1. 引言
材料物理专业作为典型的工科专业,其人才培养需紧密对接新材料产业的技术需求,注重理论知识向工程实践的转化能力培养。传统实习教学中,高校面临实习基地不稳定、教学内容滞后、学生参与度不足等问题,难以满足“宽口径、厚基础、高素质、重创新”的人才培养目标[1]-[3]。
国内外实习教学改革聚焦产教融合与实践创新。国内高校如江西理工大学提出“全过程协同实习模式”,通过校企联合设计认识实习、生产实习、毕业实习全流程内容,提升实践系统性[4];辽宁科技大学构建“协同实践”模式,强调材料成型全流程自主实践[5];中国矿业大学推行“1 + X”菜单专题式模式,以企业典型问题分解驱动学生主动探究[6];武汉工程大学化工专业探索“线上 + 线下”模式,利用虚拟仿真技术突破现场实习限制[7]。国外经验方面,周楠等提出的国外矿井在线数字实习模式[8],通过直播讲解、虚拟仿真等手段克服地域与安全限制,为本专业“三维立体化线上资源库”建设提供借鉴。
武汉工程大学材料科学与工程学院材料物理专业以《新型产业实践计划》课程建设为突破口,围绕材料物理专业特点,深度整合产业资源,构建了“产学研用”四位一体的实习教学体系,在教学模式创新、实习内容优化、学生能力培养等方面积累了宝贵经验。本文结合该课程的建设成果,探讨材料物理实习教学的创新路径与实施策略。
2. 材料物理专业实习教学的现状与挑战
2.1. 传统实习教学的局限性
传统材料物理实习教学多以校内实验和短期企业参观为主,存在以下问题:其一,校内实验侧重验证性项目,与产业前沿技术脱节,学生缺乏对复杂工程问题的解决能力训练;其二,企业实习常流于形式,学生难以参与核心生产环节,对产业实际需求认知不足;其三,实习教学评价体系单一,侧重理论知识考核,忽视创新能力与实操素养的综合评价[9] [10]。
2.2. 产业升级对人才培养的新需求
随着新能源、微电子、半导体等战略性新兴产业的快速发展,材料物理专业人才需具备以下能力:一是掌握薄膜制备、等离子体技术、材料表征等核心技术;二是具备跨学科知识整合能力与工程实践经验;三是拥有创新思维与解决产业实际问题的能力。传统的实习教学模式难以满足上述需求,亟需通过教学改革构建新型实习教学体系[11]。
本专业通过“项目驱动式”教学,将实践深度从“认知层”提升至“创新层”,与江西理工大学“全过程协同设计实习内容”[4]共同体现“新工科”对实践系统性与创新性的双重要求。
3. 新型产业实习教学模式的创新构建
3.1. 构建“双主体”实习教学体系
3.1.1. 共建实习基地,深化产教融合
武汉工程大学材料物理专业依托行业资源,与中国科学院某工程技术中心、某节能玻璃上市公司、某半导体芯片公司等12家企事业单位共建实习基地,形成“高校理论教学–企业实习训练–产业技术转化”的闭环培养模式。以中科院某工程技术中心为例,该基地拥有常压微波等离子体、微电子成套设备技术、原子层沉积薄膜生长设备等先进装置,支撑“材料制备–设备调试–性能表征”全流程实习教学。学生分组参与三大核心模块实习:
A组(设备研发岗):查阅热原子层沉积(Thermal Atomic Layer Deposition, TALD)和等离子体增强原子层沉积(Plasma Atomic Layer Deposition, PALD)设备的前沿文献,掌握气相前驱体脉冲交替吸附反应原理,完成设备核心部件(如反应腔、气体流量控制系统)的组装与精度校准(如图1所示)。
Figure 1. Student assembly practice
图1. 学生组装实操训练
B组(工艺研发岗):使用远程等离子体ALD系统,针对柔性衬底(如聚酰亚胺薄膜)开展工艺优化,通过正交试验法研究前驱体源(如TiCl4、H2O)、沉积温度(80℃~200℃)、射频功率(50~150 W)对薄膜均匀性的影响,形成《低温柔性衬底ALD薄膜沉积工艺手册》。
C组(质量检测岗):运用X射线衍射、扫描电子显微镜等微结构表征技术,分析薄膜结晶度、厚度及表面粗糙度,建立“工艺参数–薄膜性能”关联数据库,为企业量产提供技术参数参考。
校企双方共同制定《实习基地管理办法》,明确权责分工:企业提供设备、技术骨干及真实生产场景,高校负责教学方案设计、学生管理及理论支撑。近三年,该基地累计接纳实习学生100余人次。
3.1.2. 引入产业项目,强化实战训练
将企业技术难题转化为教学项目,推行“项目驱动式”实习教学。例如,对接某公司“低辐射节能玻璃镀膜技术升级”需求,设置以下教学环节:
1) 需求分析与方案设计:学生调研建筑玻璃节能标准(如GB/T 2680-2022),分析现有镀膜工艺(磁控溅射法)在低辐射率(≤0.15)与高透光率(≥70%)之间的矛盾,提出“多层膜系结构优化 + 等离子体后处理”技术路线。
2) 模拟仿真与参数优化:利用薄膜设计软件模拟SiO2/TiO2/Ag多层膜的光学性能,确定最佳膜厚(50~100 nm)与溅射功率(80~120 W),并在企业提供的商用设备上进行验证。
近三年,累计引入企业横向课题3项,覆盖薄膜制备、设备维护、材料检测等领域,学生完成工艺改进报告60余份,申请专利2项,真正实现“在实践中学习,在学习中创新”。
3.2. 打造“线上 + 线下 + 课下”三维教学空间
3.2.1. 线上资源建设:突破时空限制
针对实习教学受时空限制的问题,开发“三维立体化”线上资源库,包含三大模块:
1) 理论奠基模块:学习《真空技术基础》《薄膜制备原理》等慕课,配套动画演示(如磁控溅射等离子体电离过程动画)、设备3D模型(如ALD反应器结构拆解图)。
2) 虚拟仿真模块:学习使用“真空镀膜设备虚拟调试系统”,学生可在线模拟设备漏气排查(如氦质谱检漏仪操作)、工艺参数设置(如沉积速率与温度关联模拟),系统内置20种故障场景(如真空泵失效、气体流量异常),考核学生应急处理能力。
3) 企业课堂模块:通过腾讯会议开展“工程师直播课”,邀请企业研发人员讲解“建筑玻璃镀膜生产线智能化改造”,展示在线膜厚监测系统(精度±1%)、缺陷自动检测算法,同步设置“云参观”环节,学生可远程操控摄像头查看生产现场。
3.2.2. 线下实践:聚焦科研与工程能力培养
校内实践依托“等离子体化学与新材料湖北省重点实验室”,设置“基础技能训练–科研项目实战–工程化验证”三级平台:
1) 基础平台:开放50余套设备(如JGP450磁控溅射仪、微波等离子化学气相沉积金刚石生长设备),开展“设备拆装与调试”实训,要求学生独立完成真空度校准(≤10−4 Pa)、电极间距调节(精度±0.1 mm)等操作,通过率纳入学分考核。
2) 科研平台:结合导师科研方向,设立“二维材料制备”、“柔性电子器件”等10个创新小组,学生参与国家自然科学基金项目在内的纵向课题,掌握化学气相沉积等制备技术和原子力显微镜等表征方法,本科生近三年发表SCI论文3篇。
3) 工程平台:与武汉某半导体公司合作建立“半导体薄膜工艺验证中心”,学生参与“200 mm硅片氧化膜均匀性优化”项目,运用响应面法(RSM)分析温度(900℃~1100℃)、气体流量(50~200 sccm)对膜厚均匀性(目标±2%)的影响,形成工程化解决方案。
校外实习采用“轮岗制 + 项目答辩制”,学生在企业技术部、生产部、质检部轮岗,每岗实习2周,完成《岗位技术报告》,最终通过校企联合答辩方可结业。
3.2.3. 课下延伸:导师制与创新项目驱动
实施“全周期导师制”,学生从大四开学即选定导师,参与“科研选题–实验实施–成果转化”全过程:
1) 科研启蒙:导师定期开展组会(每周1次),分享产业前沿(如钙钛矿电池薄膜制备技术),指导学生撰写文献综述,近三年累计完成综述报告200余篇。
2) 项目实战:依托“大学生创新创业训练计划”,学生在导师指导下参与大学生创新创业大赛3项,分别为“微波等离子化学气相沉积技术制备Mo2C及其性质研究”、“晶圆级单层MoS2薄膜的制备及其性能表征”和“利用熔融盐法制备二维单层WS2薄膜”。
3) 就业衔接:校友(如某知名半导体公司资深工程师)定期回校开展“产业导师讲堂”,分享“半导体薄膜技术发展趋势”,并为学生提供职业规划建议。近三年,经校友推荐进入高新技术企业的毕业生占比达20%,形成“实习–实践–科研–就业”良性循环。
3.3. 构建“基础–提高–创新”梯度实践实习模块
1) 夯实产业认知与基本技能
设置“企业认知实习”、“设备原理与操作”等基础课程,通过参观企业生产线、参与设备组装与检漏等实训,掌握真空镀膜设备的基本结构与操作规范。例如,在设备组装车间实习中,学生需独立完成真空腔体连接、电路调试及漏率检测,考核通过后方可进入工艺研发环节。
2) 强化工艺优化与问题解决能力
聚焦“薄膜沉积工艺优化”、“材料性能表征”等核心能力,设置“化学气相沉积薄膜生长参数优化”、“磁控溅射功率对薄膜均匀性的影响”等实验项目。学生分组设计实验方案,采集数据并进行方差分析,形成工艺优化报告。近三年,学生累计完成实验报告400余份,发现设备故障与工艺缺陷20余例,提出改进措施10多项。
3) 培养科研思维与产业前瞻性
结合导师科研方向与产业前沿,开设“二维材料制备与应用”、“柔性电子器件开发”等创新课程,鼓励学生参与学术沙龙与产业论坛。例如,邀请业内资深工程师开设“半导体制造中的薄膜技术”专题讲座,组织学生调研、撰写半导体产业发展报告,拓宽技术视野与创新思维。
4. 教学实施与成效
4.1. 教学组织与评价体系
课程总学时192,采用“12周集中实习实践 + 持续导师指导”模式,前4周线上理论与企业认知,中间10周线下实操与项目实践,最后2周总结与成果汇报。学生分为3组轮岗,每组负责设备研发、工艺优化、质量检测等不同岗位,确保全流程参与。
建立“过程性评价 + 成果性评价”体系,过程性评价包括考勤(10%)、企业导师评分(30%)、小组协作(20%),成果性评价包括实习报告(20%)、项目成果(20%)。引入企业工程师、校内教师、学生自评三方评分,确保评价客观性。近三年学生评教结果显示,实习教学满意度达95%,企业对学生实习能力评价优良率达92%。
4.2. 实践教学成效
通过实践,学生理论联系实际能力显著增强,近三年毕业论文中结合产业课题的比例达60%,较改革前提升20%。学生动手能力与创新能力突出,获省级奖励3项,申请发明专利3项。
毕业生就业率连续三年超90%,与实习基地累计签约毕业生10余人。部分毕业生已成长为各大公司技术骨干。企业反馈显示,学生在设备操作、工艺优化等方面上手快,解决实际问题能力强,符合产业人才需求。与国内某高校专业全过程协同实习模式成效对比,本专业通过“双主体”体系构建,在产业适配性与创新能力培养上呈现相似显著提升趋势,但更聚焦材料领域前沿技术的实践应用。
课程建设成果辐射省内外高校,《新型功能材料实验教程》(化学工业出版社,2022)被5所高校选用,线上教学资源被国家高等教育智慧教育平台收录,相关教学改革经验在“全国材料类专业实践教学研讨会”作主题报告3次,提升了专业影响力。
5. 挑战与对策
5.1. 面临的挑战
1) 产业技术迭代与教学内容更新:新材料产业技术发展迅速,如钙钛矿电池、量子点薄膜等新技术不断涌现,需持续更新实习教学内容,加强与前沿企业的合作深度。
2) 双师型教师队伍建设:部分教师缺乏产业实习经验,需建立教师定期赴企业挂职机制,提升“双师”比例与指导能力。
3) 实习实践教学资源的长效保障:校外实习基地稳定性依赖企业合作意愿,需建立“利益共享、风险共担”的长效合作机制,探索校企联合实验室、产业学院等共建模式。
5.2. 改进措施
1) 动态更新教学内容:每年召开校企合作研讨会,根据产业需求调整实习项目,引入“固态电解质薄膜制备”、“纳米晶太阳能电池工艺”等前沿课题,确保教学内容与产业同步。
2) 强化双师队伍建设:制定《教师企业实习实践管理办法》,要求专业教师每五年累计不少于6个月企业实习实践经历,邀请企业工程师参与课程建设与教材编写,组建“高校教师 + 企业导师 + 行业专家”的教学团队。
3) 深化校企合作机制:与企业共建“薄膜技术联合实验室”,联合申报省部级科研项目,通过技术攻关提升企业参与积极性,保障实践基地的长期稳定运行。
6. 结论
武汉工程大学材料物理专业通过《新型产业实践计划》的创新实践,构建了“校企协同、研教融合、多维创新”的实习实践教学模式,有效解决了传统实习实践教学中理论与产业脱节、学生创新能力不足等问题。未来,需进一步对接产业前沿,深化产教融合,完善“教、学、做、创”一体化培养体系,为新材料产业输送更多“懂理论、精实践、善创新”的高素质人才。该教学模式可为同类高校材料类专业实践教学改革提供有益借鉴,推动高等工程教育与产业需求的深度对接与协同发展。
基金项目
本文受教育部第二期供需对接就业育人项目(就业实习基地项目)资助(项目号:20230102996)。
NOTES
*通讯作者。