材料与工程学科综合实验课程体系的构建与创新人才的培...

材料与工程学科综合实验课程体系的构建与创新人才的培养成果总结理论教学和实验教学是高校教学工作的主要内容，而学生综合素质和能力的培养则是现代高校实施教学的重要环节，也是高校学生培养的重要任务。过去教师和学生往往把过多的精力和时间放在理论课的学习上，把实验教学当作理论课的附属品放到次要的地位，导致培养的学生不能适应社会发展的要求。目前，实验教学已经引起了教育部和各高等院校的重视，实验教学已作为高等学校教学工作的重要组成部分，是培养合格人才的基本教学环节，在学生能力培养和综合素质提高方面有其独特的作用，通过实验，可以培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力、正确的思维方法和严谨的科学态度和工作作风。一、材料与工程学科构建综合实验课程体系的指导思想在实验教学体系的构建和实验内容的设置方面，以“夯实基础、注重实践、培养能力、突出创新、提高素质”为指导思想，以培养和提高学生的实验技能、工艺操作能力、工程设计能力、科学研究能力和创新能力为目标，利用材料与能源学院现有金属材料与工程、高分子材料与工程、微电子材料与工程和材料成型及控制工程等本科专业已有的设备、人力、物力资源，突破现有的专业界限，构建了从材料制备—材料结构表征、性能测试分析—材料成型加工—产品性能测试分析的应用型创新人才培养的综合实验课程教学体系，具体如图所示：材料科学与工程大学科专业平台实验教学内容材料科学与工程实验课程教学内容金属材料电子材料高分子材料制备/加工设计/成型制备检测器件制备制备测试分析选用/成型熔铸、烧结、热处理、碳氮共渗、真空淬火、电镀、化学镀等测试分析导电材料、绝缘材料、半导体材料、电阻材料、磁性材料聚合、共混、合成，改性CAD/CAM/CAE先进软件锻压、铸造、焊接、切削氧化、扩散、光刻、刻蚀，封装浆料制作、电路版图设计、丝网印刷、烧结成型，性能测试CAD/CAM/CAE先进软件；挤出、注射、压延、拉伸、覆膜力学性能电学性能热学性能结构分析成分分析物相分析其它性能二、特色实验室建设材料与能源学院在原有设备的基础上，进行资源整合和共享，利用本科教学评估期间，学校投资的实验室建设经费，重点建设了五个特色实验室，每个特色实验室都形成了体现学科交叉的“材料制备-加工-检测-成型”的有特色的多个综合实验项目，对全院学生开放，随时为学生提供了一个巩固专业知识、提高实验技能、强化创新意识、熟练产品开发流程的实践环境，形成自己的半学特色，重点提高学生的创新能力和综合素质。1．材料成型及控制工程特色实验室：该特色实验室主要由塑料成型、金属成型（主要是板料成形）两大板块组成，每个板块都包括了材料成型性能测试、成型模具设计与制造、成型设备的控制应用等知识点，使学生掌握塑料、金属板料成型性能测试、成型工艺参数控制、成型模具设计与制造、成型设备的控制等材料成型全过程的专业基础知识、专业知识及解决相关工程技术问题能力。本实验室最具特色的综合实验是“模具专业综合实验”，该综合实验要求学生完成从产品设计（金属或塑料制品）—模具设计—模具制造—产品成型生产全过程，大大提高了学生综合运用知识、解决工程技术问题能力。该综合性实验可对材料成型与控制工程专业，金属材料与工程专业，高分子材料与工程专业的学生开放。2．微电子器件工艺特色实验室：实验室可完成硅片清洗工艺、氧化工艺、氧化层厚度测试；光刻工艺、刻蚀工艺，刻蚀结果检测；硼预扩散工艺、硼再扩散工艺、磷预扩散工艺、磷再扩散工艺，方块电阻测试掺杂浓度；金属化工艺等晶体二极管、三极管和场效应管的制造工艺，并可完成器件性能的检测，包括晶体管击穿特性、直流放大特性等测试，场效应管的C-V特性、I-V特性测试。能完成从器件设计–器件制备-性能检测的完整的综合实验体系。该实验室的另一模块是完成PCB电路板的设计，图形转移，PCB电路板制作，集成电路芯片和电子元器件的贴装、焊接，电路板的功能测试。为学生提供完成基础实验课程训练、综合实验训练、创新设计的实践环境，培养学生创新、设计、制作与验证的电子类产品开发流程和技能。为学生们参加“挑战杯”等各种全国电子设计竞赛以及广东省电子设计竞赛提供创新平台。如03级有6名同学，04有10名同学参加了全国“达盛杯”电子毕业设计和创新设计大赛。还先后有16人参加了学校组织的电子设计竞赛。3．电子材料与元器件制备和性能检测特色实验室：实验室可完成厚膜电阻、电容、电感和薄膜电阻、电容、电感及超级电容器、电池、简单传感器等基本元件的制作和性能测试。学生可通过成份设计、制作相应的电子浆料、设计简单的电路版图、丝网印刷出相应的厚膜电路坯、烧结成型等步骤制作出简单的厚膜电阻，电容、或电感，然后进行器件的性能测试和分析。同时也可进行导电材料、绝缘材料、半导体材料、电阻材料、磁性材料等多种材料的制备和性能测试。4．高分子材料与工程特色实验室：该特色实验室已形成了集高分子材料制备——结构与性能检测——成型机械——加工助剂——橡胶和轮胎技术——模具设计与制造等全面而综合的高分子材料与工程实践教学体系，通过专业综合实验进行实践教学，学生通过上述实践环节的学习，对高分子材料与工程专业涉及的从制备、结构与性能，成型方法与机械，加工助剂，橡胶和轮胎技术，模具设计与制造等都有了全面的掌握，从生产技术到经营方略都有了一个初步认识。据用人单位反映，本专业毕业生到工作单位后，绝大部分能够较快适应工作环境，知识面广，独立分析解决实际问题的能力强。5．金属材料与工程特色实验室：铸造金属材料或合金－在坩埚炉熔炼-模具中进行凝固-车床上加工成金相试样和力学性能检测试样－金相观察与分析－力学性能测试－热处理－金相观察与分析－力学性能测试。对金属材料在各种不同工艺条件下进行热处理，获得各种不同的组织，并对其进行硬度测试、金相试样的制备、显微组织观察及金相显微摄影。以使学生充分理解掌握金属材料的热处理工艺对组织的影响，组织与性能的对应关系，以及金相组织的检测技术。三、综合实验课程体系的构建与创新人才的培养通过整合优化和更新实验教学内容，开出了普通实验、综合性实验、设计性实验和演示实验等多种形式的项目，实验内容不但包括了工业上的三大类常见材料(金属、电子材料、高分子材料)的制备、加工以及测试分析方法，还延伸了金属与高分子材料的产品设计与成型加工实验项目，形成了材料“制备-加工-检测-成型”完整的一套体现学科交叉的实验项目。学院共开出131门实验课程，其中综合、设计性实验比例达85%。其目标是拓宽了学生的知识面，增加了学生综合能力和创新能力，为学生的发展和就业奠定了坚实基础。下面简要介绍几个有特色的综合性实验项目：1．综合实验一：模具设计、加工和产品制造综合性实验该实验覆盖了从一个模具设计到加工制造的完整过程，使学生得到了一个完整的模具设计制造过程的体验，已经成为材料科学与工程学科的一个培养特色。根据实验室的条件和四年的探索和实践，专业综合实验按照以下方式进行：学生利用专业三维和两维CAD软件设计一个塑料制品或冲压件，并设计上述产品的注塑模具或冲压模具，绘制出模具装配图和零件图，制定加工模具的工艺路线，进行模具零件的数控加工，外购实验所需的模架、原材料、零配件、量刃具和夹具等，加工制作、装配所设计的模具，并在注塑机或曲柄压力机上试模，生产出合格的塑料制品或冲压件。根据实验条件，每个学生的实验工作包括两部分。个人部分主要是模具CAD部分，是按自己个人的实验题目完成综合实验的相关内容。小组部分是模具制造实验部分，经过小组讨论后选择本组中最优方案，提交指导教师进行可行性审核，最后由每组学生自主进行具体的模具制造实验。小组实验时，成员相对分工负责，指定组长、副组长，指定设计、采购、编程、加工、抛光、装配、试模负责人，使每一成员都参与实验，参与技术交流互动。该综合性实验具有以下特色：（1）工程实效性。模具专业综合实验内容是按专业生产实际来要求学生的，实验中，学生学到的知识和动手能力与工程实际接轨。（2）综合性。将设计、制造、成本核算综合；将设计、制造、装配综合；将CAD、CAM、NC综合；将普通加工和数控加工综合，培养综合能力、整体观念和团队精神。（3）创新性。在专业综合实验中，只对实验内容提出总体要求，让学生自己确定实验题目、成员的分工、实验手段、实验方案和实验步骤，并自主进行有关实验。因此，专业综合实验为学生提供了一个创新平台。2．综合实验二：双极晶体管的设计、制备工艺和性能测试综合实验该综合性实验包括双极晶体管的设计和制备两个部分，要求学生根据给定的晶体管电学参数，完成晶体管的纵向结构参数设计（包括发射结结深，集电结结深，基区厚度等）→晶体管的图形结构设计（发射区、基区的形状和面积）→材料参数的选取和设计（各区的掺杂浓度等）→制定实施工艺方案（氧化层的厚度，氧化温度和时间，扩散的硼、磷预扩散和再扩散的温度和时间）。晶体管的制备包含了七个工艺过程：硅片的清洗工艺→氧化工艺→光刻基区→硼预扩散工艺→硼再扩散工艺→氧化工艺→光刻发射区→磷预散工艺→磷再散工艺→双极晶体管性的击穿特性测试、直流放大特性测试和电学参数测试。3．综合实验三：厚薄膜集成电路中厚膜电阻的制备和性能测试分析该综合性实验要求学生通过设计厚膜电路用电阻成份、制作相应的电阻浆料、设计简单的电路版图、丝网印刷出相应的厚膜电路坯、烧结成型等步骤制作出简单的厚膜电阻，最后测试该厚膜电阻的电阻率，总结归纳出电阻浆料成份与电路电阻率之间的关系。通过上述实验，使学生经历制作简单厚膜电路的全过程，体会成份及烧结工艺对电阻率的影响程度，加深对厚膜电路质量与电阻率之间关系的认识，掌握厚膜电路的电阻的测量方法，掌握成份对厚膜电阻烧结质量乃至电阻率的影响规律。该综合性实验的特色为：（1）厚膜电路是目前发展迅速的混合集成电路(HIC)中最基本的组成部分，本实验要求学生通过实验，制作出简单厚膜电阻并测试其电阻率，经历制作厚膜电阻的全过程，与实际生产过程联系密切。（2）本实验包括成份设计、浆料制作、版图设计、丝网印刷、烧结成型、性能测试等多个过程，所涉及的知识面广，综合性强。（3）本实验需用到不同类型和档次的设备与工具，例如既需要使用较为先进的真空烧结炉、热转印机，又需要使用自己动手制作的简单的丝网印刷用掩模，从而使学生在实验过程中领会设备与工具在制作厚膜电路中的重要作用。（4）本实验包括成份设计、浆料制作、版图设计、丝网印刷、烧结成型、性能测试等多个过程，每一过程都包括多个步骤，因实验时间有限，因此要求每组学生要互相配合才能完成任务。因此本实验有利于培养学生团结协作的团队精神。4．综合实验四：金属材料处理、组织性能分析及检测综合实验通过对碳钢在各种不同工艺条件下进行热处理，获得各种不同的组织，并对其进行硬度测试、金相试样的制备、显微组织观察及金相显微摄影。以使学生充分理解掌握金属材料的热处理工艺对组织的影响，组织与性能的对应关系，以及金相组织的检测技术。5．综合实验五：铸造铝合金的熔炼、加工、处理与分析实验通过配置铸造铝合金－在坩埚炉熔炼-模具中进行凝固-车床上加工成金相试样和力学性能检测试样－金相观察与分析－力学性能测试－热处理－金相观察与分析－力学性能测试。构建了从材料制备——性能分析、测试——材料热处理——产品性能分析、测试的材料科学与工程学科的高素质应用型人才培养的课程教学和实践技能训练体系，让学生在这样的培养体系中得到锻炼与提高，融会贯通所学知识。实践证明专业大型综合实验教学模式是一种有益的尝试与改革，是一种注重学生综合素质、工程实际能力的培养，能充分发挥学生创新能力，并符合当前学生就业形势的新的实验教学模式，也是行之有效的专业实验教学手段.四、专业实验教学新模式的实践通过分析专业实验教学过程中面临的主要困难，根据专业实验教学的目标和教学特点，进行了专业实验教学模式的改革和实践。专业实验教学面临的主要问题是专业实验实验学时较多，学生较多，而师资少，实验仪器的台套数少，五万元以上的设备基本上都是单台套，实验周期长；部分专业实验具有时代性和先进性，每个特色实验室都购买了一些较大型的高层次的设备，这些设备不可能让每个学生都得到