教学成果总结报告

教学成果总结报告

 


 

称: 基于材料分析公共平台的全程式

              研究性教学模式探究

成果完成人:  杨延清,陈忠伟,黄  斌,艾艳玲,

傅茂森,丰  焱,卢锦花

成果完成单位:西北工业大学

间: 20151014

 

 

 

 

 

 

 

一、成果产生的背景与意义

众所周知,材料性能取决于材料的化学成分和组织结构,不掌握材料的化学成分和组织结构就无法研制出高性能的材料。材料科学与工程的发展,越来越注重材料的内部微观结构和原子排列,越来越强调从分子、原子层次上阐明其本质、进行材料设计,越来越与物理、化学、力学等学科交叉,从而出现了一系列的突破。纵观材料科学与工程及其相关学科的发展历程,是与透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪及其它一些分析测试仪器息息相关的,许多重大的科学发现及材料科学与工程的进展,均依赖于材料分析测试仪器的进步。

陕西省材料分析研究中心,依托西北工业大学材料科学与工程国家一级重点学科和凝固技术国家重点实验室,为全省科学研究和生产质量控制提供一个先进的材料分析公共平台。主要承担全校的材料学、材料加工工程、材料物理及复合材料等学科的材料微观组织结构测试与分析任务,并承担全校多门课程:

(1)博士研究生课程《材料电子显微学》;

(2)硕士研究生公共课程《电子显微分析》、《材料现代研究方法》及英文选修课程《Microstructure analysis of advanced materials》;

(3)本科生专业核心课程《材料现代研究方法》与选修课程《现代电子显微分析技术》、《晶体学及X射线衍射分析》;

(4)留学生课程《Electron microscopy and analysis》。

材料分析研究中心目前承担教学课程的最主要特点是,课程内容与多种大型分析仪器设备紧密结合;课程要求学生对于涉及的主要分析方法具有相关的实验动手能力;课程要求学生通过测试实验后能对相关的实验数据进行相应的后处理和综合分析。

通过与国内外高等学校的相关教师交流发现,国内外各学校对于材料分析研究方法课程的教学普遍存在这样一个现象:教学过程中学生普遍反映此课程教学内容中涉及的原理性知识过多过深,而实践教学内容偏少,缺乏一定的实用性。造成这一现象的主要原因是,由于该类课程涉及的一些材料分析方法均是必须在昂贵的大型仪器设备中才能完成,但几乎所有高校在大型仪器设备配置方面全校一般仅只有一至几台,这样对于满足每个学生的实践操作就难以实现,相对独立的实验教学活动无法开展,对于学生自主设计实验方案进行创新性实践更是无从谈起。材料分析公共平台中全程式研究性教学模式就是为解决这一具体的教学与实践矛盾问题而进行的探究与实践。

全程式研究性教学模式,即将培养学生的实践能力和研究兴趣、充分利用材料分析大型仪器设备资源、充分利用西北工业大学拥有的大量从事科研工作的人力资源与科研课题资源等三个因素实现有机地结合,改革教学模式,将科研案例有机融入课堂教学,实现教学内容、时间与空间的在学期间全延伸,持续培养学生的材料分析能力,提高学生的科研创造力,培育研究型拔尖人才。

 

二、全程式研究性教学模式的构建

1、指导思想与核心理念

指导思想是:基于材料分析公共平台的优势资源,探究全程式研究性教学模式,培养具有创新精神和实践能力的优秀人才。

核心理念是:本硕博多层次教学的有机衔接,教学和培养的在学期间全延伸,科研案例的课堂教学有机融入。

 

2全程式研究性教学模式的具体措施

1)全程指导、全程培训、全程参与,实现教学和培养的在学期间全延伸

通过多种形式,将课程相关内容的教学和对学生材料现代测试分析能力的培养延伸到其整个在学期间,提高学生的科研能力。在科研活动中培训学生操作大型仪器,促进其进一步掌握所学理论知识与技术,鼓励学生参与对企业的分析测试服务项目,培养他们解决企业生产实际问题的能力。

a.       材料分析研究中心教师们在教学、实验、科研活动、论文研究等过程中随时对学生提供帮助和指导,讲解在其科研中和论文研究中的疑问,并对所得测试结果进行分析讨论和讲解,具体科研问题具体分析,启发诱导,实现学生在学期间的全程指导。针对材料现代分析研究方法方面的前沿技术与理论知识,也邀请国内外著名专家讲学和上机操作指导,分析学生实际科研活动中遇到的材料分析研究方法方面的疑难,给出切实可行的解决方法。

b.      材料分析研究中心连续七年举办“西安电子显微分析EBSD/EDS培训与研讨会”,主办陕西省电镜年会与学术交流会、西北五省电镜年会与学术交流会、陕西省分析测试年会、材料分析测试新仪器设备与技术发布会,通过各种现代材料分析方法学术交流与培训,使学生熟悉并掌握材料现代分析方法及其在科研中的应用,提高了学生的综合分析能力。

c.       对学生进行不同层次的培训。(i)基本型操作培训,大多数研究生均自己能够操作扫描电镜及X射线衍射仪;(ii)管理型操作培训,每年深入培训五至八名优秀研究生,协助管理和操作不同的仪器设备;(iii)研究型操作培训,对一些主要进行微观分析研究的博士生和硕士生,从操作、管理和分析等方面全面培养,将仪器向其完全开放,支持其开展创新性科学研究、获得高质量结果、发表高水平论文。全面提高了学生的实验动手能力,充分发挥了学生的科研主动性和创新性。

d.      材料分析公共服务平台不仅为我校,而且为全省乃至全国的材料研究和生产质量控制提供一个先进的服务平台。部分企业委托的分析测试项目让学生参与,使学生在学校内就接触到工厂生产中的实际问题,了解到企业的需求,培养了学生解决企业实际问题的能力。如我们与美国艾默生公司长期合作,每年均有4-5名研究生参加相关的分析测试工作。

 

2)立体化、信息化,形象化,推行科研案例的课堂教学有机融入

深化各种材料分析研究方法的技术原理和实验方法的课堂教学,通过网络资源、原创设计制作、拍照摄像等手段,借助于以计算机为核心的现代信息技术制作出集成了文字、图形、影像、动画、声音及视频等多种教学媒体信息的形象化和通俗化的多媒体课件,针对不同的授课对象,在课堂教学过程中实现立体化、信息化,形象化,教学效果明显提升。课堂教学中引入科研案例和历届学生论文中出现的问题,通过让学生对具体案例进行剖析和老师的讲解,加深和拓展了学生对理论知识的理解和运用,也提高了学习兴趣。

a.       材料现代分析方法系列课程始终将科研项目融入课堂教学中,如结合大运项目对某合金析出相的研究,指导学生学习共格颗粒的衬度特点和原理,并进而巩固掌握TEM图像的各种衬度原理,讨论TEM和HAADF-STEM图像的不同,让学生分析实际的TEM电子衍射谱,等等。

b.      材料现代分析方法系列课程教学过程中,针对本科生、硕士生、博士生、留学生差异化的授课对象,根据不同层次学生对该类课程的实际需求,确定授课内容的重点、难点及其实践教学环节,实现多层次、立体化教学。对于本科生授课时,简单明了讲解分析测试仪器的原理,侧重仪器设备的具体应用范围;对于硕士研究生,侧重仪器设备的原理和基础晶体学知识,使其在后续科研过程中有效深入地理解和应用这些仪器设备为其研究工作服务;对于博士研究生,重点讲授电子光学理论和衍射理论, 提高其综合分析能力和创新能力。

c.       利用陕西省精品资源课程的建设项目,借助于以计算机为核心的现代信息技术制作多媒体课件,建设《现代分析测试方法》陕西省精品资源共享课程,拓宽材料现代分析方法课程的场域。

d.      材料现代分析方法系列课程教学过程中,适时增加仪器设备的具体操作与运行的视频,使实践教学过程可视化、形象化。例如,电镜试样制备不仅有较大的难度并且耗时,经过摄像编辑处理后,制作成课件,便于学生理解与学习。电镜中的原位实验研究过程不但过程耗时,而且实验场地较为狭小,传统的实践教学很难完成,通过高分辨摄像与视频制作后,可以使所有学生观看到微观实验的具体细节。

 

3)开放、共享、创新,保障全程式研究性教学全过程

积极发挥材料分析公共平台的优势,积极开发仪器功能,加强和扩大了实验教学环节,培养了学生对材料分析研究的实验动手能力和兴趣。通过人才引进、国内外合作与学术交流,鼓励开展科研等措施,提高青年教师的理论水平和实验水平,形成一支过硬的教学和实验团队,为研究型教学提供了人才保障。

a.       材料分析研究中心积极争取各方资源,提升平台服务能力,丰富教学内容。我校的“211工程”、“985工程”平台优先支持材料分析公共平台的仪器设备保障建设,同时学校的大型仪器设备共享基金、陕西省科技资源中心的大型仪器设备共享基金等,更进一步地保障了材料分析公共平台的良性运行。通过十余年的建设与运行,占地约1000平方米的材料分析研究中心已拥有三台套场发射扫描电镜、一台套300KV场发射透射电镜、、高温激光共聚焦显微镜、激光拉曼光谱仪、X射线衍射仪、激光导热仪、热模拟试验机、电子万能试验机、电镜制样设备、金相制样设备等大型材料分析仪器设备,均具有国际先进水平,在西部地区处于领先地位。

b.      中心为全校学生的教学、分析研究提供共享服务。每年为科研和生产进行了大量的材料分析测试;完成我校300余人博士生与硕士生必修的《材料电子显微分析》课程的教学任务,以及材料学科近200名本科生必修的《材料现代研究方法》课程的教学任务,教学效果优秀。对参加学校大学生科研创新计划、本科生重点扶持计划、研究生种子基金、博士生创新基金和青年教师基础研究基金等相关科研项目的学生,进行重点支持和开放。

c.       材料分析研究中心教师结合分析仪器的前沿技术,积极开发多项仪器应用功能,拓宽材料分析仪器的应用范围。例如首先在国内开展XRD单晶应力测定研究,合作开发XRD晶体单晶定向功能、开发TEM的三维重构功能、开展T-EBSD功能研究、开发未知物相的EBSD鉴定方法,开发单晶电子衍射花样重构未知纳米相布拉菲点阵的方法,等。

d.      中心鼓励教师开展创新性研究,通过人才引进、国内外合作与学术交流等措施,提高青年教师的理论水平和实验水平。材料分析研究中心现有教授一人、副教授四人、讲师和工程师各一名,其中从日本引进博士后一人、从浙江大学引进博士一人、送出一人在国外进行深造;与美国北德州大学、澳大利亚昆士兰大学德教授开展合作研究;邀请美国、加拿大、西班牙、希腊、澳大利亚等国的专家学者访问讲学17人次;邀请国内北科大、北工大、重庆大学、金属所等专家学者讲学;邀请仪器厂家的应用专家如FEI的国际著名专家汤栋博士、牛津的焦汇胜博士等做应用报告;鼓励大家参加相关的国内外学术会议,等。

 

三、成果的创新点

本项目在与“材料现代分析”相关的教学和人才培养方面有以下创新:

(1)将学生的实践能力和研究兴趣、学校材料分析仪器设备资源、科研教师的科研课题资源等三个因素实现了有机地结合。

(2)建立了持续到毕业的多种形式的全程式人才培养体系,实现了教学的内容、时间与空间在学期间全延伸,持续培养了学生的材料分析能力,提高了学生的科研创造力,促进了我校高水平科研论文的发表。

(3)实行了将科研案例有机融入的研究性教学模式,实现了本、硕、博多层次教学和人才培养的有机衔接

(4)创建了优秀的材料分析公共平台资源,建设了“教学科研+实验技术+共享服务”共担的高素质团队,建立并完善了“教学、科研、服务”并重的运行制度,有效的保障体制保证了全程式研究性教学模式的推进。

 

四、成果的应用

材料分析研究中心经过十余年的建设与运行,依照学校的大型仪器设备共享管理办法,坚持全程式研究性教学模式的指导思想与核心理念,培养了学生的实验动手能力和微观结构的分析能力,提高了学生的科研创新能力,使西北工业大学的科研水平得到了极大的提高。

西北工业大学材料学院学生在国内外受到欢迎和重用。培养出国家青年拔尖人才1人、教育部新世纪优秀人才5人、洪堡学者2人、全国百篇优博论文1篇、陕西省青年科技新星1人。经中心培养过的本科生武立言和任畅分别在nature和Science上发表论文,博士生冯宗强和雷毅敏毕业后均在各自的岗位上“发挥了重要作用”,被认为“是一名合格并具有很好学术潜力的青年教师”、“具有很好的创新精神”。

西北工业大学材料学院的科研创新能力得到极大提高,高影响因子的学术论文逐年增加。以材料分析公共平台为基础产生了多项标志性的研究成果:发表高水平SCI收录论文600余篇,其中包括Progress in Materials Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Journal of American Chemistry Society等国际顶级期刊论文;获授权专利120余项;出版专著2部;获得国家技术发明奖3项、陕西省科学技术奖6项;教育部技术发明奖1项,陕西省高校科学技术奖10余项;获得西北工业大学教学成果一等奖1项、陕西省首届研究生创新成果展二等奖1项、西工大顶尖博士研究生奖励基金 2项、本科生全国金相大赛特等奖和一等奖各1项;西北五省电镜研究生照片比赛二等奖和陕西省电镜研究生照片比赛一等奖,等。

该成果在西安理工大学和西安交通大学医学部得到应用,西安理工大学认为“通过在我单位的借鉴与吸收,极大提高了学生的科研实践能力”,西交大医学部认为“推动了我单位的实践教学环节”,“大大提高了学生的科研创新能力,使我单位的科研水平得到了极大的提高”。分析中心的运行与管理模式经陕西省科技资源中心在“全省分析测试单位进行积极推广,效果显著”。

材料分析公共服务平台的建设和运行,不仅为西北工业大学带来了良好的影响,而且为全省乃至全国的材料研究和生产质量控制提供一个先进的服务平台和人才培养基地。陕西省科技资源统筹中心已将材料分析公共平台列为陕西省新材料分析测试公共服务平台,工信部以材料分析公共平台为基础,立项建设“国家钛材产品质量监督检验中心”。成为了凝固技术国家重点实验室材料分析研究中心、陕西省大型科学仪器设备协作先进单位、单晶定向应用示范实验室、西安经开区实验测试公共服务平台成员单位、美国Emerson公司西工大材料性能检测中心。