材料化工類(lèi)應(yīng)用型人才教育與實(shí)踐的探索研究

弓麗華,鞏飛龍*,楊玄宇,高勝國(guó),王國(guó)慶,張永輝

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001 ; 2.漢威科技集團(tuán)股份有限公司,河南 鄭州 450001)

材料合成與制備作為材料化工專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)課,是理論和實(shí)踐并重的課程,起到承上啟下的串聯(lián)作用,對(duì)學(xué)生后續(xù)知識(shí)的銜接、綜合能力和思維方式的培養(yǎng)至關(guān)重要。在教學(xué)過(guò)程中,結(jié)合21世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展趨勢(shì),參考最新的科研文獻(xiàn),結(jié)合目前新型材料制備方法的發(fā)展概況、基本原理、設(shè)備操作以及工藝方法和技術(shù)流程,融合現(xiàn)代信息技術(shù),將材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科內(nèi)容融入材料合成與制備課程中,啟發(fā)學(xué)生將材料合成原理與生產(chǎn)實(shí)踐理念有機(jī)結(jié)合,適應(yīng)以專業(yè)實(shí)踐為導(dǎo)向、重視應(yīng)用能力的培養(yǎng)特點(diǎn)[1-3]。基于此,文章結(jié)合實(shí)際案例“VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略”,對(duì)如何培養(yǎng)適用于社會(huì)需求的應(yīng)用型研究生進(jìn)行探索。

1 案例教學(xué)的選取

傳感器是我國(guó)“強(qiáng)基工程”的核心關(guān)鍵部件之一,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆凇妒膫€(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)鏈之一,是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要引擎。然而,由于氣體傳感器制備工藝和材料自身的不穩(wěn)定性,以及各個(gè)行業(yè)對(duì)敏感分子檢測(cè)的更高要求,導(dǎo)致目前氣體敏感薄膜兼容制造技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)技術(shù)中存在選擇性差、穩(wěn)定性不佳和一致性低等關(guān)鍵共性問(wèn)題,以上問(wèn)題嚴(yán)重制約了氣體傳感器的應(yīng)用。氣體傳感器敏感薄膜的制備是一個(gè)極為復(fù)雜的工程問(wèn)題,關(guān)鍵影響因素有:敏感薄膜關(guān)鍵材料的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合成、傳感器組裝的工藝設(shè)計(jì)及封裝測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院與漢威科技集團(tuán)股份有限公司合作共建“智能氣體傳感器工程技術(shù)中心”研發(fā)平臺(tái),具有傳感器敏感膜材料合成、加工和器件組裝的全鏈條研發(fā)能力。結(jié)合授課教師的研究方向以及與企業(yè)合作的研發(fā)平臺(tái),在講解材料合成與制備課程中,引入“VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略”案例教學(xué),從如何將經(jīng)典材料的合成理論與氣體傳感器敏感材料的前沿設(shè)計(jì)技術(shù)有機(jī)結(jié)合出發(fā),探究高性能VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)策略,指導(dǎo)穩(wěn)定性和一致性高的敏感材料研發(fā)。在課堂傳授材料合成理論知識(shí)的基礎(chǔ)上,啟發(fā)學(xué)生將材料合成原理與生產(chǎn)實(shí)踐理念有機(jī)結(jié)合,提高學(xué)生應(yīng)用材料合成理論知識(shí)綜合分析工程問(wèn)題的能力。本案例教學(xué)的選取依托以上優(yōu)勢(shì),為應(yīng)用型人才的高質(zhì)量培養(yǎng)提供參考和思路。

2 學(xué)生選取與分配方案

案例教學(xué)涉及到實(shí)驗(yàn)室實(shí)操和企業(yè)實(shí)地觀摩,是對(duì)材料合成與制備課程教學(xué)模式的初步探索,學(xué)生不易選取太多。此次案例教學(xué)選取對(duì)象為鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院2019級(jí)研究生,材料化工專業(yè)學(xué)生共15人,采用小班授課。將學(xué)生隨機(jī)劃分為5個(gè)小組,每組3人,推選出一位組長(zhǎng),負(fù)責(zé)本組的集體活動(dòng)。

3 案例教學(xué)的實(shí)施

3.1 課堂教學(xué)

通過(guò)具體的案例教學(xué)分析,將基礎(chǔ)課程與國(guó)家的發(fā)展,面臨的困難,實(shí)際的需求,前沿的研究相互結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生從材料的基礎(chǔ)理論知識(shí)出發(fā),思考問(wèn)題的由來(lái),以及理論在實(shí)際中的應(yīng)用是如何體現(xiàn)的。同時(shí)激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,潛移默化地提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析并解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,使學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力螺旋式上升,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,促進(jìn)理論教學(xué)與專業(yè)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

“VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略”案例教學(xué)的建設(shè),從材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、性能評(píng)價(jià)和生產(chǎn)實(shí)踐四個(gè)維度出發(fā),根據(jù)氣體傳感器的生產(chǎn)實(shí)踐,結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容,以材料合成方法的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)高性能VOCs氣體傳感器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。促使學(xué)生運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí),通過(guò)深入細(xì)致地分析,解決實(shí)際工作中的問(wèn)題,做到“做中學(xué),學(xué)中做,教學(xué)做一體化”。“VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略”案例教學(xué)的內(nèi)容框架見(jiàn)圖1。

圖1 “VOCs氣體傳感器敏感材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略”案例教學(xué)的內(nèi)容框架

教師在授課過(guò)程中,將結(jié)合圖1的案例教學(xué)內(nèi)容框架,以氣體傳感器市場(chǎng)需求為牽引,基于教學(xué)目標(biāo)、生產(chǎn)實(shí)踐、學(xué)生對(duì)課程的期待和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)。采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式,線上為學(xué)生提供豐富立體、形象生動(dòng)的課程資源,如視頻、PPT、練習(xí)題、章節(jié)測(cè)試題、考試、討論等形式。實(shí)現(xiàn)測(cè)驗(yàn)結(jié)果與知識(shí)點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)接,有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練;同時(shí)進(jìn)行線下翻轉(zhuǎn)課堂、專題討論、學(xué)生講授等多種教學(xué)方式方法,將企業(yè)所面臨的實(shí)際困難與基礎(chǔ)理論知識(shí)相融合。提出企業(yè)需求,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的材料合成與制備基礎(chǔ)知識(shí),廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外重要前沿文獻(xiàn),設(shè)計(jì)相關(guān)材料的具體合成步驟,針對(duì)教學(xué)案例分組討論和互評(píng),最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的科研條件,找出最合適的合成方案,從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心,提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

3.2 車(chē)間實(shí)踐

帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)車(chē)間的實(shí)地觀摩,初步完成實(shí)踐過(guò)程中敏感膜的流水線制備和器件生產(chǎn)。與企業(yè)保持產(chǎn)學(xué)研合作,簽訂《VOCs和甲烷氣體傳感器敏感膜材料開(kāi)發(fā)》技術(shù)開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略合作協(xié)議。本案例教學(xué)以此為依托,委托企業(yè)高級(jí)工程師帶領(lǐng)學(xué)生深入“三防”車(chē)間(防霉菌、防潮濕、防鹽霧)實(shí)地觀摩,利用合成的材料在流水線進(jìn)行小批量敏感膜生產(chǎn),制作了對(duì)乙醇和三乙胺氣體敏感的氣敏元件和傳感器,并送至具有檢測(cè)資質(zhì)的公司對(duì)學(xué)生完成的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè),部分器件的檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)標(biāo)要求。該案例部分嚴(yán)格按照材料生產(chǎn)、器件制作和場(chǎng)景應(yīng)用的全套實(shí)踐進(jìn)行,這種教學(xué)模式極具吸引力,一方面極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另一方面促使學(xué)生快速適應(yīng)企業(yè),實(shí)現(xiàn)學(xué)生的高質(zhì)量培養(yǎng)。

3.3 能力培養(yǎng)目標(biāo)

該案例教學(xué)將當(dāng)前VOCs氣體傳感器敏感材料的發(fā)展需求,傳感器企業(yè)面臨的卡脖子技術(shù)難題與材料合成與制備基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容相互融合,以培養(yǎng)加深學(xué)生對(duì)于材料合成基礎(chǔ)理論的理解為目的,培養(yǎng)學(xué)生的大國(guó)工匠精神,鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)并提出自己的觀點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。從而提高學(xué)生應(yīng)用材料合成理論知識(shí)對(duì)目標(biāo)案例的具體生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析、計(jì)算和優(yōu)化的能力,提高學(xué)生應(yīng)用材料合成理論知識(shí)綜合分析工程問(wèn)題的能力,提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新思維,強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的工程理念,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。

3.4 建立過(guò)程性評(píng)價(jià)機(jī)制

在教學(xué)計(jì)劃執(zhí)行中,采集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),按照規(guī)范的評(píng)估方法對(duì)學(xué)生材料合成、器件組裝、階段性測(cè)試等成果進(jìn)行評(píng)估。基于評(píng)估結(jié)果,總結(jié)教學(xué)階段性經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)教學(xué)計(jì)劃,教師在每一輪教學(xué)結(jié)束后總結(jié)授課經(jīng)驗(yàn)及學(xué)生學(xué)習(xí)特征,對(duì)以后的課程教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn),建立了案例教學(xué)與學(xué)習(xí)評(píng)估結(jié)合的持續(xù)改進(jìn)評(píng)價(jià)機(jī)制,學(xué)生基本掌握了材料可控合成、敏感膜的制作及傳感器性能評(píng)價(jià)的整套流程。過(guò)程性評(píng)價(jià)機(jī)制流程:線下預(yù)習(xí)→課堂講授→確定方案→組間討論和互評(píng)→材料合成→器件組裝→性能測(cè)試→教師實(shí)施過(guò)程評(píng)價(jià)。

3.5 案例教學(xué)取得成效

通過(guò)對(duì)參與此次案例教學(xué)的學(xué)生進(jìn)行跟蹤回訪,在多個(gè)領(lǐng)域取得了明顯成績(jī),主要分為以下兩個(gè)方面:①入職單位。分別入職中石化公司石油工程技術(shù)研究院、寧德時(shí)代等國(guó)內(nèi)知名企業(yè),大部分畢業(yè)生目前已在公司研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)控等部門(mén)擔(dān)任重要職務(wù)。②畢業(yè)后攻讀博士學(xué)位情況。部分學(xué)生畢業(yè)后選擇繼續(xù)攻讀博士學(xué)位,錄取單位包括中國(guó)科學(xué)院、南京大學(xué)、北京師范大學(xué)、南京理工等國(guó)內(nèi)知名高校。

案例教學(xué)在材料合成與制備課程中進(jìn)行了初步嘗試。根據(jù)材料合成實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn),結(jié)合任課教師的科研項(xiàng)目及企業(yè)的具體需求,后期也設(shè)計(jì)了一些其他的案例教學(xué)內(nèi)容,如“氧化鋅基敏感膜材料的構(gòu)筑及其室溫乙醇傳感器的開(kāi)發(fā)”“水熱法制備氧化錫基多元復(fù)合材料及其在室內(nèi)甲醛氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)控”等。

3.6 總結(jié)

建立“理論學(xué)習(xí)-實(shí)驗(yàn)探索-企業(yè)實(shí)踐”一體化人才培養(yǎng)模式。在案例教學(xué)中給定具體應(yīng)用對(duì)象和指標(biāo),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,利用材料合成相關(guān)理論和查閱相關(guān)文獻(xiàn),制定材料設(shè)計(jì)和合成的方案,進(jìn)行相關(guān)方案的具體實(shí)施,在實(shí)驗(yàn)室完成器件的組裝和性能測(cè)試,并積極與企業(yè)對(duì)接進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用,探索新型培養(yǎng)模式。

加強(qiáng)工程實(shí)踐能力以及技術(shù)創(chuàng)新能力的培養(yǎng),堅(jiān)持OBE導(dǎo)向建設(shè)理念[4]。通過(guò)邀請(qǐng)企業(yè)負(fù)責(zé)研發(fā)或生產(chǎn)的工程師與學(xué)生進(jìn)行交流,使學(xué)生深入了解目前行業(yè)關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題和行業(yè)發(fā)展動(dòng)向,并帶學(xué)生深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀摩、討論和實(shí)踐,促進(jìn)理論與生產(chǎn)相結(jié)合。該案例的成功建設(shè),將提供一種以需求牽引為導(dǎo)向,以強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題為目標(biāo)的高質(zhì)量示范教學(xué)案例,并推廣至其他類(lèi)似課程的高質(zhì)量講授。

4 結(jié)語(yǔ)

材料合成與制備是材料化工類(lèi)專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)課,課程內(nèi)容豐富且復(fù)雜,與多學(xué)科交叉融合,實(shí)踐性非常強(qiáng),案例教學(xué)模式的探索,與企業(yè)需求接軌,滿足培養(yǎng)高校轉(zhuǎn)型高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用型人才的要求,需要不斷地探索,改革和創(chuàng)新,提高學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣,從而使本課程的講授取得理想的教學(xué)效果,為培養(yǎng)出復(fù)合型、應(yīng)用型人才奠定理論實(shí)踐基礎(chǔ)。