伴随着世界经济的日益全球化以及科学技术突飞猛进, 国家之间竞争日益激烈。这种竞争是综合国力的竞争, 更是科学技术的竞争, 也是高端人才的竞争, 归根到底是各国教育发展水平的竞争。美国因其完善的高素质人才培养体制, 一直在这种竞争中处于优势地位, 因此, 高素质人才培养是当务之急, 尤其是创新型人才的培养。教育改革迫在眉睫, 要全面推进素质教育, 以培养学生的创新能力和实践能力。其中创新能力培养尤为重要, 因为一个国家的国民经济和社会发展, 其根本动力是创新, 包括制度创新和科技创新。人类文明史就是人类创新的历史, 创新需要创造性思维, 创造性思维以知识和经验的积累为前提, 贯穿于整个创新活动中, 是出创造性成果的关键, 没有创造性思维就不会有创造性成果, 创造性思维是创造力的核心。因此, 在人才培养方案中, 要突出体现, 我校作为一所省属院校, 适时提出以“三实一创” (“三实”指:实训、实验、实习, “一创”指创新) 为核心的应用创新型人才培养模式改革计划。根据这一精神, 专业建设要结合市场对人才的需求, 课程建设要服务于专业建设, 创新能力培养要从基础课程开始。《材料科学基础》是本专业一门重要基础课, 是学生学习后续各门专业课程的必备基础理论知识, 是学生以后从事相关生产和科学研究所必须具备的理论基础, 对生产、科研具有具有十分重要的意义[1], 所以搞好该课程的教学质量意义非常重大。基础课程主要学习基本理论知识, 通过开设创新性实验, 培养学生科学的思维方法和创新能力以及运用基础理论解决实际问题的能力具有重要作用[2], 通过实验体系改革来促进创新能力培养尤为重要。
1 创新实验在创新性人才专业培养中的具有重要作用
为了适应新世纪社会对高素质的人才的需要, 1998年教育部提出了“宽口径、厚基础、强能力、高素质”这一人才培养的基本思想。各高校根据自身的特点和优势, 制定人才培养计划, 对毕业生创新能力的培养, 是各高校修订人才培养计划的重点考虑的问题。创新人才培养是一个系统工程, 包括基础知识学习、知识综合应用能力以及创新能力的培养等过程。这些能力的培养贯穿于整个教学过程中, 例如, 在基础知识的学习中, 要注重学生综合应用知识能力和创新意识培养。要培养创新能力, 首先要培养学生的创新意识, 创新意识是创造性思维和活动的基本条件和前提, 增强创新意识, 要有强烈的创新欲望和强烈的创造动机;其次要培养实践能力, 有了创新意识, 要实现它还需要进行大量实验来验证、改进, 才能获得有使用价值的创新性成更果。显然, 创新能力的培养离不开创新意识的培养与创新实践能力的培养, 创新性实验兼具这两方面的作用, 是实验教学环节中最高层次的实验, 创新性实验能够综合利用所学知识, 培养学生创新思维和创新方法, 调动学生学习的创造性, 通过在具体的实验项目实践中逐渐掌握如何发现问题、分析问题、解决问题的方法, 提高其创新实践的能力。因此, 开展创新性实验是众多重点大学提高培养质量的有效方法。目前, 在专业课实验中开设比较广泛。并且根据学校定位不同, 目的也各不相同。作为一所地方性院校, 重点培养应用创新能力, 应用创新能力同样需要培养创新意思和创新性思维, 从学科基础课开始就要注重这方面能力的培养, 因此, 如何在学科基础课中开设创新性实验就显得格外迫切。
2 创新性实验的选题
众所周知, 对于一项研究而言, 选题是整个研究能否成功的首要环节, 关系到研究是否能顺利进行, 曾有学者指出“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”, 充分说明选题重要性。对创新性实验来说, 同样如此, 选题关系到培养方向, 培养目的能否达到, 一般而言, 创新有原理性创新和应用性创新, 前者难度大, 但一旦成功, 对社会贡献大, 对省属院校而言, 培养这种开创性人才不是我们的培养目的, 后者更适合一些。结合我校“培养应用创新型人才”的培养目标, 创新性实验的选题应该重点考虑应用方面的选题。此外, 在选题时要引导学生处理好继承和创新的关系, 继承是创新的基础, 创新是继承的发展和目的, 也就是说在开展任何一项研究性实验时, 一定要先调研别人已经作了什么?还有那些没有做?然后在别人工作基础上进行进一步工作, 避免不必要的重复。
目前, 创新性实验主要在专业课中开设, 基础课中如何开展创新性实验?显然根据上面分析, 应该选择基本理论在具体实践中的应用, 将理论知识应用到新的实践活动中, 选题要求具有创新性和探索性解决应用领域一些机理性问题, 培养学生灵活应用知识的能力。此外, 在创新性实验选题方面, 要结合教师的科研内容, 在指导教师熟悉的领域选题, 便于教师的指导, 同时也可借用相关的科研仪器设备, 保证实验能够按计划完成。在制定实验大纲时要注意把原理验证和仪器操作等基本要素环节融入创新性实验中, 以充分发挥实验效能。
3 创新性实验的实施
在创新性设计性实验中, 学生在导师的指导下, 围绕选定的方向, 有针对性地进行学习相关知识和文献, 然后进行项目选题, 制定实验方案, 要求方案思路新颖、目标明确、具有创新性和探索性, 学生还要对研究方案及技术路线进行可行性分析, 并在实施过程中不断调整优化、分析实验数据并撰写总结报告。
在《材料科学基础》课程实验教学中结合教师的科研情况, 选择形核理论应用作为选题方向。首先指导学生收集金刚石薄膜在硅片上形核的相关论文, 进行文献阅读并汇总, 成核过程对金刚石薄膜的生长速率、晶体品质和性能有很大的影响, 一直是金刚石薄膜领域的重要问题之一。实验上已摸索出一系列增强成核密度的方法, 但对成核机理的理解的不充分。实验发现在光滑的硅表面金刚石形核率很低, 通过采用金刚石微粉研磨硅表面可以大幅度提高金刚石形核率。据此, 有学者提出研磨时残留金刚石微粉是金刚石形核的核心划痕则提高碳原子在表面黏附几率[3], 后来发现采用其他磨料如Al2O3、Si C等研磨同样也能提高金刚石在硅片上形核率, 效果比金刚石粉研磨稍差。有学者提出磨料研磨时对硅片表面产生划痕“锐度”影响金刚石的形核[4], 等等。显然, 对形核机理存在分歧。
通过指导学生阅读文献, 结合材料科学基础课程中有关形核理论, 引导学生提出设想:形核需要能量, 研磨是否就是为形核提供能量呢?因为研磨使硅片表面原子位移, 产生晶格畸变, 提高表面能, 为形核提供驱动力, 而划痕则阻碍碳原子在表面迁移, 便于碳原子聚集凝结成核心。如何能够证实这一设想呢?需要设计一个实验方案来验证。指导学生设计如下实验方案:将表面光滑的硅片用0.5微米粒径的金刚石微粉研磨, 将研磨后的硅片分成2组, 一组用于直接形核, 另一组在真空中退火后再形核, 根据材料科学基础课程中相关知识退火能够消除研磨产生的畸变能, 通过对比退火前后X射线衍射实验数据, 发现退火消除表面应力。在相同条件下, 在两组硅片表面进行形核实验, 对比两组形核率, 结果发现, 退火后形核率与没有研磨的光滑硅片上相当, 远低于研磨后直接成核的硅片说明退火消除了研磨作用, 尽管硅片上的划痕依旧存在。综合以上实验就可以得出结论, 研磨主要是提供形核能量, 而研磨时可能残留的籽晶只是非常次要因素, 能量才是主要因数。这样就让一个有争议的问题清晰了。
对创新性实验考核重点也与普通实验不同, 普通实验主要根据实验报告也就是结果评分, 而创新性实验除了对结果评分外还要重点对过程进行考核, 考核学生在实验方案设计时是否能提出一些新的想法, 虽然有些想法无法通过实验验证, 但作为鼓励学生进行创新性思维的实验还是应该予以考虑加分。
4 结语
通过这种建立以问题和课题为核心的教学模式, 促进了学生对材料科学基础知识的理解和掌握, 激发了学生的学习兴趣, 培养学生的创新思维能力、分析问题与解决问题的能力, 使他们初步掌握科学研究的思维方式、一般步骤和方法, 培养了学生的实际动手能力, 促进学生在知识、能力、素质上的综合提高, 为学生毕业后的实际工作奠定一定的基础。因此, 创新性实验对培养学生的创新能力是十分有意义的事情, 今后要多开设这样的创新性实验。同时, 还要不断总结经验, 在实际教学过程中不断完善、充实, 才能促进教学质量的进一步提高。此外, 由于创新性实验的特殊性, 在实验中会遇到很多新问题。这就要求实验指导教师有比较宽广扎实的专业知识, 对师资力量提出更高要求, 能促进教师队伍整体素质的提高。
摘要：材料科学基础是材料学科一门重要基础课。结合本校“三实一创”为核心的应用创新型人才培养模式改革计划, 对在该课程中开设创新性实验进行改革与实践。
关键词：材料科学基础,创新性实验,教学改革
参考文献
[1] 石德珂.材料科学基础[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[2] 赵跃智, 林海燕.材料科学基础课程教学改革初探[J].中国科教创新导刊, 2009, 26:25, 27.
[3] Sumio lijima, Yumi Aikawa, Kazuhiro Baba.Early formation of chemical va-por deposition diamond films[J].Appl.phys.Lett.1990, 57 (25) :2646～2648.
[4] 唐壁玉, 靳九成, 陈宗璋.CVD金刚石成核的最新研究[M].树料开发与应用, 1998, 13 (6) :7～10.