專業學位研究生材料高壓制備技術教材建設與實踐

李尚升 , 李曉曉 , 胡美華 , 胡 強 , 曹新鑫 , 王東斌

(1.河南理工大學 材料科學與工程學院 , 河南 焦作 454003 ; 2.河南理工大學 物理與電子信息學院 , 河南 焦作 454003)

隨著我國經濟的快速發展,高層次應用型技術人才的需求漸增。我國全日制碩士研究生教育正在從主要培養學術型人才轉向更多地培養應用型人才。即專業學位碩士研究生在整體研究生中的占比從2009年的15.9%逐漸增加到2017年的55.68%,2020年更是達到60.83%[1-3]。教育部2020 年發布《專業學位研究生教育發展方案(2020—2025)》強調了專業學位研究生教育的發展目標,即到2025年,以國家重大戰略、關鍵領域和社會重大需求為重點,增加一系列碩士和博士專業學位類別,使碩士專業學位研究生招生規模擴大到碩士研究生招生總規模的2/3左右,專業學位研究生無疑將成為碩士層次研究生教育的主流[1-5]。

經歷了超過10年的全日制專業學位碩士研究生的教育改革和進步,專業學位研究生的教育品質確實得到了顯著的提升;然而,這種培養方式仍需要進一步的優化和提升。五大核心元素構成了專業學位研究生培養方式,分別是:培養目標、培養組織、培養資源、培養過程、培養評價[2]。這些要素既彼此獨立又相互影響,改進、協調并優化這些要素,提高專業學位研究生培養質量是個復雜的系統工程。其中課程資源中的教材建設較為薄弱,即專業學位研究生使用的教材常將學術型研究生教材內容簡化教學而已,這直接影響了專業學位研究生偏重應用技術的培養質量。為此,本文重點關注的是專業學位研究生課程資源中的教材建設。

在我校材料與化工專業學位碩士研究生的課程中,材料高壓制備技術是一門至關重要的專業課程。這門課程是在材料科學與工程專業本科生超硬材料課程的基礎上,對研究生開設的一門專業課,旨在拓寬課程內容的范圍。主要目標是讓學生掌握多種材料的高壓制備技術,借助高壓技術提高材料的性能。在專業學位研究生課程材料高壓制備技術的教學過程中,對教學團隊進行了多項教學改革。即在案例庫建設及專業實踐示范基地建設的基礎上,將思政元素﹑實踐案例﹑科技成果﹑科技前沿引入課程教學,這大大提高了教學效果。再加上本門課程沒有現成的教材可使用,因此,專業學位研究生課程材料高壓制備技術的教材建設是迫切需要的[6-7]。

1 建設背景

1.1 學科背景

材料學科的四個基本要素是組成與結構、合成與制備過程、性質、使用效能,其中組成是由所選取的原料決定的,結構與原料有關更取決于合成與制備過程,原料經過加工成為具有一定結構的材料,因而體現特定的性質,進而具備一定的使用效能。其中材料學科四要素中合成與制備最為關鍵,直接決定著材料的性質和應用,是材料學科最關注的環節。

材料的制備大多需要高溫條件,某些材料還需要壓力條件,譬如陶瓷的熱壓燒結、水晶的水熱合成;這些合成的壓力都是在數百MPa量級,其壓力與金剛石晶體的高溫高壓合成所需的5.5 GPa的壓力相差較大,二者不在一個數量級上。顯然,在一定溫度條件下增加壓力大大增加了材料制備難度,同時,壓力條件也為材料制備起到了關鍵作用。

長期以來,以金剛石和立方氮化硼為代表的超硬材料常用模擬天然金剛石形成的地質條件——高溫高壓合成方法來制備。隨著材料學科的發展,需要提高材料性能或開發材料的新性能,人們采用高壓制備技術。材料的高壓制備有效地提高了材料原有的性能,開發出新的性能使使用范圍逐漸擴大,高壓制備技術正成為不可或缺的材料制備手段。為此,2015年河南理工大學材料學院開始在研究生培養方案中開設了這門專業課。

1.2 教材背景

國內材料高壓制備技術方面的專著大多集中在超硬材料(金剛石和立方氮化硼)方面,其中僅有少部分教材涉及。目前,沒有找到針對超硬材料之外的、包括廣泛的材料高壓制備技術方面的教材。雖然有較多材料工藝制備方面的教材也包括了高壓制備方面的內容,如:1997年張克從主編的《晶體生長科學與技術》和2018年朱繼平編著的《材料合成與制備技術》等,這些教材其中部分章節介紹材料的高壓制備技術,其中的材料也多是金剛石方面的,其他材料的高壓制備內容僅發表在相關期刊雜志上,統一納入教材內容的尚未得見。因此,材料高壓制備技術教材的建設勢在必行。

2 建設支撐

既然材料高壓制備技術教材的建設勢在必行,那么這門課程教材的建設離不開支撐條件。課程從2015年開設以來逐漸形成了穩定的教學團隊。將課程思政引入課堂,也將所從事科研項目及教改項目所獲得的科研成果及所申請的專業學位研究生培養基地等平臺都為本教材建設提供了良好的支撐。

2.1 課程團隊及科研成果

課程團隊的5位骨干成員均具有博士學位,其中從事金剛石及其制品高壓合成的有2位,從事高壓合成其他功能材料的3位,團隊中有2位年長教師具有5年以上企業工作經驗。

本課程的教學團隊在過去五年里成功地獲得了1項由國家自然基金資助的項目,同時也獲得了3項河南省科技攻關項目和4項企業委托項目的支持,還發表了30多篇相關學術論文、獲得授權發明專利12項,其中發明專利轉讓4項。以這些成果為基礎申報獲批省政府三等獎2項。這些科研成果為材料高壓制備技術教材的建設提供了有力支撐。

2.2 基地平臺

2016年,河南理工大學材料工程專業學位碩士研究生專業實踐示范基地是由材料學院與超硬材料高壓合成企業共同創建的[8]。從合作伙伴企業中挑選了具有堅實理論基礎和出色實踐能力的高級企業技術人才,納入課程團隊,使得本門課程的教學力量得到了加強。

2017年經由材料科學與工程學院高壓合成實驗室的正式申請,成功地獲得了“焦作市功能材料高壓制備工程技術研究中心”平臺建設的正式批準。這為材料高壓制備技術教材的建設提供更優越的條件打下了堅實基礎。

2.3 案例庫

2018年,申請的河南理工大學材料高壓制備技術研究生課程案例庫獲批立項建設。2020年結項時建設了20個教學案例,同時將其引入課堂獲得了較好的教學效果[7]。這些案例加深了研究生對材料高壓制備原理的理解,提高了學生解決技術問題的能力,激發了學生的學習興趣。這些案例進入材料高壓制備技術教材必將為教材建設增光添彩。

3 建設特色

3.1 實踐案例

本教材案例可從本課程的案例庫中選擇。課程團隊的成員根據各自的研究領域,提供了案例材料以供進一步的討論。在選擇案例材料時要按以下原則進行:①結合針對性與廣泛性。在選擇案例材料時,既要考慮課程研究的獨特性,同時也不能忽視課程的知識結構。②結合典型性與新穎性。所選案例不僅要關注課程中過去的經典研究成果,還需考慮近年來的最新研究成果。③結合穩定性與持續性。教材中的案例應當保持相對穩定,同時也要考慮到更新的需求[7-11]。

根據上述原則,對案例庫中資源進行廣泛研究和深入討論,以確定在教材中使用的案例。這些案例需要通過教學實踐的檢驗,并根據學生反饋的意見不斷進行改進和完善。所選15個案例見表1。

表1 材料高壓制備技術教材所選案例

這些案例既注重典型性、又兼顧廣泛性,滿足了這門課程的案例教學,獲得了好評,取得了較好的教學效果。

3.2 前沿技術

將超硬材料、熱電材料、功能陶瓷、復合材料、磁性材料、超導材料中高壓制備的前沿技術納入到材料高壓制備技術教材中,讓學生接受新的技術培養創新能力的同時激發其學習興趣,提高學習效果。

4 結束語

材料高壓制備技術教材建設可以填補專業學位碩士研究生培養課程資源的不足,提升高水平應用型技術人才的素質,為地方經濟發展提供人才保障。期望材料高壓制備技術教材建設為專業學位碩士研究生的培養質量提高貢獻力量。