磁性材料制備課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與探索

熊 炫，羊佑舟，黃一鑫，胡 馳

(1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 實(shí)驗(yàn)與設(shè)備管理處，湖北 武漢 430074)

高等院校的任務(wù)是探索在新形勢(shì)下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建全新實(shí)踐教學(xué)體系，大幅提高培養(yǎng)創(chuàng)新人才的能力和水平，以適應(yīng)21世紀(jì)國(guó)家對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需求[1]。實(shí)踐教學(xué)是高校應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，一方面通過(guò)基本訓(xùn)練使學(xué)生掌握基本知識(shí)、基本方法和基本技能，另一方面是在實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案，自主實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生自主研究探索、獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新，逐步增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性[3]。課程設(shè)計(jì)是開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的主要手段[4]，它是培養(yǎng)本科生科研和創(chuàng)新實(shí)踐能力的關(guān)鍵性基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。磁性材料是電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的主要研究方向之一。磁性材料相關(guān)實(shí)踐教學(xué)工作的開(kāi)展對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生能力的培養(yǎng)具有非常重要的意義。然而以往針對(duì)磁性材料的實(shí)踐教學(xué)工作受限于時(shí)間倉(cāng)促，缺乏針對(duì)性指導(dǎo)，忽視樣品表征環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定不合理等問(wèn)題，難以全方面鍛煉和提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。本文針對(duì)磁性材料制備課程設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題，對(duì)實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行了改革和探索，逐步形成了一系列的措施和方法，有效地增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 課程設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

磁性材料的制備包含了多道工藝環(huán)節(jié)[5]，制備獲得的材料性能與實(shí)驗(yàn)者的能力與經(jīng)驗(yàn)有著直接的關(guān)系。從以往的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)生在磁性材料制備課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往很難獲得符合預(yù)期性能的樣品。分析其原因，可以歸納為以下問(wèn)題：

1)學(xué)生只了解課堂上學(xué)習(xí)的磁性材料相關(guān)理論知識(shí)，沒(méi)有實(shí)際接觸過(guò)課程設(shè)計(jì)所涉及的制備工藝，不具備完成工藝的科研素質(zhì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；

2)學(xué)生通常利用完成理論課程的間隙時(shí)間來(lái)完成課程設(shè)計(jì)，無(wú)法利用大段完整的時(shí)間來(lái)開(kāi)展課程設(shè)計(jì)，導(dǎo)致時(shí)間上比較倉(cāng)促；

3)學(xué)生沒(méi)有與課程設(shè)計(jì)配套的指導(dǎo)書(shū)；

4)以往的課程設(shè)計(jì)沒(méi)有針對(duì)性地提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力以及培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)習(xí)慣；

5)學(xué)生課程設(shè)計(jì)制備樣品的表征測(cè)試設(shè)備比較少，無(wú)法對(duì)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行有效的總結(jié)，導(dǎo)致學(xué)生通過(guò)實(shí)踐無(wú)法提升個(gè)人的創(chuàng)新能力；

6)采用分組形式完成實(shí)踐，注重對(duì)團(tuán)隊(duì)成果的評(píng)價(jià)，忽視對(duì)個(gè)人貢獻(xiàn)的評(píng)價(jià)，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練不均衡。

2 教學(xué)改革措施及方法

為了提升磁性材料制備課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)效果，通過(guò)開(kāi)展華中科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目，針對(duì)磁性材料制備課程設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)改革和探索，得到了以下措施及方法。

2.1 流程教學(xué)上升到創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本科教育以理論知識(shí)為主，本科生缺乏材料制備工藝的基礎(chǔ)。因此學(xué)生應(yīng)先通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和專業(yè)化模塊的嚴(yán)格、系統(tǒng)的訓(xùn)練，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能和技巧，再開(kāi)展探究性和創(chuàng)新性模塊的訓(xùn)練[6]。這種層進(jìn)式的教學(xué)方式，遵循了學(xué)生能力成長(zhǎng)的規(guī)律，能夠逐步提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

1)掌握基本工藝流程，理解基本實(shí)驗(yàn)原理：學(xué)生在教師給定的設(shè)計(jì)方案下，注重對(duì)材料制備工藝流程的掌握。教學(xué)注重詳細(xì)流程的講解，使學(xué)生能熟練掌握完整的工藝流程。流程教學(xué)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)備的規(guī)范操作。在教學(xué)方法上，要注重學(xué)生的互動(dòng)，強(qiáng)調(diào)原理的理解使學(xué)生在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中有更為出色的發(fā)揮。

2)查閱文獻(xiàn)，制定方案，大膽創(chuàng)新：學(xué)生在掌握工藝流程的基礎(chǔ)上，通過(guò)查閱文獻(xiàn)自主設(shè)計(jì)磁性材料的制備實(shí)驗(yàn)方案，給出論證報(bào)告，經(jīng)指導(dǎo)教師確認(rèn)后開(kāi)展課程設(shè)計(jì)的研究。該過(guò)程應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不要怕失敗。

3)樣品綜合表征，數(shù)據(jù)分析處理:利用科研儀器和教學(xué)儀器綜合表征樣品的性能。該過(guò)程應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生處理測(cè)試數(shù)據(jù)的方法，并能夠初步培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合理論分析測(cè)試數(shù)據(jù)的能力。

4)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)方案：根據(jù)樣品測(cè)試結(jié)果，修正設(shè)計(jì)方案，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多次的實(shí)踐，得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)了學(xué)生在反復(fù)的總結(jié)積累過(guò)程中的科學(xué)思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2.2 編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)

課程設(shè)計(jì)通常需要綜合運(yùn)用多門(mén)專業(yè)課程的理論知識(shí)，完成實(shí)際的工藝流程不僅需要相關(guān)理論基礎(chǔ)，更要求一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了讓課程設(shè)計(jì)的學(xué)生明確課程設(shè)計(jì)的目的，并且能夠盡快上手開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，專門(mén)針對(duì)磁性材料制備課程設(shè)計(jì)編寫(xiě)了指導(dǎo)書(shū)。從磁性材料的基本名詞解釋出發(fā)，詳細(xì)介紹了軟磁材料，硬磁材料，微波鐵氧體、磁性薄膜等不同磁性材料的相關(guān)理論基礎(chǔ)，工藝制備流程以及常見(jiàn)工業(yè)應(yīng)用，并在指導(dǎo)書(shū)的最后介紹了課程設(shè)計(jì)的大綱、學(xué)生實(shí)例及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。指導(dǎo)書(shū)配合教師的教學(xué)使學(xué)生迅速掌握磁性材料制備的原理與技術(shù)。

2.3 與科研緊密結(jié)合

磁性材料課程設(shè)計(jì)的選題主要是來(lái)自于學(xué)生查閱的相關(guān)文獻(xiàn)及教師的科研項(xiàng)目。在課程設(shè)計(jì)開(kāi)設(shè)的過(guò)程中，給學(xué)生傳授科研中積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虼蠓嵘龑W(xué)生開(kāi)展課程設(shè)計(jì)的效率和效果。

科研中使用的大型測(cè)試儀器設(shè)備(X射線衍射儀、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、環(huán)境掃描電鏡等)面向本科生課程設(shè)計(jì)開(kāi)放，為學(xué)生能夠準(zhǔn)確地分析課程設(shè)計(jì)的樣品并為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了充足的數(shù)據(jù)支持。

近年來(lái)隨國(guó)家對(duì)高校實(shí)踐教育重視程度逐年提高，基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)水平經(jīng)歷了大幅提升，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心對(duì)于教學(xué)儀器設(shè)備進(jìn)行了逐批次改進(jìn)，樣品測(cè)試結(jié)果與科研設(shè)備測(cè)試結(jié)果展現(xiàn)出高度一致性。高質(zhì)量、高水平測(cè)試儀器在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用將極大提升學(xué)生課程設(shè)計(jì)效率和良率，且充分鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作儀器能力，為學(xué)生未來(lái)從事相關(guān)科研工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 合理的規(guī)劃課程設(shè)計(jì)時(shí)間

磁性材料的制備工藝環(huán)節(jié)往往需要整段的時(shí)間開(kāi)展，在暑期開(kāi)設(shè)小學(xué)期能夠有效地緩解學(xué)生利用理論課間隙的碎片化時(shí)間進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的矛盾。

能夠有效利用暑假開(kāi)設(shè)小學(xué)期進(jìn)行流程教學(xué)及學(xué)生初次工藝設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要基于以下四個(gè)方面的條件：

1)學(xué)生時(shí)間不沖突：傳統(tǒng)的大二暑假安排了學(xué)生進(jìn)行社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，根據(jù)華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)已經(jīng)成為課外學(xué)分。在大二暑假開(kāi)設(shè)小學(xué)期開(kāi)展課程設(shè)計(jì)與培養(yǎng)計(jì)劃不沖突。

2)學(xué)生能力符合要求：本科生在大二的暑假前已經(jīng)掌握了一定的專業(yè)知識(shí)，具備了開(kāi)展流程教學(xué)及學(xué)生初次工藝設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)。

3)教師時(shí)間有效利用：實(shí)驗(yàn)教師在暑假期間需要指導(dǎo)大三學(xué)生開(kāi)展生產(chǎn)實(shí)習(xí)。教師可同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)的教學(xué)。

4)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地空閑：暑假期間，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、功能實(shí)驗(yàn)室均處于空閑狀態(tài)。學(xué)生在功能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課程設(shè)計(jì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的等待時(shí)間中(比如球磨工藝要進(jìn)行3小時(shí)，學(xué)生需要等待)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室可以臨時(shí)作為自習(xí)室使用，便于學(xué)生總結(jié)，討論和查閱相關(guān)資料。

隨著實(shí)踐教學(xué)進(jìn)入樣品表征測(cè)試階段，測(cè)試過(guò)程可以分散到碎片化時(shí)間中完成，且測(cè)試結(jié)果的分析和校正需要各方面理論知識(shí)的支持。因而這一過(guò)程非常適合于安排在正常學(xué)期內(nèi)，配合學(xué)生課程理論學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，并利用課余零散時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

2.5 注重習(xí)慣與能力的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)習(xí)慣是科研素質(zhì)中的一個(gè)重要方面。實(shí)驗(yàn)習(xí)慣對(duì)于課程設(shè)計(jì)的順利開(kāi)展非常重要。不規(guī)范的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣不僅會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至?xí)斐梢恍┎槐匾陌踩[患。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)重復(fù)強(qiáng)調(diào)習(xí)慣的重要性，并在這個(gè)方面形成一套成熟的實(shí)驗(yàn)室平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法體系[7]。樣品制備過(guò)程中，要求學(xué)生保持實(shí)驗(yàn)器具潔凈，并放在合理的位置，及時(shí)清洗任何使用完畢的器具，培養(yǎng)學(xué)生整潔的習(xí)慣；使用有安全隱患的儀器(如球磨機(jī)，燒結(jié)爐)要求學(xué)生絕對(duì)規(guī)范操作，杜絕事故的發(fā)生，培養(yǎng)學(xué)生的安全習(xí)慣；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果處理時(shí)，要求學(xué)生實(shí)事求是，不捏造，不修改，培養(yǎng)學(xué)生的誠(chéng)信習(xí)慣。

學(xué)生的實(shí)踐能力分為三個(gè)層次，第一層次為基礎(chǔ)實(shí)踐能力，比如團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、觀察能力，想象能力、儀器操作的能力；第二層次為綜合實(shí)踐能力，比如儀器應(yīng)用能力，分析能力，研究能力；第三個(gè)層次為創(chuàng)新實(shí)踐能力，創(chuàng)新實(shí)踐能力是一個(gè)重要的科研素質(zhì)。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效方式[8]?？尚行詧?bào)告的重點(diǎn)在問(wèn)題討論中，要體現(xiàn)出學(xué)生自己的創(chuàng)新思想。教師點(diǎn)撥要點(diǎn)、引導(dǎo)思路、指導(dǎo)方法、檢查方案，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)[9]。為學(xué)生提供了種類充足的材料來(lái)滿足學(xué)生的想象空間。最后提交的報(bào)告中提倡學(xué)生在報(bào)告中增加閃光點(diǎn)，即在完成的報(bào)告中表現(xiàn)出獨(dú)特的具有特色的東西[10]。

2.6 科學(xué)的教學(xué)管理與完善的評(píng)價(jià)機(jī)制

課程設(shè)計(jì)要強(qiáng)調(diào)科研實(shí)踐，在以往的分組工作中，學(xué)生中有出現(xiàn)“劃水”“混”的現(xiàn)象，違背了課程設(shè)計(jì)的初衷。

為了避免這類情況的發(fā)生，需要從學(xué)生管理和評(píng)價(jià)機(jī)制兩方面入手。一是根據(jù)Andrew R.Burrell對(duì)于課程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的研究嚴(yán)格控制小組人數(shù)和組成[11]，每組人數(shù)應(yīng)與工作量相當(dāng)并在分組時(shí)要求組內(nèi)成員具體負(fù)責(zé)一個(gè)工藝配方，并且實(shí)踐時(shí)能夠各展所長(zhǎng)?？茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理能有效地激發(fā)學(xué)生的科研潛能[12]，進(jìn)而提高學(xué)生的科研素質(zhì)。二是建立完善的評(píng)價(jià)機(jī)制。課程設(shè)計(jì)的考核采用最終考核和過(guò)程性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式[13]?？己顺煽?jī)所占的比例為：報(bào)告成績(jī)占總成績(jī)的40%，注重報(bào)告的內(nèi)容和質(zhì)量；平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的30%，從教師評(píng)價(jià)、自評(píng)、互評(píng)三個(gè)方面入手，由教師、本人及同組學(xué)生共同評(píng)定學(xué)生的平時(shí)成績(jī)；答辯成績(jī)占總成績(jī)的30%，學(xué)生制作答辯的PPT在講臺(tái)上做報(bào)告，要求每位參與課程設(shè)計(jì)的學(xué)生都能夠通過(guò)答辯展示個(gè)人的課程設(shè)計(jì)結(jié)果和收獲，立足對(duì)學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中的表現(xiàn)與貢獻(xiàn)進(jìn)行全面客觀的評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生“多干事”，努力發(fā)掘?qū)W生的閃光點(diǎn)。

3 教學(xué)改革成效

針對(duì)磁性材料課程設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題的教學(xué)改革和探索，突破了傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式，在教學(xué)指導(dǎo)、教學(xué)時(shí)間、教學(xué)規(guī)劃、教學(xué)模式以及教學(xué)效果考評(píng)等方面都有著較大的改進(jìn)。實(shí)踐表明，學(xué)生經(jīng)過(guò)磁性材料課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，理論與實(shí)踐結(jié)合的能力、分析解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力以及科學(xué)研究能力均得到了很大的提升，并且養(yǎng)成了良好的實(shí)踐習(xí)慣，這對(duì)本科生后續(xù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的開(kāi)展打下了良好的基礎(chǔ)。并為他們的進(jìn)一步深造及工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)近3年參加磁性材料課程設(shè)計(jì)的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的69名本科生進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，56名本科生在本科結(jié)束以后繼續(xù)從事科學(xué)研究，占總?cè)藬?shù)的81.16%，遠(yuǎn)高于該專業(yè)的平均水平64.03%。這表明通過(guò)磁性材料課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)實(shí)踐能力教學(xué)，學(xué)生的科研興趣和水平有著明顯的提升，并且有些同學(xué)在本科期間就發(fā)表了高水平的研究論文，這是在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法下所不可能達(dá)到的水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展磁性材料制備課程教學(xué)改革和實(shí)踐，總結(jié)出了解決課程設(shè)計(jì)問(wèn)題的一系列有效的措施，涵蓋課程設(shè)計(jì)的流程設(shè)計(jì)、時(shí)間安排、過(guò)程管理及控制與評(píng)價(jià)等多方面，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)及能力取得了很好的效果，并為學(xué)生進(jìn)一步開(kāi)展科學(xué)研究工作打下了良好的基礎(chǔ)。以上措施能夠有效地推廣到電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的其他材料制備課程設(shè)計(jì)中去。

本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)已經(jīng)成為一種時(shí)代的潮流和需求，課程設(shè)計(jì)作為本科生創(chuàng)新的起點(diǎn)如何面向需求充分地發(fā)揮作用，將成為磁性材料課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革今后的主要研究?jī)?nèi)容。