压力条件,譬如陶瓷的热压烧结、水晶的水热合成;这些合成的压力都是在数百MPa量级,其压力与金刚石晶体的高温高压合成所需的5.5 GPa的压力相差较大,二者不在一个数量级上。显然,在一定温度条件下增加压力大大增加了材料制备难度,同时,压力条件也为材料制备起到了关键作用。

长期以来,以金刚石和立方氮化硼为代表的超硬材料常用模拟天然金刚石形成的地质条件——高温高压合成方法来制备。随着材料学科的发展,需要提高材料性能或开发材料的新性能,人们采用高压制备技术。材料的高压制备有效地提高了材料原有的性能,开发出新的性能使使用范围逐渐扩大,高压制备技术正成为不可或缺的材料制备手段。为此,2015年河南理工大学材料学院开始在研究生培养方案中开设了这门专业课。

1.2 教材背景

国内材料高压制备技术方面的专著大多集中在超硬材料(金刚石和立方氮化硼)方面,其中仅有少部分教材涉及。目前,没有找到针对超硬材料之外的、包括广泛的材料高压制备技术方面的教材。虽然有较多材料工艺制备方面的教材也包括了高压制备方面的内容,如:1997年张克从主编的《晶体生长科学与技术》和2018年朱继平编著的《材料合成与制备技术》等,这些教材其中部分章节介绍材料的高压制备技术,其中的材料也多是金刚石方面的,其他材料的高压制备内容仅发表在相关期刊杂志上,统一纳入教材内容的尚未得见。因此,材料高压制备技术教材的建设势在必行。

2 建设支撑

既然材料高压制备技术教材的建设势在必行,那么这门课程教材的建设离不开支撑条件。课程从2015年开设以来逐渐形成了稳定的教学团队。将课程思政引入课堂,也将所从事科研项目及教改项目所获得的科研成果及所申请的专业学位研究生培养基地等平台都为本教材建设提供了良好的支撑。

2.1 课程团队及科研成果

课程团队的5位骨干成员均具有博士学位,其中从事金刚石及其制品高压合成的有2位,从事高压合成其他功能材料的3位,团队中有2位年长教师具有5年以上企业工作经验。

本课程的教学团队在过去五年里成功地获得了1项由国家自然基金资助的项目,同时也获得了3项河南省科技攻关项目和4项企业委托项目的支持,还发表了30多篇相关学术论文、获得授权发明专利12项,其中发明专利转让4项。以这些成果为基础申报获批省政府三等奖2项。这些科研成果为材料高压制备技术教材的建设提供了有力支撑。

2.2 基地平台

2016年,河南理工大学材料工程专业学位硕士研究生专业实践示范基地是由材料学院与超硬材料高压合成企业共同创建的[8]。从合作伙伴企业中挑选了具有坚实理论基础和出色实践能力的高级企业技术人才,纳入课程团队,使得本门课程的教学力量得到了加强。

2017年经由材料科学与工程学院高压合成实验室的正式申请,成功地获得了“焦作市功能材料高压制备工程技术研究中心”平台建设的正式批准。这为材料高压制备技术教材的建设提供更优越的条件打下了坚实基础。

2.3 案例库

2018年,申请的河南理工大学材料高压制备技术研究生课程案例库获批立项建设。2020年结项时建设了20个教学案例,同时将其引入课堂获得了较好的教学效果[7]。这些案例加深了研究生对材料高压制备原理的理解,提高了学生解决技术问题的能力,激发了学生的学习兴趣。这些案例进入材料高压制备技术教材必将为教材建设增光添彩。

3 建设特色

3.1 实践案例

本教材案例可从本课程的案例库中选择。课程团队的成员根据各自的研究领域,提供了案例材料以供进一步的讨论。在选择案例材料时要按以下原则进行:①结合针对性与广泛性。在选择案例材料时,既要考虑课程研究的独特性,同时也不能忽视课程的知识结构。②结合典型性与新颖性。所选案例不仅要关注课程中过去的经典研究成果,还需考虑近年来的最新研究成果。③结合稳定性与持续性。教材中的案例应当保持相对稳定,同时也要考虑到更新的需求[7-11]。

根据上述原则,对案例库中资源进行广泛研究和深入讨论,以确定在教材中使用的案例。这些案例需要通过教学实践的检验,并根据学生反馈的意见不断进行改进和完善。所选15个案例见表1。

表1 材料高压制备技术教材所选案例

这些案例既注重典型性、又兼顾广泛性,满足了这门课程的案例教学,获得了好评,取得了较好的教学效果。

3.2 前沿技术

将超硬材料、热电材料、功能陶瓷、复合材料、磁性材料、超导材料中高压制备的前沿技术纳入到材料高压制备技术教材中,让学生接受新的技术培养创新能力的同时激发其学习兴趣,提高学习效果。

4 结束语

材料高压制备技术教材建设可以填补专业学位硕士研究生培养课程资源的不足,提升高水平应用型技术人才的素质,为地方经济发展提供人才保障。期望材料高压制备技术教材建设为专业学位硕士研究生的培养质量提高贡献力量。