南京理工大学材料科学与工程实验教学中心情况简介

-1-南京理工大学材料科学与工程实验教学中心情况简介南京理工大学材料科学与工程系的历史可追溯到1953年哈尔滨军事工程学院建校时的金工金相教研室，1978年开始招收金属材料及热处理专业本科生，1992年发展为材料科学与工程系。目前建有“材料优选与评价教育部工程研究中心”，国防科工委“大型构件焊接技术应用研究中心”，与中国科学院金属研究所共同组建的“金属纳米材料与技术联合实验室”，是“江苏省新材料产学研联合培养研究生示范基地”牵头单位、“江苏省应用化学与材料科学研究生创新与学术交流中心”牵头单位，“铜陵市铜产品研究中心”成员单位之一。材料科学与工程专业为江苏省首批品牌专业，材料成型及控制工程、高分子材料与工程为江苏省品牌专业（建设点）。优良的“哈军工”精神，培养出卢柯院士为代表的一大批杰出专家、学者。南京理工大学一贯重视实验教学建设。上世纪90年代以来随着材料科学的迅速发展，大学在培养材料专业人才的知识结构中对实验技能和知识的要求越来越高，对实验教学提出了更高的要求。1997年南京理工大学为保证宽口径专业实验教学课程体系的实施，对原来金属材料等专业实验室，进行优化组合，成立了由校、院两级管理、依托“应用化学”和“材料学”二个国家重点学科的“南京理工大学材料实验教学中心”，该中心得到了学校的长期重点建设。经过12年长期的实验教学积累和不断的改革发展，材料科学与工程基础实验教学中心已从单一的、仅面向金属热处理专业的金相实验室发展成为拥有各类材料制备、加工、性能测试及评价的面向多学科、多专业的点面结合的综合实验平台，构建了具有一定规模的实验教学体系。2007年被列为江苏省高等学校实验教学示范中心建设点。自2007年列为示范中心建设点以来，经过“211工程”、“江苏省品牌专业”、“江苏省特色专业”、“本科评建”、“学科建设”、江苏省高等学校实验教学示范中心建设点经费的重点建设，材料科学与工程实验教学中心得到了快速发展。建设前后对比数据如图2所示。-2-图1实验中心大楼建筑面积设备数设备总值050010001500200025003000350040004500500055001280万890万530台套360台套5100m2建设前建设后3100m2图2中心建设前后（2007年-2009年）硬件条件对比材料科学与工程实验教学中心为材料科学与工程系、化工学院、机械学院、动力学院等院系开设基础实验、综合实验、科研训练、工程训练等各类实验达257项，涉及材料科学与工程、材料成型及控制工程、高分子材料与工程、机械工程及自动化、车辆工程、武器系统与工程、工业工程等专业，是材料类基础课程和相关专业的重要实验基地。同时为本科生、研究生课外科技活动、创业活动开展创新实践训练，提供开放式服务。一、在省校级教改项目和中心软课题的支持下，对实验教学理念、内容、模式、考核方法进行改革和创新自立项以来，中心人员承担着江苏省高等教育教学改革研究课题《认知材料、创-3-造材料、用材料创造-材料科学与工程专业人才培养模式的研究与实践》、《材料加工专业方向课程体系和教学内容的创新与实践》和校级教改项目《材料科学与工程品牌专业实践教学与学生创新能力培养的研究与实践》等省校级教改课题项目15项，通过这些项目的研究，对实验教学理念、内容、模式、方法进行改革和创新。如2008年结题的《认知材料、创造材料、用材料创造-材料科学与工程专业人才培养模式的研究与实践》研究中探讨了学生从大三开始进入实验室，结合课程学习接受科学研究训练的可行性和具体方案的安排；提出实验动手能力与实验设计思想的培养相结合，成功开设了《实验设计》课程及其实验课程；提出并实施了科研实践（大三上）、科研训练（大三下）、工程训练（大四上）、毕业设计（大四下）一条龙构思，也即科研实践、科研训练、工程训练、毕业设计集中实践环节中导师固定制，研究方向也一脉相承，非常有利于学生科研的深入。如：2004级材料科学与工程专业杨婷慧、罗秀芳同学从科研训练到工程训练到毕业设计均是同一青年教师指导，科研训练题目是《AZ31B镁合金热变形试验研究》，大致了解该合金的基本性能，掌握热变形的测试方法，起到认知材料的作用，工程训练时题目是《Mg-Gd-Y镁合金高温压缩性能试验研究》，这时接触的则是国家军工973正在研究的镁合金体系，毕业设计时题目分别为《轧制制备Al/Mg/Al合金层状复合材料界面研究》和《镁合金挤压成形过程数值模拟研究》，根据科研训练和工程训练掌握的材料性能来创造新的材料：Al/Mg/Al合金层状复合材料和镁合金型材，而这些材料具有非常明确的工程应用背景，实现了用材料来创造的目标。最终这两位学生被保送本校研究生，并协助导师申报国家发明专利一项。据统计，在2008年材料科学与工程专业毕业设计成绩前5名中就有4名学生是这样培养出来的。在上述基础上，南京理工大学材料科学与工程系还多方筹集经费，设立了28项实验中心软课题计划项目，重点解决05－08级培养计划中的实验教学相关软件建设，同时兼顾09级新的培养计划的实验计划建设。在该28个项目的资助下，初步完成了网络化实验教学及实验室信息管理平台建设，新增《塑性加工设备》等96个实验的多媒体课件，完成基础实验，专业选修课，材料科学与工程专业（包括金属材料专业方向、无机非金属材料专业方向、材料加工工程专业方向），材料成型及控制专业、高分子材料专业和工程材料及成型工艺等8本自编实验指导书工作，共撰写43门课程实验指导书。-4-中心注重科研成果向实验内容转化，具体体现在：1、中心成员将承担的科研项目细化分解成小的研究内容，作为科研训练、工程训练、毕业设计（论文）选题供学生参与研究。据统计科研训练、工程训练、毕业设计（论文）选题来源于教师的科研项目比例分别达到了90%、85%、65%；2、科研项目研究成果做为课程实验内容，如，国家863高科技计划“洁净化工生产技术-化工白泥渣资源化研究”项目成果转化为《无机生态材料》中“固体废弃物资源化利用实验”，国家科技支撑计划“开展车辆用超大型镁合金管材挤压成形模拟仿真、模具”项目成果转化为《实验设计》中所有实验数据及内容、中国兵器科学院等军工项目“******”项目成果转化为《弧焊机器人技术综合实验》中“机器人编程设计及焊接实验”、“机器人高级编程培训及实践”、“机器人工作站配制方案设计及协调编程实例”、“机器人等离子束流表面改性实验”、“机器人离线编程、计算机图形仿真及与机器人通讯”等实验，国家自然科学基金项目“纳米颗粒增强关节软骨的仿生摩擦学行为与配副关系研究”研究成果转化为全校公共选修课《生物材料》中“仿生关节软骨的制备及其生物摩擦学实验”、“自润滑复合涂层的制备及其摩擦学特性实验“；3、科研购买的设备、自制的设备服务于实验教学。如，科研购买的设备“弧焊机器人设备“服务于《弧焊机器人技术综合实验》、《机器人应用技术》等课程实验，自制设备“背挤压机”服务于《材料成型原理》、《塑性加工工艺》课程实验。科研成果向实验内容的转化和固化，丰富了实验内容，提高了教学内容的水平和档次。中心现承担材料科学与工程六个专业方向，一个机械专业大类的43门课程144项实验，包括科研训练等在内实验项目达到257项，其中基本实验、提高型实验、研究创新型实验分别由建设前79、38、8项增加为65、84、108项，三者比例分别占25%、33%、42%。新增提高型实验46项、研究创新型实验100项。另外，在部分专业方向试点实验考核体系改革。如无机非专业方向围绕实验-5-成绩评价方法，改革了实验报告的书写方式，提出了学生实验成绩评定的基本内容与要求--包括对实验预习、实验过程、实验报告质量等各环节的考核与考察；初步制定了不同类型实验的实验报告书格式及撰写要求，依实验进度分阶段记录预习提问，实验操作，结果分析与讨论等成绩，使学生重视每项实验的各个环节，严谨求学，独立完成实验内容，以达到较好的教学效果。实验成绩考核指标由单一的实验后（实验报告）作为评价手段改变为结合实验预习（包括预习报告；提问；对于设计型实验，着重考查设计方案的科学性、创新性和可行性。）、实验操作（是否按时参加实验；对实验过程的熟悉程度；对基本操作的规范程度；突发事件的应急处理能力；实验的原始数据记录；实验结果的处理；同学之间的团结协作精神）、实验分析（实验数据是否为原始数据；计算结果是否正确；对实验结果是否有分析；对于综合实验各项数据之间是否有分析）三者共同评价。-6-图3部分多媒体课件首页-7-二、实验教学五大平台与系统初步建成并发挥作用经过“211工程”、“江苏省品牌专业”、“江苏省特色专业”、“本科评建”、“学科建设”、江苏省高等学校实验教学示范中心建设点经费的重点建设，已初步建成了5大实验平台/系统：材料科学基础实验教学平台，材料制备工艺与工程实验教学平台，材料性能测试与评价实验教学平台，模拟仿真实验教学平台，综合性、设计性及研究创新型实验教学系统，拓扑结构如图4所示。材料科学基础实验教学平台，材料制备工艺与工程实验教学平台，材料性能测试与评价实验教学平台主要涉及的实验室与设备如表1所示。综合性、设计性及研究创新型实验教学系统则包含所有的实验室。模拟仿真实验教学平台利用学校的计算机室。-8-综合型：设计型：基本型：组织观察等十项综合型：凝固组织控制实验等十八项设计型：粉体气氛烧结实验等六项基本型：金属棒材挤压实验等二十二项综合型：硅酸盐材料性能实验等十三项设计型：焊接过程弯曲变形测量分析等四项基本型：金属静拉伸等四十一项综合型：材料组织结构与性能计算等一项设计型：材料电子结构计算等一项基本型：材料结构从头计算等六项研究创新型：无机生态材料等一百多项图4材料科学与工程实验教学中心实验平台/系统拓扑结构实验教学五大平台与系统已在学生培养中发挥着作用。如，基于模拟仿真实验教学平台现已指导本科生科研训练、工程训练和毕业设计40余人次，并多人次获得校级优秀毕业论文。而综合性、设计性及研究创新型实验教学系统在2007、2008年共承担国家级、江苏省级、校级大学生科研训练项目105项。2007年-2009年获得了校级优秀本科毕业论文13篇、省优秀毕业设计团队2个。以学生为主发表论文7篇，申请国家发明专利2项。多人次获得美国国际大学生数学建模竞赛、全国大学生数学建模竞赛奖励。-9-三、实验队伍建设取得成效本中心设有高水平专家教授组成的实验教学指导委员会，指导委员会对实验教学中心的发展方向、建设规划、实验教学改革等重大问题进行咨询和指导。本中心还设有管理委员会，管委会由副教授、讲师以上核心骨干组成。管委会设有主任一名，在管委会主任的主持下，管委会承担实验教学中心的建设、教学、管理、考核等全面工作。表1实验平台所属的主要实验室及设备平台实验室主要设备力学性能室硬度机，磨损机，冲击机，600kN拉伸试验机，100kN拉伸试验机，疲劳试验机，高温磨损试验机等现代检测实验室电镜，X-射线，ICP仪器，DSC差热等微观检测分析室金相显微镜，抛光机，预磨机，镶样机，显微硬度计等材料科学基础实验教学平台物理性能实验室热膨胀仪，膨胀试验仪，高温蠕变仪，电阻测试、弹性模量测试和磁性测量仪,金属相图测试系统20套,电阻测试、弹性模量测试和磁性测量仪等金属纳米实验室金属纳米（非晶）制备与受控凝固系统，真空冶炼设备等表面技术室旋转丝表面纳米化设备，旋转辊压塑性变形装置,离子渗氮炉,高压脉冲放电装置,脉冲电镀电源,超声表面纳米化装置等连接与加工智能化实验室双丝焊系统,感应加热系统,机器人系统,等离子加热系统,气保护焊系统，接缝激光跟踪系统，加工过程电参数传感系统，数字逆变系统，非熔化极氩弧焊系统，熔化极氩弧焊系统等等材料加工数字化与设备实验室控制电路实验系统，电弧电源，感应电源等闪光焊设备等热处理室真空热处理炉，光亮淬火炉，硅碳棒炉，铸造炉等加热炉室重烧炉，氮化炉，真空热压等材料制备工艺与工程实验教学平台金属及复合材料制备室微波炉，复合材料搅拌加热，球磨机等-10-塑性和液态成型实验室背挤压机加热炉，2000kN压力机，熔模铸造等无机非金