基于社會(huì)需求導(dǎo)向的地方應(yīng)用型本科院校“功能材料”課程內(nèi)容優(yōu)化與教學(xué)實(shí)踐

郭 丹

成都工業(yè)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院 四川成都 611730

面向國(guó)家和地方新材料相關(guān)領(lǐng)域戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求，需要培養(yǎng)具備專業(yè)理論與實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。為了適應(yīng)功能材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，面向國(guó)家對(duì)功能材料專業(yè)人才的需求，國(guó)內(nèi)一部分高校在教育部的審核下設(shè)立了功能材料專業(yè)，但大部分高校采取重組的模式，建立包含金屬、無機(jī)非金屬、高分子和功能材料等專業(yè)方向的材料科學(xué)與工程新專業(yè)來適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)人才的需求。隨著科技的發(fā)展，學(xué)科交叉已成為當(dāng)今材料科學(xué)與工程發(fā)展的主要趨勢(shì)，因此，對(duì)材料類大學(xué)本科教育也提出了新的要求。作為材料科學(xué)與工程新本科專業(yè)的專業(yè)方向課程，“功能材料”具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉特點(diǎn)和實(shí)用性，通常在大三開設(shè)，學(xué)生在大一、大二學(xué)習(xí)了專業(yè)基礎(chǔ)理論，但并沒有就功能材料的功能性原理和應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，還不能夠運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容解決與功能材料相關(guān)的實(shí)際工程問題。采用合適的教學(xué)方式，優(yōu)化“功能材料”課程的內(nèi)容，使學(xué)生既掌握相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，又能夠?qū)局R(shí)運(yùn)用到功能材料設(shè)計(jì)、制備、結(jié)構(gòu)性能調(diào)控和應(yīng)用等實(shí)際工程問題的解決過程中。

1 緊密聯(lián)系地方經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局，突出重點(diǎn)，科學(xué)合理地優(yōu)化課程內(nèi)容

功能材料涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，而且學(xué)科交叉性非常明顯。通常可以按不同的方法將功能材料進(jìn)行分類，按物性分為金屬、無機(jī)非金屬和高分子等功能材料；按具體功能分為聲、光、電、磁、熱、輻射等功能材料；按應(yīng)用領(lǐng)域分為電子信息、生物醫(yī)用、能源環(huán)境、航空航天等功能材料[1]。“功能材料”種類繁多，應(yīng)用面廣，因此，在材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的“功能材料”課程不能像在功能材料專業(yè)那樣有充足的課時(shí)將龐大的功能材料系統(tǒng)地講解給學(xué)生，所以需要科學(xué)合理地優(yōu)化改進(jìn)課程內(nèi)容的設(shè)置。

四川省“十四五”高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2025年)明確了“十四五”時(shí)期，進(jìn)一步發(fā)展壯大電子信息技術(shù)、航空航天技術(shù)、裝備制造、新材料技術(shù)、新能源及節(jié)能技術(shù)、生物與新藥技術(shù)、資源與環(huán)境技術(shù)、科技服服務(wù)業(yè)、高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)等重點(diǎn)領(lǐng)域。成都工業(yè)學(xué)院作為一所以電子和機(jī)械為特色的地方性應(yīng)用型本科院校，依托行業(yè)優(yōu)勢(shì)，以培養(yǎng)具有現(xiàn)代職業(yè)素養(yǎng)、適應(yīng)四川地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的工程技術(shù)人才為目標(biāo)。成都工業(yè)學(xué)院目前在成都和宜賓建有兩個(gè)校區(qū)，按照四川省發(fā)展改革委發(fā)布的我省五大經(jīng)濟(jì)區(qū)“十四五”規(guī)劃，成都工業(yè)學(xué)院立足“成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)”和“川南經(jīng)濟(jì)區(qū)”兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)，輻射全川。所以，在專業(yè)設(shè)置和課程內(nèi)容的選擇上必須首先考慮四川省地方經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局的需要[2-5]。重點(diǎn)以國(guó)家戰(zhàn)略為引導(dǎo)，圍繞電子信息、裝備制造、新材料、新能源及節(jié)能技術(shù)等領(lǐng)域，充分發(fā)揮成都工業(yè)學(xué)院的特色優(yōu)勢(shì)，為四川省加速發(fā)展以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系培養(yǎng)專門人才，為四川省經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供人才支撐。在成都工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)的“功能材料”課程中重點(diǎn)設(shè)置實(shí)踐內(nèi)容：電子信息功能材料及其應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料及其應(yīng)用、新能源材料及其應(yīng)用和特種功能材料及其應(yīng)用等四個(gè)主題[6-9]。

2 以學(xué)生為本，與時(shí)俱進(jìn)，緊跟科學(xué)前沿，基于專題式學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐探索

2.1 電子信息功能材料及其應(yīng)用專題

四川擁有“萬億級(jí)”的電子信息產(chǎn)業(yè)集群，政府先后制定了促進(jìn)“電子信息”“存儲(chǔ)”和“傳感器”等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一系列政策措施。由郫都區(qū)與高新區(qū)共建的“成都電子信息產(chǎn)業(yè)功能區(qū)”重點(diǎn)打造軟件開發(fā)、芯片封裝、面板顯示、5G通信等研發(fā)制造基地，擁有Intel、京東方、華為等行業(yè)龍頭。隨著5G技術(shù)、人工智能、量子科技和集成電路等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)相關(guān)功能材料從業(yè)人員的需求也將增加。同時(shí)，計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)行業(yè)對(duì)大學(xué)生具有很強(qiáng)的吸引力，尤其是材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所用的功能材料有著濃厚的興趣。所以，我們?cè)陔娮有畔⒐δ懿牧霞捌鋺?yīng)用專題中設(shè)置光導(dǎo)纖維、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、電子封裝材料等電子信息功能材料的課程內(nèi)容，講解基本原理，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際工程應(yīng)用需求出發(fā)，進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)、制備、結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化，以及應(yīng)用于實(shí)踐。

2.2 生物醫(yī)學(xué)功能材料及其應(yīng)用專題

生物醫(yī)學(xué)功能材料是21世紀(jì)世界高科技技術(shù)的重要組成部分，作為一個(gè)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，目前已進(jìn)入快速發(fā)展階段，預(yù)計(jì)在不久的將來，生物醫(yī)學(xué)功能材料市場(chǎng)將趕超藥物市場(chǎng)的份額，成為一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。作為研究人造組織器官和醫(yī)療器械的物質(zhì)基礎(chǔ)，生物醫(yī)學(xué)功能材料已然成為材料學(xué)科的重要分支，隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物材料正在成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。四川省早已積極布局生物材料，在成都市高新區(qū)大力發(fā)展“生物城”，積極引進(jìn)了“京東方醫(yī)院”做轉(zhuǎn)化。以“絲麗雅集團(tuán)”為龍頭的宜賓新材料產(chǎn)業(yè)集群，積極布局生物基纖維，初步形成了以水刺無紡布為代表的衛(wèi)生材料產(chǎn)業(yè)集群。因此，我們?cè)趯?shí)踐生物醫(yī)學(xué)功能材料及其應(yīng)用專題時(shí)給學(xué)生重點(diǎn)介紹有關(guān)心、腦血管組織工程支架材料、骨及軟骨組織工程支架材料、口腔材料、人工器官材料、微膠囊材料、藥物控制釋放，以及無紡布等先進(jìn)生物醫(yī)用功能材料。引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際工程應(yīng)用需求出發(fā)，結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)的知識(shí)，從金屬、無機(jī)非金屬和高分子材料三個(gè)不同的方向進(jìn)行生物醫(yī)用功能材料的設(shè)計(jì)、制備、結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化與實(shí)踐。

2.3 新能源料及其應(yīng)用專題

基于電化學(xué)原理，可以將存貯在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，即固體氧化物燃料電池，這是一種繼水電、火電和核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于大型燃料電池的研究十分活躍，尤其是作為電池物質(zhì)基礎(chǔ)關(guān)鍵的電池材料，如陽極、陰極、電解質(zhì)和隔離膜等功能材料已經(jīng)成為燃料電池規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素。作為一種可持續(xù)的綠色能源，太陽能的有效利用技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的新能源技術(shù)，太陽能電池材料是基于光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng))實(shí)現(xiàn)太陽能利用的關(guān)鍵新能源材料。目前，太陽能電池材料已經(jīng)從最初的無機(jī)單晶材料發(fā)展到陶瓷化合物和有機(jī)化合物光伏材料。太陽能電池的轉(zhuǎn)換率也高達(dá)40%，極大地促進(jìn)了太陽能的有效利用。另一方面，氫能源是與太陽能、地?zé)崮芎惋L(fēng)能等同等重要的一種綠色新能源，氫能源的開發(fā)引起了各國(guó)的極大興趣。在氫能源的開發(fā)利用過程中，氫的存貯至關(guān)重要，而貯氫材料是實(shí)現(xiàn)氫能源的存貯、運(yùn)輸和使用過程需要的一種關(guān)鍵特殊功能材料。四川省在成都、眉山、自貢和攀枝花等地都重點(diǎn)布局新能源材料產(chǎn)業(yè)基地，宜賓本土的“絲麗雅集團(tuán)”不僅引領(lǐng)生物基纖維和無紡布等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)積極布局鋰電新材料。尤其是寧德時(shí)代的引入，與宜賓市共建寧德時(shí)代西南總部、生產(chǎn)基地、產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系、國(guó)際培訓(xùn)中心、新能源學(xué)院和新能源產(chǎn)業(yè)基金，助力宜賓建成世界最大動(dòng)力電池生產(chǎn)基地，對(duì)于新能源材料產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員的需求大增。我們對(duì)標(biāo)新能源材料產(chǎn)業(yè)，在此專題實(shí)踐給學(xué)生重點(diǎn)介紹光伏級(jí)硅材料、有機(jī)光伏材料，以及新型能源存儲(chǔ)用的鋰離子電池材料、鈉離子電池材料、燃料敏化電池材料、相變儲(chǔ)熱材料、壓電和熱電陶瓷材料等能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料的基本原理、設(shè)計(jì)、制備、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化與應(yīng)用。

2.4 特種功能材料及其應(yīng)用專題

特種功能材料是應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的材料，往往具有更多的功能和更高的性能，如重量輕、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、高強(qiáng)度等。特種功能材料多用于軍事航天領(lǐng)域，支撐著如通信衛(wèi)星、導(dǎo)彈裝甲、武器雷達(dá)、先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、坦克潛艇和裂變聚變等軍工行業(yè)的發(fā)展。特種功能材料對(duì)國(guó)防實(shí)力、國(guó)防科技及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。四川把軍民融合發(fā)展作為改革創(chuàng)新“一號(hào)工程”，特種功能材料已然作為一個(gè)重要的落實(shí)點(diǎn)。無論是“軍轉(zhuǎn)民”，還是“民參軍”，對(duì)特種功能材料的從業(yè)人員都急劇增加。在此專題實(shí)踐中我們要給學(xué)生重點(diǎn)介紹形狀記憶合金、磁致伸縮材料、(聲、光、電、磁、熱和輻射等)敏感材料、傳感器材料、隱身材料和永磁材料等特種功能材料的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用。

3 基于社會(huì)需求，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果顯著

本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)從2018年起，先后在四屆材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生中講授“功能材料”課程，選課學(xué)生的數(shù)量占到90%以上，且學(xué)習(xí)態(tài)度積極，取得了良好的教學(xué)效果良好。通過不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，成功探索出一套適用于地方應(yīng)用型本科院校材料科學(xué)與工程專業(yè)“功能材料”教學(xué)的“四元三導(dǎo)一對(duì)分”的課程資源體系和教學(xué)模式。本課程基于社會(huì)需求，優(yōu)化后的內(nèi)容弱化復(fù)雜的基礎(chǔ)理論，強(qiáng)化實(shí)際工程應(yīng)用，通過專題式教學(xué)設(shè)計(jì)，啟發(fā)學(xué)生的思路，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

基于此課程的學(xué)習(xí)，材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生每年都積極參與各種與功能材料相關(guān)的學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，僅本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)年均就被邀請(qǐng)指導(dǎo)各類基于功能材料的學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目30余人次，包括多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。在材料科學(xué)與工程專業(yè)，每年有將近1/4的畢業(yè)生進(jìn)入長(zhǎng)虹等四川省內(nèi)的知名企業(yè)，從事功能材料相關(guān)工作，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。

結(jié)語

基于社會(huì)需求導(dǎo)向的地方應(yīng)用型本科院校應(yīng)立足地方，依托地方行業(yè)優(yōu)勢(shì)，深刻認(rèn)識(shí)和把握地方經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，發(fā)展特色學(xué)科，創(chuàng)辦特色專業(yè)，開發(fā)特色課程。以培養(yǎng)具有現(xiàn)代職業(yè)素養(yǎng)、適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的工程技術(shù)人才為目標(biāo)，對(duì)標(biāo)功能材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)所涉及的人才需求特點(diǎn)，以人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱為基本，優(yōu)化精選課程內(nèi)容，將功能材料領(lǐng)域的科技成果引入課程，構(gòu)建和完善課程體系，激發(fā)學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在動(dòng)力，使學(xué)生在牢固掌握功能材料基本理論的同時(shí)，又及時(shí)了解最前沿的科學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)。拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)思路和知識(shí)面，增強(qiáng)專業(yè)自信，提升就業(yè)本領(lǐng)，最終實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果與目的。