納米材料與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系建設(shè)與探索

魏劍 張昊 張軍戰(zhàn) 雷西萍

[摘 要] 在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的背景下，納米材料與納米技術(shù)的進(jìn)步有力地支撐了多種高科技行業(yè)的快速發(fā)展，成為這些領(lǐng)域最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。因此以“納米材料與技術(shù)”專業(yè)為代表的多學(xué)科交叉專業(yè)，需要對(duì)專業(yè)建設(shè)理念及人才培養(yǎng)方案進(jìn)行全方位的優(yōu)化與調(diào)整。從優(yōu)化培養(yǎng)方案、完善課程教學(xué)體系、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)入手，針對(duì)納米材料專業(yè)多學(xué)科交叉、教學(xué)內(nèi)容更新快、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過對(duì)該校納米材料專業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行調(diào)整，分析了傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式存在的問題，探討了產(chǎn)業(yè)變革、“新工科”及一流專業(yè)建設(shè)背景下，以納米材料與技術(shù)專業(yè)為代表的交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系的建設(shè)思路，促進(jìn)該校納米材料專業(yè)蓬勃發(fā)展。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）10-0017-04 [收稿日期] 2021-07-08

一、“納米材料與技術(shù)”專業(yè)人才培養(yǎng)體系建設(shè)的重要意義

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略中，新材料是重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，特別強(qiáng)調(diào)要“做好納米材料等戰(zhàn)略前沿材料的提前布局和研制”。近年來，納米材料與納米技術(shù)的進(jìn)步有力地支撐了多種高科技行業(yè)的快速發(fā)展，成為這些領(lǐng)域最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。例如，高性能動(dòng)力電池主要由納米電極材料構(gòu)成，對(duì)納米電極材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能的研究，顯著地改善了電池性能，使得各種電動(dòng)力汽車成為現(xiàn)實(shí);先進(jìn)顯示技術(shù)的發(fā)展與納米材料同樣息息相關(guān)，以有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）、量子點(diǎn)（Quantum Dot，QD）材料為代表的顯示技術(shù)，一方面極大地拓展了屏幕的顯示范圍（量子點(diǎn)發(fā)光材料可以顯示超過10億種顏色），另一方面減小了屏幕等顯示設(shè)備的厚度，并使得可穿戴設(shè)備走入千家萬戶;而納米纖維更是高性能復(fù)合材料、凈化過濾和納米傳感器件的關(guān)鍵組成材料;高性能混凝土中納米組分同樣至關(guān)重要;半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展更是強(qiáng)烈依賴于納米加工技術(shù)，如以極紫外光刻（Extreme Ultra-violet，EUV）為代表的芯片加工技術(shù)，薄膜沉積為代表的芯片制造技術(shù)等。

綜上所述，納米材料與納米技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，被視作現(xiàn)代高新技術(shù)重要標(biāo)志。截至目前，我國(guó)新材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過2.5萬億元，其中納米材料產(chǎn)值雖然僅占3%（約700億元），但年增長(zhǎng)率達(dá)到26%，且連續(xù)多年保持在20%以上，足見其蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁勢(shì)頭[1]。

2018年3月，教育部辦公廳在公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目時(shí)指出：“新工科”建設(shè)是主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、國(guó)家重大戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、國(guó)家硬實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提升均呼喚“新工科”建設(shè)。特別指出“加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，主動(dòng)布局未來戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)”[2]。然而，原有根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)為主的材料類人才培養(yǎng)模式，已不能滿足以前瞻性、創(chuàng)新性、交叉性和前沿性為特征的高層次新材料創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要。我國(guó)關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)π虏牧蟿?chuàng)新人才的需求與當(dāng)前人才培養(yǎng)乏力之間的矛盾不斷加深，在此背景下，西安建筑科技大學(xué)經(jīng)過充分調(diào)研開設(shè)了“納米材料與技術(shù)”專業(yè)。這一舉措面向未來戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的需求，力求引領(lǐng)并支撐新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。然而，在“新工科”及一流專業(yè)建設(shè)的大環(huán)境中，原有的以行業(yè)特點(diǎn)為主的人才培養(yǎng)模式，顯然無法滿足以“納米材料與技術(shù)”專業(yè)為代表的交叉學(xué)科對(duì)人才培養(yǎng)的需求，傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式亟待變革。

二、“納米材料與技術(shù)”專業(yè)人才培養(yǎng)模式優(yōu)化

隨著5G與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，納米材料科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今世界最活躍、最具創(chuàng)新精神的多學(xué)科交叉領(lǐng)域之一。因此，“納米材料與技術(shù)”專業(yè)的主要特點(diǎn)，便是多學(xué)科交叉、多行業(yè)共融，例如材料、能源、環(huán)保、光電子、微電子、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域都有納米材料的身影，因此納米材料專業(yè)的人才培養(yǎng)，不僅要求學(xué)生具備寬廣的國(guó)際視野和扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也必須具備獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)的能力，以及包容嚴(yán)密的思維模式[3]。

本專業(yè)的第一版人才培養(yǎng)方案，圍繞“新型化學(xué)電源”“微納制造技術(shù)”“納米催化材料”“鋰離子電池材料與測(cè)試技術(shù)”四門核心課程，設(shè)計(jì)了專業(yè)基礎(chǔ)、基礎(chǔ)選修、核心選修、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以及綜合實(shí)驗(yàn)五個(gè)輔助模塊，力圖實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)今主要納米材料研究和生產(chǎn)領(lǐng)域的覆蓋。但這一培養(yǎng)模式學(xué)分偏高（授位最低學(xué)分超過190），學(xué)時(shí)偏多（畢業(yè)最低理論學(xué)時(shí)數(shù)超過2400），各個(gè)模塊之間也缺乏協(xié)調(diào)（如開設(shè)了“納米催化材料”課程，卻沒有開設(shè)對(duì)應(yīng)的催化理論課程），模塊內(nèi)部的課程重點(diǎn)不突出，內(nèi)容有重疊，難以體現(xiàn)本專業(yè)的核心特色，同時(shí)也與近年壓縮本科教學(xué)學(xué)時(shí)的改革方向不一致。與此同時(shí)，參照《本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》及最新版工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，對(duì)于一些核心知識(shí)點(diǎn)，缺乏單獨(dú)的支撐課程（如缺少“材料工程基礎(chǔ)”課程），對(duì)于雙語教學(xué)也有所不足（缺少“專業(yè)外語”或替代“專業(yè)外語”的雙語必修專業(yè)課程）。

在此基礎(chǔ)上經(jīng)過廣泛學(xué)習(xí)調(diào)研，將人才培養(yǎng)和能力建設(shè)聚焦為新能源材料以及微納加工技術(shù)兩個(gè)核心特色，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，最終形成了基礎(chǔ)必修、基礎(chǔ)選修、專業(yè)能力、專業(yè)外語、綜合大實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新素質(zhì)六個(gè)模塊。優(yōu)化之后，納米材料與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案已經(jīng)覆蓋了材料類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的全部知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)滿足了工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，最終形成了明確的專業(yè)發(fā)展方向。優(yōu)化后的課程體系如圖2所示?；A(chǔ)模塊部分，考慮到納米技術(shù)的應(yīng)用背景，本專業(yè)強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)化學(xué)及半導(dǎo)體物理相關(guān)課程，儲(chǔ)備后續(xù)專業(yè)課程的化學(xué)、物理知識(shí);選修模塊部分，著重拓展了納米技術(shù)的領(lǐng)域范圍，鼓勵(lì)學(xué)生提升對(duì)納米技術(shù)的認(rèn)識(shí)水平與科學(xué)視野;專業(yè)能力模塊部分，強(qiáng)化材料科學(xué)中計(jì)算軟件的運(yùn)用，及文獻(xiàn)檢索、科技論文寫作能力的培養(yǎng)，為綜合大實(shí)驗(yàn)與畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定專業(yè)能力基礎(chǔ);在外語能力方面，在第三學(xué)期開設(shè)了“納米材料導(dǎo)論（雙語）”，在第七學(xué)期開設(shè)了“納米材料前沿講座（雙語）”。其中“納米材料導(dǎo)論（雙語）”主要滿足學(xué)生從“大學(xué)英語”到專業(yè)外語的過渡，為專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及納米材料領(lǐng)域論文閱讀奠定基礎(chǔ)，而第七學(xué)期開設(shè)的“納米材料前沿講座（雙語）”，則是為畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的科研及論文工作進(jìn)行鋪墊;為培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，本專業(yè)將原先分散在各個(gè)專業(yè)課中的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化整合，根據(jù)企業(yè)、行業(yè)、兄弟院校調(diào)研的情況，打通材料制備、表征與器件組裝、測(cè)試的全環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)納米材料制備、表征、應(yīng)用的綜合能力，以及對(duì)鋰離子電池為代表的新能源電池材料設(shè)計(jì)、制備、組裝與測(cè)試的綜合能力;為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，專門開設(shè)了“材料創(chuàng)新思維”課程，通過材料科學(xué)的發(fā)展歷史及納米新材料的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)與推廣應(yīng)用范例，向?qū)W生普及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識(shí)，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，并最終掌握材料科學(xué)中的創(chuàng)新思維模式。

三、“納米材料與技術(shù)”專業(yè)課程教學(xué)體系建設(shè)

“納米材料與技術(shù)”專業(yè)不同于傳統(tǒng)材料專業(yè)的特點(diǎn)之二，是納米技術(shù)的發(fā)展一日千里，而課程教學(xué)的內(nèi)容相對(duì)滯后。如何解決課本知識(shí)與實(shí)際需求之間的“時(shí)差”，是“納米材料與技術(shù)”專業(yè)課堂教學(xué)體系改革的關(guān)鍵。

本專業(yè)教師相繼走訪了北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、蘇州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等國(guó)內(nèi)高校，通過與兄弟院校的交流學(xué)習(xí)，借鑒兄弟院校特色課程及教學(xué)模式，我們針對(duì)教學(xué)大綱及課程教學(xué)體系進(jìn)行了改革與優(yōu)化[4]。例如在新能源電池材料方面，針對(duì)目前新能源材料的快速發(fā)展，在開設(shè)“鋰離子電池”課程，以滿足教學(xué)、實(shí)踐及相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)于鋰離子電池人才需求同時(shí)，為了拓寬學(xué)生視野，開設(shè)了介紹各種化學(xué)電源的“新型化學(xué)電源”課程，力求覆蓋行業(yè)及科研的最新進(jìn)展，并且在課堂教學(xué)中要求最新的行業(yè)、科研案例更新率不低于每年20%。此外，針對(duì)企業(yè)、行業(yè)調(diào)研中得到的反饋，開設(shè)了“化學(xué)電源設(shè)計(jì)”課程，補(bǔ)全了新能源材料從設(shè)計(jì)、制備，到組裝、測(cè)試的全部環(huán)節(jié)，并且強(qiáng)化了環(huán)境友好、安全設(shè)計(jì)、安全制造以及安全意識(shí)的培養(yǎng)。為鞏固課堂教學(xué)成果，新能源材料模塊安排了“化學(xué)電源課程設(shè)計(jì)”。在課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、計(jì)算相關(guān)參數(shù)、繪制標(biāo)準(zhǔn)圖紙等環(huán)節(jié)，在滿足安全、環(huán)保等設(shè)計(jì)要素的前提下，充分運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一種切實(shí)可行的化學(xué)電源，并且為后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)的“鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行準(zhǔn)備。

四、強(qiáng)化納米材料與技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)

“納米材料與技術(shù)”專業(yè)不同于傳統(tǒng)材料專業(yè)的特點(diǎn)之三，是納米材料相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐性很強(qiáng)，但所需設(shè)備通常較為昂貴且復(fù)雜，同時(shí)納米材料與實(shí)際器件之間還有很遠(yuǎn)的距離，學(xué)生難以將課堂所學(xué)知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)、科研問題聯(lián)系起來。

針對(duì)這一特點(diǎn)，本專業(yè)通過三類實(shí)驗(yàn)的整合與優(yōu)化，構(gòu)筑了適用于納米材料與技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。第一類實(shí)驗(yàn)為通識(shí)課實(shí)驗(yàn)，如大學(xué)物理、無機(jī)化學(xué)、電工電子技術(shù)等，這類實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能;第二類實(shí)驗(yàn)為專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，如“鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)”“納米材料制備與表征綜合實(shí)驗(yàn)”等，這類實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于納米材料制備、表征的直觀認(rèn)識(shí)，同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到納米材料與實(shí)際器件之間的巨大差距，以及為了制備器件需要的各種知識(shí)與技能;第三類實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)室專門設(shè)立的開放實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)教師提出的研究課題，查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)方案，最終訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立從事科研、生產(chǎn)的能力。例如在“鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)”前，學(xué)生學(xué)習(xí)了“化學(xué)電源設(shè)計(jì)”“新型化學(xué)電源”以及“鋰離子電池”三門專業(yè)必修課，對(duì)鋰離子電池的技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)、裝配工藝流程有充分的了解。在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)鋰離子電池進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，學(xué)生在課堂所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐之間建立了聯(lián)系;在實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)電極材料制備、涂膜、組裝，學(xué)生認(rèn)識(shí)到了材料制備與器件制造之間的異同;在隨后的測(cè)試環(huán)節(jié)，通過電化學(xué)工作站及鋰電測(cè)試系統(tǒng)的操作，學(xué)生可以充分掌握材料、制備工藝等多種因素對(duì)鋰離子電池性能的影響。如果學(xué)生對(duì)于鋰離子電池相關(guān)內(nèi)容感興趣，還可以選擇開放實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行研究，也可以作為最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。

結(jié)語

本文以“納米材料與技術(shù)”專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革為目標(biāo)，介紹了本專業(yè)在人才培養(yǎng)方案、課堂教學(xué)體系以及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革和優(yōu)化的主要內(nèi)容。通過人才培養(yǎng)方案的改革，納米材料專業(yè)的學(xué)生將具備較強(qiáng)的家國(guó)情懷、良好的人文社科素養(yǎng)及職業(yè)道德，掌握納米材料基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，精通崗位業(yè)務(wù)，具備工程實(shí)踐、分析和解決工程問題的能力。與此同時(shí)，能夠在鋰離子電池、微納制造等相關(guān)領(lǐng)域，獨(dú)立從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理等工作，并具有良好的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、組織溝通能力和終身學(xué)習(xí)能力。作為應(yīng)用型專門人才，可以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展及跨文化交流的需求，并解決本專業(yè)的復(fù)雜工程問題。

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Construction and Exploration on Talent Training System for Nano Materials and Technology Specialty

WEI Jian， ZHANG Hao， ZHANG Jun-zhan， LEI Xi-ping

（Collage of Material Science and Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian， Shaanxi 710055， China）

Abstract： In the context of a new round of scientific and technological revolution and industrial reform， the progress of nano materials and nano technology has effectively supported the rapid development of a variety of high-tech industries and become the most important technical foundation in these fields. Therefore， the interdisciplinary specialty represented by the specialty of “Nano Materials and Technology” needs to be comprehensively optimized and adjusted in the professional construction concept and talent training scheme. Starting with optimizing the training scheme， perfecting the curriculum teaching system and strengthening practical teaching， aiming at the characteristics of multi-disciplinary intersection， fast renewal of teaching content and strong practicality of the specialty， this paper analyzes the problems existing in the traditional talent training mode， and discusses the industrial reform and the construction idea of interdisciplinary talent training system so as to promote its vigorous development.

Key words： engineering education certification; talent training plan; Nano Materials and Technology