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基于應用型人才培養的材料科學與工程科技合一教學研究

2019-04-04 11:15:00 河南教育·高教2019年2期

董振偉 毛遠洋 武璽旺

摘要:本研究以材料科學與工程專業中的科學與技術為框架,分成材料科學與材料技術兩大模塊,并對相應的模塊進行提煉,總結出材料科學與工程科技合一的教學體系。該教學體系將材料科學與工程專業的教學劃分成科學類課程與技術類課程兩大類。其中,科學類課程包括專業基礎課、專業核心課和專業方向課,技術類課程包括驗證型實驗課、設計型實驗課和創新型實驗課。各類課程之間相互關聯,有效地將材料科學與工程專業中分散的科學與技術結合起來,使學生既能學習到扎實的理論知識,又能不斷地提高專業技能。

關鍵詞:應用型人才;材料科學與工程;科技合一;教學體系

我國著名的材料學家姚熹將材料專業人才描述為“化學家中的物理學家,物理學家中的化學家,科學家中的工程師,工程師中的科學家”,這不僅是對材料專業人才的定位,也是對材料科學與工程專業人才培養指明的目標與方向。材料科學與工程作為一個剛成立半個世紀的工科專業,因其內容涉及面廣、學科交叉性強、理論與實踐結合緊密、應用研究和基礎研究兼備等特點,在創新型、應用型人才的培養方面存在較大的困難。一些高校沒有真正領悟到材料科學與工程專業的特性,仍然采用傳統“填鴨式”的教學模式,使學生學習的注意力主要集中在書本和理論知識上,缺乏一種始于問題、基于發現、體現研究性的教學氛圍,最終導致其培養出的學生只是材料的了解者而非真正實用的材料專業,人才。因此,高校在材料科學與工程專業教學上要打破傳統的教學方式,取其精華、去其糟粕,結合材料科學與工程專業的自身特性,提煉出一套適合材料科學與工程專業的特色教學方法,用于培養真正的材料人,以滿足社會對材料專業的人才需求。

材料科學與工程科技合一教學原理材料科學與工程專業中的科學與技術密不可分,被看作同一范疇,但二者的任務、目的和實現過程不同,是既相互聯系又相對獨立的辯證關系:科學主要表現為物化意識,技術則具有物化形態,科學提供物化的可能,技術提供物化的現實。根據這種顯著的特性,我們設計出一套科技合一的教學體系(如下圖所示)。

該教學體系是以材料科學與工程專業中的科學與技術為兩大支柱,以材料性質與材料性能兩個基本的科學要素和材料表征與材料工藝兩個基本的技術要素為基點,將四個基本要素相互聯結成材料科學與工程科學與技術合一的知識體系。材料性質是材料科學的本質,由材料的成分、結構、缺陷三要素制約,而材料性能是材料科學的現象,指材料在特定環境下表現的力學性能、物理性能和化學性能等。材料表征是材料性質的微觀反映與材料性能的度量,指運用一些物理、化學性質手段對材料的性質反映。材料性能的度量即對材料所表現的力學、物理、化學現象通過相應的力學、物理、化學技術對其進行直接或間接的測量的手段。材料工藝包括材料的合成方法與材料的加工技術,合成方法是指原子、離子、分子根據其自身的特性,及在特定環境下成核、生長而引申的一些制備方法技術,通過控制各種參量得到所需形貌、尺寸具有特定性能的材料。材料的加工技術是指已形成的材料通過各種處理技術,對其功能的優化或其宏觀形貌的改變。材料科學與工程中的科學與技術中所包含的四個基本要素之間的相互聯系是科技合一教學原理的骨架,它使材料中的科學與技術相互連接融為一體,為材料的存在提供科學依據和技術支撐。

二、材料科學與工程科學類課程

在材料科學與工程科技合一教學的指導下,以材料的性質、性能、表征以及工藝的獨立性與關聯性為主,將專業基礎課、專業核心課、專業方向課緊緊圍繞這四個基本要素而形成一體化的課程體系。

(一)專業基礎課

為促進學生對專業理論基礎核心知識的理解,提高其學習效率,學校設置專業基礎課程讓學生學習專業人門基礎知識。專業基礎課程應主要從物理、化學的角度出發,開設與專業核心知識極為相關的基礎課程,如物理化學課程和大學物理課程等。學生通過對物理化學課程的學習,掌握了熱力學、動力學等知識,能加深對材料性質、工藝等相關聯知識的理解。而學生通過對大學物理課程的學習,可以掌握力、熱、聲、光、電、磁的知識,能加深對材料性能等知識的理解。面對專業基礎課程知識點較多的情況,專業課教師對專業基礎課程的教學不能完全照搬相應科目所屬的知識廣度與深度來教學,而應以專業基礎核心知識的需求來定所需教學的深度與廣度。同時,專業課教師在教學的過程中要穿插一點與之相關聯的專業核心知識,便于讓學生清楚學習這些基礎知識的目的,增強學生學習的積極性和主動性。

(二)專業核心課

專業核心課是材料科學與工程科技合一理論教學中的重中之重,它主要對科技合一教學原理的四個基本要素中的相關知識點進行講授。例如:材料科學基礎課程的教學主要從材料的成分、結構、缺陷等方面對材料的性質進行教學;材料物理性能課程的教學主要以材料的力、熱、聲、光、電、磁等六個物理現象及現象之間的轉換對材料性能進行教學。材料性質和材料性能作為材料科學的兩個基本點,它們之間相互影響、相互制約,即材料性質決定材料性能,材料性能反饋材料性質,使材料相應的成分、結構、缺陷展示其相應的力學性能、物理性能、化學性能或反饋出其相應的成分、結構、缺陷。材料分析方法課程的教學主要通過對材料進行分析的儀器原理對材料分析技術進行教學;材料工藝課程的教學主要通過材料工藝原理對材料工藝進行教學。材料表征反映了材料的科學本質,而對材料科學本質的深入探究與完善使材料表征不斷優化、完善,出現新的材料技術。材料性能與材料測試技術作為材料科學性能與技術的一個連接橋梁,材料測試手段度量材料科學性能有無、優劣,材料性能決定、改善、優化測試技術方法。材料科學性能與材料工藝同樣是材料科學性能與材料技術的另一個重要連接橋梁,材料工藝作用于材料性能,而材料性能反饋、優化材料工藝方法。在教學的過程中不能僅局限于某個點來講授,還要通過對點與點之間連成線的方式來講授。如教師講授材料性能時,要聯系到材料的性質解釋這一物理現象,否則學生將會對單純地進行知識點學習感到厭倦,同時還會將后期的綜合教學提高一定的難度。

(三)專業方向課

為了讓學生形成一個完整的材料科學與工程科技合一的知識理論體系,專業方向課主要對科技合一原理的體系進行教學。材料專業方向課主要對金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等三大材料和一些特定功能方面的材料從材料科學與技術的角度同時講解,即形成一個完整的材料科技合一流程。該方面教學要改變傳統教學模式,靈活運用問題教學法、案例法、示范法等多種教學方法。同時教師還要采用啟發式教學方式,引導學生去探索,通過提出問題引起學生的學習興趣和好奇心,提升學生獨立解決問題的能力。教師也可以積極運用以科學、工程案例分析為背景的理論教學模式,即運用豐富生動的案例講解科學知識與技術方法,提升學生對材料科技與工程科技合一理論的綜合運用能力。教師還可以適當安排自學的學習知識點,加強學生自學能力,減少課堂講授時數,讓學生在自主學習的過程中,不斷深化專業體系化知識的認識與理解。

三、材料科學與工程技術類課程

為了加深學生對理論知識的理解,掌握材料的基本技術,學校應緊跟理論教學的開設時間、邏輯順序,開設起驗證型實驗、設計型實驗、創新型實驗等技術類課程。

(一)驗證型實驗

驗證型實驗是材料科學與工程專業的基礎實驗。開設該驗證型實驗課程的目的是讓學生走進實驗室,在教師和講義的指導下,讓學生對材料科學與工程科技合一教學理論的四個基本要素中重要知識點進行驗證,加深對理論知識的理解。例如:材料科學性質方面基礎實驗,可通過以積木堆積的方式,堆積體心立方、面心立方、六方密排、氯化鈉等晶體結構,驗證實際密排面、密排方向、配位數等;材料科學性能方面基礎實驗,可通過拉伸試驗機驗證金屬材料、陶瓷材料等的拉伸曲線等;材料分析技術方面基礎實驗,可通過實際操作XRD測量晶體材料,驗證布拉格方程等;材料工藝方面基礎實驗,可通過對金屬熔體進行不同速率的冷凝技術,驗證冷凝速率對材料結晶的影響等。在該方面的教學中,指導教師應有意識地對這些實驗進行深度挖掘,提升該驗證性實驗的價值,讓學生在思想上對專業核心知識進行擴展與深化。

(二)設計型實驗

設計型實驗是材料科學與工程專業的基礎綜合實驗。該設計型實驗應以基礎材料的設計為主。學生通過利用所學的理論知識和在驗證型實驗所掌握的實驗儀器操作能力,對所設計的材料進行物相、成型工藝、性能表征、性質表征的設計,并通過實驗獲取所設計的材料。比如,對基礎材料陶瓷的設計,學生通過查閱參考書本或文獻得到,所需用的原料及配比來制備釉料和胚體料,根據所要制備樣品形貌選擇相應成型工藝方法,對制備出的樣品根據所要的物理性能選取相應的性能表征,并用所學的知識進行分析。在該方面教學中,指導教師應作為質詢者、引導者,對學生的問題進行引導,讓學生不斷對專業問題更深入思索,不斷加深對材料科學與工程科技合一教學理論的理解,同時形成自己的專業思維模式。

(三)創新型實驗

創新型實驗是材料科學與工程專業的實戰教學中必不可少的環節。該創新型實驗應以實際問題為導向,學生通過應用所學的知識滿足社會需求。高校在材料科學與工程專業方面應實施導師制,學生根據自己實際情況和自身對某方面材料的興趣,選取相對應材料領域的學術型或就業型的指導教師。指導教師通過引領學生了解學術前沿問題或企業生產前沿問題,并設計一些相關的實驗,讓學生通過已形成的專業知識體系和查閱相關資料進行設計實驗,探究和解決問題。例如:以就業為主的學生,在指導教師的帶領下形成自己的工業生產思維,了解工廠生產流程及一些生產中存在的問題,親身實踐,并結合自己已有的專業思維分析問題、查閱資料、解決問題、優化生產工藝流程;以學術為主的學生,在指導教師的帶領下形成自己的學術思維,了解當今學術前沿、查閱資料、設計實驗、優化實驗、探究未知。學生通過該創新型實驗實戰教學的培養不僅能提早了解社會需求、滿足企業對應用型材料人的需求,而且還能為以后的就業提供便利,同時也會在專業綜合素質、責任心、創新精神方面起到積極的作用。

本研究從材料科學與工程專業所具有的科學與技術兼備的屬性出發,在材料科學方面總結出材料性質與材料性能兩大科學范疇,在材料技術方面凝練出材料分析與材料工藝兩大技術范疇,以四大范疇為基本點,以其之間的相互作用為支架,形成一套材料科學與工程科技合一教學理論模型。根據該模型的指導,形成了理論教學與實戰教學兩大教學方式,并緊緊圍繞四大基本點的獨特性與關聯性,根據這兩大教學方式分別開設專業基礎課、專業核心課、專業方向課和驗證型實驗課、設計性實驗課、創新型實驗課。同時,各教學課程根據自己所傳授的內容與目的形成各自的、合理的、可實施的教學方法,各教學方法匯集在一起形成一套科技合一的教學體系。

參考文獻:

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