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關鍵詞 透射電鏡 實驗課程 材料學科 體會
透射電子顯微鏡(Transmission electron micro-scope,TEM)簡稱透射電鏡,是利用高能電子束作為照明光源對材料的顯微結構進行高倍放大成像的大型分析設備,目前已廣泛應用在各科技領域,是探索研究微觀世界的有力工具。借助于該設備,研究人員不僅可以表征材料的微觀形貌,還可以直接觀察到材料內部的組織狀態和微觀缺陷,借助于電子衍射功能還可以分析材料的晶體結構,因此,透射電鏡已成為材料研究不可或缺的一種測試手段。
武漢理工大學材料學科作為學校的重點學科,不可或缺的就是對材料測試方法的學習。隨著教學改革的不斷深入以及越來越多的學生對透射電鏡的需求,對本科生開設透射電鏡實驗課程勢在必行。但在具體的教學工作中,存在一些棘手的問題,如不同學科所采用的制樣方式以及觀察重點都有所不同,而且由于透射電鏡作為一種大型儀器設備,結構精密且操作步驟復雜,而實驗課學生眾多,貿然進行操作可能會出現操作不當,引起設備不能正常運行等。在這種背景下,如何在有限的教學中做到有的放矢,既讓更多的學生得到實踐的機會、學到更多的知識,又要確保儀器在使用過程中完好無損,就顯得非常重要。我們單位由于測試樣品種類比較廣泛,但大多集中在無機非金屬材料、金屬材料等樣品,需要涉及到低倍形貌的拍攝、高分辨電子顯微觀察和電子衍射的分析等方面。因此,我們針對材料學科特點,有針對性地開展教學內容,包含樣品的制備、對透射電鏡結構、原理和操作的了解以及圖像分析的掌握。
1 理論教學
透射電鏡結構比較精密,操作相對復雜,如果每年讓許多學生都上機操作,且不能因失誤操作導致損壞儀器,教學難度較大。因此,在實踐教學之前,我們會首先要求學生預習實驗指導書中的內容,對透射電鏡有一個初步的了解。然后開設理論教學,向學生詳細地介紹透射電子顯微鏡的原理、結構和應用、粉體和塊體的制備等理論知識,在接觸儀器之前提前講解儀器的操作步驟、特點及注意事項,并展示一些透射電鏡的圖像特點,希望學生對透射電鏡有進一步的認識,并且可以認識到透射電鏡與掃描電鏡、X射線衍射等其他測試方法之間的差別及聯系。這樣學生們在進入實驗室前,已經對實驗內容有了充分的了解,可以減少不必要的失誤。
2 實驗教學環節
2.1 儀器介紹及操作演示
帶領學生進入儀器房間之后,我們首先對于前期教學中介紹的實驗注意事項,重新針對實物強調一遍,加強印象。然后結合儀器本身,簡單介紹一下儀器的結構和原理,使學生能夠將理論圖片與實物結合起來,加強理解。最后,我們將儀器的操作步驟向學生演示一遍,其間結合理論中所介紹的一些原理和結構特點進行講解。
2.2 實踐操作
實踐操作是實驗教學中最重要的環節,針對不同的學科,需要調整其相應的側重點,并演示相應的典型樣品。在這個環節中,我們分為三個部分來進行。
(1)樣品的制備,包括銅網的選擇、粉末樣品的分散和制備、塊體樣品的切割、打磨、凹坑和減薄等。不同類型的樣品,拍攝要求不同,所選擇的銅網類型也不一樣,一般情況下要求粉末樣品分散均勻,濃度不宜過高,也不宜過低,而塊體樣品需要切割成直徑3mm的圓片,打磨至100%em厚,凹坑后再進行離子減薄。
(2)針對學科特點,選擇既可以拍攝低倍形貌,也可以拍攝高分辨晶格相的樣品放入電鏡進行拍攝。首先指導學生打開電子槍閥門,出現光斑后,對光路進行合軸之后,尋找合適的樣品區域,拍攝清晰的低倍形貌照片以及高分辨電子顯微圖像,儀器和樣品條件允許的情況下,還可進行電子衍射花樣的拍攝,同時在拍攝過程中穿行合軸的指導和樣品的解析。由于透射電鏡操作上的難度,學生很難在短時間內完全掌握儀器操作,而實驗課時有限,因此,我們只要求學生對操作的整個過程進行初步的掌握即可,如需獨立操作,可在后期參與專門的培訓。
(3)針對圖像數據的處理。我們針對性選取一些有特點的圖像數據,指導學生學會采用Digitalmicrograph軟件測量樣品的尺寸、晶面間距,學會樣品缺陷結構的觀察以及電子衍射的簡單標定等,并布置相應的圖片作業,希望學生可以在課后熟練運用軟件,并利用晶體的理論知識與實際數據結果相聯系進行分析和理解。
3 結論
透射電鏡的廣泛應用,逐步對實驗教學提出了更高的要求,但又受限于其本身大型精密儀器的特質,如何針對不同學校不同學科不同樣品,有側重點地開設教學課程,是個一直以來都在探索和改進的課題。本單位針對測試樣品廣泛但集中在無機材料的特點,有針對性地開設實驗課程,不僅指導學生了解電鏡操作,還將理論課程中關于材料內部結構的W習融入數據解析,既有助于提高實驗教學的實用性,也增加了學生對理論知識的理解,對以后從事科研工作大有裨益。
參考文獻
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體驗式教學的宗旨是在教學活動中,強調學生的主體地位,利用生活案例喚醒學生感知,促進師生關系和諧的一種互動式教學方式。這種方式不僅有助于提高學生的學習興趣,而且能夠將非常抽象的知識和經驗轉化為學生內心的感悟。特別是在工程材料類課程的授課當中,通過實施體驗式教學,可以激發學生興趣、加強實踐感受、繼而將其內化并強化學習。傳統的填鴨式教學正遭遇嚴重瓶頸,在碩大的知識量和沉重的學習壓力下,如何保證學生具有濃厚的學習興趣和求知欲望,是當前的高校教育工作者面臨的難題。被動的學習方式不利于學生素質的培養和師生關系的建立,并且造成了學生的高應試能力和實踐能力欠缺,這都是因為教學過程是機械的、學生的感知是麻木的。哈佛大學曾經就課堂教學效果做過調查,得出了三種主要的課堂表現,分別是“我聽過但是忘記了、我記住了和我懂了”,單純的教與學方式使教學失去了活力,禁錮了學生的創造和感知能力。如果教師在授課時能夠積極假設情境,讓學生在教學體驗中學習,將理論教學和實踐緊密聯系,這樣就不會單獨的局限于教科書的知識里,會大大縮短理論和實踐的差距,更有利于學生畢業后融入社會,因此在工科課程的體驗式教學是大勢所趨。
2體驗式教學的意義
2.1從一種新角度詮釋教學過程
目前的高校教育強調學生的發展,注重學生的素質培養,特別是在工程材料類新課程的教學實施中,特別注重參與、互動、探究等實踐體驗;在知識的講授過程中還要灌輸愛國、敬業等社會主義核心價值觀,建立學生們科學的人生觀和可持續發展思想,這些正是體驗式教學的核心所在。所以當前的教改研究不再是單一的教學方式的改革,而是側重于受眾的體驗和共鳴,強調受眾的主觀參與,這從一種新角度詮釋了教學過程。
2.2強調了素質教育的必要性
當前的課堂教學已經不再是單純的書本知識的傳授,還包括人格的培養、人生觀的確立和價值觀的塑造,學生全面的整體發展被列為當前教育的終極目標,這些都是體驗式教學的基本內容,強調教學合一和內外體驗的統一,這也是高校素質教育的必要內容。這種新的教育觀念正引領高校的工科教學向更為理性的方向前進。目前我們正面臨著社會轉型的重要時期,在這種環境下的人文素質培養尤為重要,體驗式教學所強調的科學的價值觀和精神文明不僅能提高科學素養,而且有利于綜合素質的提高。
3體驗式教學的實際應用
3.1促進課堂知識的吸收轉化
體驗式教學以活潑生動的教學形式和學生產生互動,學生獲得的知識不再是抽象和枯燥的,并通過學生內心的體驗和感悟得到升華,最終轉化為學生內心的知識。因此這種教學方法在抽象理論和內心經驗之間組建了一條紐帶,通過溝通和分享經驗來發展認知,有利于學生直接的從教學情境中得到體驗,提高課堂教學效率。特別是在工程材料類工科課程的教學中,由于部分同學理科基礎薄弱,實踐經驗欠缺,同時加上理論知識深奧枯燥,更需要創設情境進行體驗式教學,從而促進理論知識的理解和吸收。
3.2有利于發展融洽的師生關系
在新的教學方式下,學生的地位變被動為主動,主動參與和主動感知;教學方式變灌輸教育為體驗式教育;老師不再是命令者,學生再也不是被動的服從者,學生的認知教育作為重點方向。這種教學方法體現了師生關系的平等和民主,因此有利于發展和諧融洽的師生關系。在相同的情境下教學者和學生共同體驗,相互溝通和分享新知識,從而做到取長補短,在老師的親和力下建立起融洽的師生關系。
3.3有利于學生創新能力的培養
學生的主動式體驗和內在感悟至關重要,在學生內在的需求下,主動去探索和體驗新知,這對學生創造力的釋放非常關鍵。在老師創設的特殊情境下,師生產生教學互動,不僅提高了學生的主動參與能力和動腦能力,也提高了學生的動手和動口能力。在這種活躍的教學氛圍下,學生的創新型思維得到啟發,大大提高了學生的創新能力。
4結語
[關鍵詞]材料化學 科研實踐 教學模式 評價體系
[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2013)16-0094-02
一、科研實踐教學模式的必要性
近年來,科研與教學相結合的思想受到越來越多的關注。實踐教學對于提高學生的綜合素質、培養學生的創造精神與實踐能力具有特殊作用。通過科研實踐活動可以更好地開發大學生本身具有無限的研究與創新潛力。科研是一種創造性的勞動, 通過參與科研實踐活動, 可以轉變學生在傳統教學課堂上被動接受知識的學習模式,通過主角轉變使學生的學習變為以探索、研究、發現為基礎的主動學習,達到實踐過程與專業基礎理論知識融會貫通的效果,從而提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力,使其學會獨立思考問題, 進而創新能力得以不斷提高。
材料化學專業是一門理論與實驗并重的專業,因其專業特殊性,在學習過程中,學生不僅要掌握較好的理論知識,還要具備較強的實驗能力。為了培養學生具備較好的實驗能力,材料化學專業在2008版的教學計劃中專門設置了材料化學科研實踐這門課程。該課程與灌輸性的傳統實驗教學模式不同,教師給定科研課題、學生在限定課時內獨立完成實驗任務,內容包括查閱文獻、設計實驗方案、準備實驗用品、樣品制備、樣品的測試與數據處理、撰寫科技小論文等。在教學過程中,讓學生自行查閱文獻及設計實驗方案,既提高了學生的自主探索意識,也鍛煉了學生的膽量和自信心,對于培養學生的探索能力、分析問題能力、把握學習重點能力以及語言表達能力等起到了很重要的作用。
二、具有專業特色的實踐教學模式,大大提高了學生的學習積極性和主動性
本校材料化學專業科研實踐教學如何開展才能取得最佳的教學效果,這是本研究中最關注的一個問題。根據專業特點,我們提出兩種教學模式:一是教師指定研究課題、學生獨立完成實驗任務的教學模式;二是學生自行選題并在老師的監督指導下獨立完成實驗任務的教學模式。
(一)教師指定研究課題、學生獨立完成實驗任務的教學模式
在現有實驗條件能夠滿足的前提下,教師根據自己的研究方向,在研究領域內給出部分具有研究意義的小課題,學生可以根據自己的研究興趣,在給定題目中選擇自己比較擅長或有能力完成的課題進行研究。這種實施模式可以使學生參與到教師的科研項目中,激發了學生的科研興趣,學以致用,增長知識與才干。學生通過參加教師子課題的研究,能全面了解一項完整的科研課題的全過程:涉及如何進行選題,如何確定試驗指標,如何進行試驗設計,如何進行試驗前的各種準備,如何控制試驗條件,如何對試驗對象進行科學的管理并解決試驗中出現的問題,如何收集所需的數據資料,最后又如何分析整理資料、如何寫成論文等一系列問題。使學生在理論聯系實際、獨立觀察、綜合分析和解決實際問題等方面的能力都得到很大提高,而且擴大了學生的思維空間,這就為學生今后完成畢業設計和畢業論文打下堅實的基礎,在縮短學生就業后對科研、生產的適應時間方面也具有重要意義。
(二)學生自行選題并在老師的監督指導下獨立完成實驗任務的教學模式
結合材料化學專業所學的理論知識和大量的文獻閱讀,立足于現有實驗條件,學生可以自行選題、設計并獨立完成實驗和論文撰寫,這可以為學生在未來的工作中獨立解決生產實踐中的存在問題打下良好基礎。
學生在獨立完成課外科研實踐,必然要解決從選題到完成論文的一系列實際問題,這就使學生很快發現并想辦法彌補自身的不足,他們積極主動地查閱資料,不斷充實自己的基礎理論知識,既鞏固了課堂上的理論知識,又能應用理論知識解決實踐中出現的問題,加強了理論聯系實際的素質,激發了創新思維,實現了從不懂到懂再到比較熟練、從感性認識到理性認識的飛躍,提高了獨立工作能力。
三、科研實踐教學的成績評價指標與方法
科研實踐教學具有專業特色的實施模式決定了其考核方式不同于傳統的考核。根據教學安排,學生成績由出勤率、實驗預習、實驗操作、報告等成績按一定比例綜合成為本課程總成績。根據以往實驗課程的教學經驗、體會、學生反饋的信息,初步制定了表1中所示的學生成績考核指標體系。2011年上半年,專業相關人員對該教學指標體系又作了進一步調研、專家咨詢、學生意見征詢活動,對該方案進行合理修訂,形成一個全面有效、便于實施、能真正反映學生學習效果、學習能力、創新能力、科學精神的指標體系,并于2011年度下半年在課程教學中正式實施。
表1的考核指標體系具體內容如下:
出勤:分值5分,無故曠課一次扣一分;請假2次扣一分。主要促使學生能夠及時聽課和參與課程討論等。
預習報告:分值15分,對所選科研實踐內容的了解程度;實驗方案設計是否合理;在現有實驗條件下能否設計出最簡單的合成方案。主要目的是培養學生主動學習、課外學習、自主分析和鉆研問題的習慣和能力。
實驗技能:分值30分,其中動手操作能力分值15分,能夠獨立進行實驗過程的操作;分析和解決問題能力分值15分,在實驗中遇到不可預知的實驗現象能夠做出合理解釋,遇到問題時能否積極的應對并加以解決。目的是使學生養成獨立動手、積極分析和解決問題的良好習慣,并鍛煉學生的專業理解和表達能力。
報告:本課程研究型教學的重點內容之一,指學生完成研究課題報告、課程內容學習與總結報告、上臺進行專業問題講解等方面,通過該項考核反映學生對課程內容的學習和理解的深度、課外學習的效果和主動性、查閱和閱讀文獻資料的數量和質量等,分值50分。
四、實踐教學經驗總結
(一)培養學生自行查閱文獻資料的習慣,教會學生閱讀文獻的方法
通過閱讀文獻,可以拓寬學生的知識結構和加深對所學知識的理解,根據不同文獻對比,可以激發學生的實驗探索興趣和求知欲望。文獻閱讀可以使學生積累充足的科研理論知識,為實驗動手操作打下堅實的基礎,為深入理解實驗過程做好鋪墊。這樣可以大大促進實踐教學中師生之間、學生之間交叉吸收,并實現了師生之間的角色轉變,使教師變身為導演、學生變被動接受為自主探索,從而提高實踐教學效果。
(二)大膽探索,培養質疑解疑的能力
在實踐教學中,教師要積極引導、啟發學生想象,鼓勵他們敢想、敢問。重視學生質疑能力的培養,激勵學生自主探索的學習興趣。學生敢于質疑、敢于提問,其思路才更開闊,對問題的認識才會有一定深度。
(三)注重激勵評價,激發學生主動參與的意識,提高科研實踐的興趣
在科研實踐過程中,指導教師激勵的評價語言能激發學生積極主動進行科研實踐活動的濃厚興趣。對學生科研實踐過程的評價要注重鼓勵、引導、點撥、開竅。
實踐證明, 讓學生參加課外科研活動具有很多好處, 但受到專業實驗條件的限制,本次課外科研實踐課程所提供的科研小課題數量有限,無法吸納太多的學生參與到科研實踐中。當參與科研實驗的學生較多時,部分實驗儀器及設備就要輪流使用,造成科研小課題無法在規定的時間內完成。今后, 我們會加快實驗室條件的完善,為學生提供足夠的實踐空間,與此同時,吸引更多的專業教師參與到科研實踐活動中,使科研實踐內容更加豐富、有意義。讓學生更多地參與或獨立完成教師科研子課題, 達到培養學生的獨立思考、分析和解決問題、論文寫作等能力的目的, 從而進一步提高學生的科研能力和綜合素質。
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市級“三八”紅旗集體事跡材料(農業科學研究所)
廣州市農業科學研究所,現有員工157人,其中女職工79人。該所積極教育女職工發揚自尊、自信、自強、自立的精神,鼓勵女職工愛崗敬業,腳踏實地,勇于創新,崗位城才。努力學文化、學技術,比業績、比貢獻,樹立在平凡崗位上創造不平凡業績的思想,在科研、開發、管理工作中“巾幗不讓須眉”。
近兩年來,女技術人員主持和參與省、市科研課題37次,在農業關鍵技術取得新突破,創新水平顯著提高。取得科技成果獎7項次,育成農作物新品種7個,在學術刊物上發表科技論文40篇。同時她們注重創新科研成果轉化模式,加速科研成果轉化,參加科技下鄉活動100多次,到省內外農村給農民技術員、農戶講授農業科技知識、推廣農作物新品種和先進適應技術,提升農民的農業科技素質。每年推廣面積達300多萬畝,帶動農戶6萬戶,取得了顯著的經濟和社會效益。去年經農業部、科技部聯合評審,該所進入全國農業科研所綜合實力100強。從事農業科研條件艱苦,女同志經常要克服生理上的不適和艱苦的環境,頭頂烈日、腳踩稀泥,和男同志一樣奮戰在田間地頭,選育農作物優良品種,進行先進技術和優良品種的試驗示范和推廣。
>> 整體項目驅動模式下材料科學與工程人才培養研究與探索 道路材料科學與工程專業研究生實踐教學培養模式探索 工程教育認證體系下材料科學與工程專業的畢業要求建設 材料科學與工程專業實驗教學體系建設探討 材料科學與工程專業電子信息材料課程教學改革研究 材料科學與工程專業創新人才培養模式下的專業課程體系構建 探討材料科學與工程專業的課程體系和實驗教學體系建設 民族地區高校材料科學與工程專業綜合實踐教學體系的創新與構建 校企合作背景下材料科學與工程專業人才培養模式探索 材料科學與工程專業課程體系改革探索 材料科學與工程專業新創新型人才培養模式 應用型本科院校材料科學與工程專業實驗實習教學質量研究 常壓燒結技術在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用 材料科學與工程專業綜合實踐教學平臺的建設與創新 材料科學與工程專業化工原理實驗的教學與思考 金屬材料科學與工程專業生產實習教學改革與探討 材料科學與工程專業人才培養方案的制定研究 “材料科學與工程原理”專業課程如何實施雙語教學 材料科學與工程專業綜合性實驗的PBL教學 材料科學與工程專業的實驗室教學地位思考 常見問題解答 當前所在位置:,2010,(7).
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關鍵詞:材料科學與工程專業;培養模式;課程體系;創新人才
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)41-0216-02
面對21世紀的挑戰,如何加強學生創新能力的培養,已成為我國當前高等教育改革的重要課題。隨著社會經濟發展和科學進步的需要,多學科已交叉滲透到與材料制備、結構、性質和應用各個領域。在科學技術高速發展,各種材料不斷創新涌現,產業化的背景下,材料科學與工程專業以“寬專業、厚基礎、高素質、重實踐、強能力”原則,深化改革“材料工程應用復合型專業創新人才”培養方案,突破專業個性培養模式的約束。精心設計課程體系是實施創新教育的關鍵,是培養具有創新能力人才的核心環節,也是培養復合型人才的最有效途徑之一。目前,“大材料”學科相互交叉滲透融合已成共識,專業課程卻內容相對陳舊,邏輯和結構銜接不夠緊密;設計性、綜合性、創新性、開放性實驗相對較少,支持專業培養目標的力度不夠等問題日益凸顯。在此背景下,本專業以材料的材料制備/加工、組織結構/成分、性能、應用四個要素及其相互關系為基礎,構建專業核心課程群、專題選修課群、工程實踐課程群為基本框架的課程體系。
一、整合課程內容,構建專業核心課程群
材料科學與工程專業培養計劃從2007年開始,以全面系統的知識學習和綜合思考能力培養為主,以材料制備/加工、組織結構/成分、性能及應用等四要素及其關系構成的材料學科共同基礎知識作為重要的教學內容,構筑了“理論教學、實踐教學、科學研究三個維度基本框架的新型課程教學體系”。目前,貴州大學材料科學與工程專業設置了“金屬材料”、“材料壓力加工”方向課程。為了滿足“寬專業、厚基礎、高素質、重實踐、強能力”的培養目標,材料科學與工程專業按金屬材料、材料壓力加工二個方向的共同的或相近的學科基礎、科學內涵、研究方法與研究設備,設計專業核心課程群,體現“大材料”學科共同的知識體系。如《固態相變》與《熱處理工藝學》整合成《熱處理原理及工藝》,《材料分析方法》與《材料物理性能》整合成《材料現代研究方法》,融入CAD、Origin、Matlab等軟件組建新《計算機在材料中的應用》課程等;構建6~8門具有基礎性、系統性、發展性特點的“專業核心課程群”(圖1)。專業核心課程群以材料科學基礎作為主線,安排各門課的教學內容,既相互銜接、循序漸進,又各有側重、特點突出。便于學生學習材料共性規律,掌握有關材料及其關系構成的材料學科共同基礎知識。鼓勵教師把科研項目涉及核心課程相關的基礎原理理論引入課堂教學,幫助學生樹立完整、基本的知識觀念,最大限度地拓展學生的知識結構,是培養應用復合型專業人才的重要組成部分。
二、設置專題選修課群,適應學生個性發展
加強理論基礎同時,適當拓寬知識面,注重培養學生適應社會多樣化、復雜化的能力。根據地方經濟發展需求和學生個性發展,結合材料科學進展、專業教師科研特色,本專業在培養方案個性課程模塊中設置“專題選修課程群”,讓學生拓寬渠道獲取更多學科專業知識,各得其所、各展其長,完善學生的知識結構系統,滿足學生個性發展。學生根據其興趣、未來發展、就業需要,自主選擇相關課程。具體措施是:確定3~4個重點學術方向,每一方向下設置由3~4門課程組成的專題選修課程(圖2)。學生可選擇進入其中一個方向學習相關專業課程,使學生在熟悉共性知識基礎上,掌握一種在國內處于領先水平的材料制備及組織控制技術。從而培養學生運用寬口徑專業基礎知識解決具體實際問題的應變能力和素質,提高學生適應知識經濟社會的能力。
三、強化工程實踐課程群,培養學生創新能力
實踐課程是理論教學的延續。實踐課程群主要包括《綜合實驗》、《認識實習》、《生產實習》、《畢業實習》、《畢業論文(設計)》及《綜合素質拓展》等課程。為了進一步增加實驗教學的綜合性、研究性、設計性、先進性,對專題實驗1、2、3內容進行整合,開設《綜合實驗》,強化學生創新能力和實踐能力。專題實驗1中驗證性、演示性實驗設計成綜合性實驗;專題實驗3中引入3個教師科研項目創新性實驗。鼓勵學生積極參加國家數學建模比賽、省級節能減排設計研究、校級SRT計劃等素質拓展活動,培養學生專業素質技能和實踐創新的能力。校外實習基地涵蓋材料制備—過程處理—組織觀察—性能測試—應用的生產流程,可以滿足各種實習教學的要求。引入電化教學等改革手段,學生能在短時間內吸收消化更多學科知識,掌握專業實習重點、難點,提高了實習質量。畢業論文采用“本科導師制”,選定基地技術人員或專業老師為導師,讓學生提前進入導師課題組,熟悉設備操作,以不同的企業生產問題或科研課題內容加以培養創新能力。
從自身實際出發,材料科學與工程專業構建了應用復合型創新人才的課程體系。課程體系實施是一項系統工作,不可能一蹴而就,還需強化試驗平臺建設、教學改革、師資建設,課程評價體系等措施,才能確保其順利實施和有效運行。
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關鍵詞:材料研究方法與測試技術;課程建設;教學研究
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B 文章編號:1002-7661(2015)02-002-01
進入二十一世紀,高技術憑借其既能促進社會發展,又是國家安全的保證而主宰世界已經成為不爭的事實。先進材料在高技術領域又處于先導性、基礎性和帶動性的地位。近年來,新材料技術日新月異的發展, 既為基礎教育和前沿研究的高等院校提出了嚴峻的挑戰,也為如何能夠培養能適應材料科學與工程領域高速發展需求,又具有新的知識結構的創新型高素質人才提供了教學研究的動力。
《材料研究方法與測試技術》是吉林建筑大學材料科學與工程學院無機非金屬材料、高分子材料及材料化學專業本科生必修的公共技術基礎課,主要涉及材料研究方法的基礎理論知識和材料分析、測試的技術手段,是綜合性和實踐性緊密相結合的課程,是每位學習材料的學生必須掌握的知識,在材料學科中有著無可比擬的地位。隨著新材料科學技術的發展,各種測試手段日新月異,為了使學生在將來的科研及工業生產中能正確選擇和使用有關的近代測試分析技術,《材料研究方法與測試技術》課程無論從教學內容還是教學方法上,都需要進行系統改革以適宜時代的發展。
一、課程內容改革
1、根據材料科學與工程學院各專業不同教學對象、不同培養目標和教學要求,材料研究方法與測試技術課程組制定了不同的教學大綱、教學計劃和教學內容,形成了內在聯系密切、統一組織協調、教學內容和教學方法各具特色的多層次的材料研究方法與測試技術課程。
2、提出了實踐教學與理論教學并重的教學理念,解決了學生理論基礎較強而對測試儀器操作和分析測試數據能力弱的現象,提高了學生分析問題,解決實際問題的能力。
3、將科學方法論和科學史融入授課過程,讓學生追尋科學發展足跡,體會每一材料研究方法的形成、演化之思維過程,進而了解科學研究的一般規律,了解科學思維的邏輯方法和非邏輯方法。
4、豐富完善教學內容,既涵蓋了原子力顯微鏡,掃描隧道顯微鏡等最新發展的分析測試技術,又包含建筑材料性能分析測試等特色內容,實現了內容分層次、分模塊,使教學內容層次清楚,重點突出,特色分明。
二、理論教學方法和手段改革
1、積極建立新教學的理念和實踐教學模式。理論教學講授基本原理并注重知識體系的整合;教學實踐加強分析問題、解決問題的能力。在教學工作中,課程組建立了“課程實驗-綜合測試-課外實踐”三段式實踐教學模式,培養學生實際應用各種分析測試技術解決實際問題的能力和創新能力。
2、改革了教學手段,課程主講教師自制多媒體教學課件并采用多媒體教學,充分利用課程網站等現代化教學手段輔助教學。在教學工作中,將教師的科研案例引入教學,取得了良好的教學效果。已初步完成《材料研究方法與測試技術》網絡版教學軟件的開發,同學可隨時上網學習和查閱有關內容進行學習。編寫《材料研究方法與測試技術》思考題,建立網上交流平臺,便于學生與教師、學生之間的自測以及交流。
3、教師隊伍建設取得成效。采取了引進和自身培養相結合的措施,充實了教師隊伍。課程組四位主講教師由一位德高望重的教授、兩位博士畢業的副教授和一位正在攻讀博士學位的講師組成,形成了一支知識結構、年齡結構、學緣結構合理,整體素質高,有發展潛力的教學隊伍。
三、實踐教學改革
1、材料科學與工程學院實驗中心擁有建筑材料實驗、高分子材料實驗室和材料化學實驗室。裝備有電子顯微鏡、綜合熱分析、色譜分析儀、偏光顯微鏡、紅外光譜分析、顯微硬度儀、激光粒徑測定儀等大型儀器,滿足進行本課程不同層次學生學習的需求。
2、本著提高學生實踐能力、動手能力和創新能力的目的,鼓勵學生參與老師的科研實驗活動。學生通過大學生科技創新大賽和畢業設計等方式參與老師的科研課題,在學習材料研究方法和測試技術課程同時,依據自我專業興趣,自行選擇指導教師,通過自主查閱資料、與指導教師交流、自主思考、設計實驗、制備樣品,并評價材料的綜合性能及分析材料的結構。科技創新大賽的成績一定比例計入本課程期末考試,激發學生參與科技活動的積極性,同時培養其自覺學習,獨立思考及獨立科研的能力。
四、課程目前的不足
盡管我們對《材料研究方法和測試技術》課程教學內容和教學手段精心設計,但仍然還存在明顯的不足:
1、實驗教學與課堂教學時常脫節。本課程涉及的儀器精密且貴重,數量有限,種類也不齊全,學生真正動手操作儀器的機會非常有限,動手能力很難得到實質性提高。
2、本科程涉及到結晶學、物理學、數學等學科,學生在理論教學中表現出基礎學科知識不足的特點。
3、在教學中遇到的材料微觀現象難以用語言表述、儀器結構復雜,學生無法在短時間內掌握,并熟練操作,難以達到預期效果。
盡管我們對《材料研究方法和測試技術》課程進行了教學內容、教學方法和手段的改革,并取得了一定的經驗,但要想趕上日新月異發展的步伐,培養出高素質、具有創新性的人才仍需不斷的努力。
參考文獻:
[關鍵詞] 北京航空航天大學;材料專業研究生;創新型實驗;特色實驗課程;功能材料
[中圖分類號] G643 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-893X(2012)03?0073?02
創新有三層含義:一是更新;二是創造新事物;三是改變。創新性人才指掌握一定專業知識技能,在社會實踐中能推陳出新,以自己的創新性意識和行動,在利用自然改造自然,推動社會進步中做出貢獻的人。隨著知識經濟時代的到來,在世界各國的綜合國力競爭中,創新人才被越來越多的國家視為戰略性資源和決定性因素。培養具有創新能力的高素質人才,順應了時代的呼喚和國家發展的要求。研究生教育是培養高層次專業人才的主要途徑。我國的研究生數量已跨入世界大國行列,研究生成為目前參與和推動我國科學技術發展的重要力量,其知識創新能力與科研實踐能力的培養對于提高我國的科技競爭力至關重要。而大量研究表明,當前我國研究生的創新實踐能力嚴重不足,主要表現在科研實踐參與度低、國際性的學術論文數量偏少、學術成果質量不高、原創性成果稀少等等。
北京航空航天大學作為我們國家自己創建的第一所航空航天大學,學校面向國家重大戰略需求、面向世界航空航天發展的前沿,為國家經濟事業的發展、特別是為航空航天事業做出了不可替代的貢獻。北京航空航天大學培養了11萬學生,這些高素質人才大部分在我國的航空航天領域擔當重任,為我國的航空航天事業提供了人才支持。北京航空航天大學多年來服務大局、特色興校、培育人才、不斷創新,突出航空航天特色和工程技術優勢,形成了獨具特色的高水平研究型大學建設模式。
北京航空航天大學提出了新時期“重基礎、強交叉、拓視野、推創新”的研究生教育思路,對調整研究生教育結構,提高生源質量,改革招生指標分配辦法,修訂培養方案,促進研究生課程國際化,推廣試點班教育模式,建設專業學位研究生實踐基地,創新學科交叉機制體制等,提出了明確要求。
一、研究生培養模式和實驗教學體系
北京航空航天大學在研究生培養模式上分為理論教學、實驗教學和學位論文研究三個階段。在強化研究生理論教學和學位論文研究的同時,采取了重大舉措來培養研究生的實踐能力:針對不同學科專業的特點增加了研究生教學的實驗環節;通過“211”和“985”條件建設逐步構建了開放適用的研究生實驗教學設備條件,并構筑人性化的實驗環境;打破了傳統實驗教學模式,確立了開放式的多元化的研究生公共實驗和研究生專業實驗課體系;最大限度地挖掘出研究生的知識潛能,養成創造性品格,掌握創造性技能,最后在研究生學位論文的寫作中得到深入和升華,使得研究生培養的三個階段構成了一個由淺入深、循序漸進、具有內在聯系的有機體。
在實驗教學體系的構建方面,在一級學科層面,將關聯密切的研究生理論課程的實驗整合成數門獨立設置的綜合性實驗課。結合專業培養目標和其他相關課程,建立一個包括基礎驗證實驗、綜合設計實驗和創新型實驗3個層次的課程體系。
北京航空航天大學還構建了整體性的開放式創新實踐基地。例如自2004年以來,先后建設了“先進計算機網絡技術研究生創新基地”“復雜產品現代設計與先進制造技術研究生創新基地”和“先進航空航天飛行器創新基地” 等開放性的創新實踐基地。基地以航空航天與信息類優勢學科群為中心,以重點實驗室為依托,在創新人才培養和研究生教育改革的創新方面進行了積極的探索。
二、材料專業研究生特種功能材料特色試驗課程設計
北京航空航天大學材料學院多年來一直非常重視研究生教育,研究生的課程設置及內容為研究生從事科學研究打下了堅實的理論基礎。但材料學院研究生的實驗設備主要來自各科研課題組,設備種類、臺套數、完好率受限制,特別是使用時間無法保證,影響研究生試驗運行。課時數虛,授課內容待充實。
隨著多年來對實驗室建設的不斷投入,北京航空航天大學材料學院實驗室建設遵循“以軟帶硬”的原則,即以教學改革為前提,投入的實驗設備要服務于所開設的實驗項目,硬件建設服從軟件建設。目前材料學院用于研究生實驗教學的設備已經初具規模,擁有多套透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、X射線衍射儀、ICP分析儀、拉曼光譜分析儀等先進的分析檢測設備,并對各學科實驗室進行了優化整合和重組資源配置,發揮了實驗室的復合功能和規模效益。材料學院還承擔著大量國家級和省部級的重大科研項目,取得了一系列令人矚目的研究成果,具有良好的培養研究生的客觀條件。材料學院將逐步徹底改造研究生實驗課內容和實驗條件,建立具有航空航天特色、涵蓋材料學科重要研究方向的材料制備、測試及評價方法的研究生公共實驗平臺,以國家建設和經濟發展對材料科學與工程學科復合型人才的重大需求為導向,確定材料科學與工程學科實驗課程的具體設置方案。
北京航空航天大學材料學院以教育部“空天材料及其服役性能實驗室”為依托,開設了“先進結構材料”和“特種功能材料”研究生創新型實驗課。該實驗室多年來立足于航空航天材料前沿研究,旨在將先進的和學科交叉性強的科研成果高質量地融入到研究生實驗教學上,取得了多項重大科研成果。下面以“特種功能材料”的設置為例,從創新型實驗課和綜合實驗課的區別、創新型實驗課和研究生畢業論文研究實踐的區別、創新型實驗課與研究生創新基地三個方面來進行分析。
1. 創新型實驗課和綜合實驗課的區別
創新型實驗課和綜合實驗課在內容上都涉及到培養學生多學科知識綜合應用的能力。差別在于綜合實驗課相對而言內容更為固定,比如“材料電鏡分析實驗”是側重于使學生理解各種電子顯微分析方法的基本概念和原理,熟悉儀器結構,掌握樣品制備方法及實驗參數選擇,并學會對各種電鏡圖像及信息進行識別、計算和分析處理等。而創新型實驗課是在課程內容、形式和目的上存在更多的創新元素。這類實驗是學生在教師的指導下獨立自主完成 ,或者在指導教師的研究領域和學科方向上進行有目的有意識的探索研究,其教學目的在于激發學生的創新意識,培養學生的科研興趣和研究創新能力。培養學生的創新精神和創新能力,關鍵在于教師是否有創造性的實踐活動的經驗和體會,如大的創新團隊(課題組)和實驗室就是培育創新精神的沃土。以“特種功能材料”為例,北京航空航天大學“空天材料及其服役性能實驗室” 針對智能機翼、機載設備和航空發動機等的應用,在航空航天特種功能材料上積累了大量研究成果。其科研設備齊全,在“特種功能材料”實驗課中設立了相變材料、磁性材料等相對寬的方向,在實驗中指導教師演示其中課題組“成熟”材料從設計-制備-功能特性研究的完整的實踐過程,然后在大方向內自由選題,運用理論課程中的基礎知識,綜合設計實驗方案和內容,在任課教師的指導下自主探索研究。如果說綜合實驗課是學生從理論到實踐的第一步,那么創新型實驗則是學生開展創新科研工作的第一步。
2. 創新型實驗課和研究生畢業論文研究實踐的區別
這兩者同為科研訓練。創新型實驗課是“常做常新”的實驗課,指導教師要不斷開發新的實驗方法,搭建不同的新架構。學生則應該不斷豐富自主實驗的新內容,成為填充架構的新單元。從時間尺度上來說,創新型實驗課比研究生畢業論文研究短的多,創新型實驗課會對科研的過程有完整的體驗,為了保障進度,增強協作溝通能力,學生可以自由結合成小項目組,分工共同完成實驗內容。實驗課的考核以小組答辯的形式,根據選題的創新性、綜合性、協作情況等打分。研究生畢業論文研究一般都是學生在其導師的指導下單獨完成的。限于不同實驗條件、經費保障條件、課題組的創新實踐成果積累等的不同,畢業論文研究的創新實踐程度會有很大差異,研究生也往往得不到自主選題和自主研究的機會。
3. 創新型實驗課與研究生創新基地的區別
兩者的教學資源開放程度和范圍不同。研究生創新實踐基地是一個面向全校開放的,融教學、科研為一體的實踐活動平臺。研究生創新基地在學科綜合性和交叉性上,可以面向更大范圍的不同學科、不同年級的研究生,實現教育資源的整體優化。學科的集中交叉得資源能更集中整合,如“復雜產品現代設計與先進制造技術研究生創新基地”和“先進航空航天飛行器創新基地”等開放性的創新實踐基地就是如此。目前,“特種功能材料”研究生創新型實驗課還是材料學院研究生實驗課程體系的一部分,“特種功能材料”與物理、化學、航空、航天、電子、機械等領域有廣泛的學科交叉,可以成為培養研究生的綜合設計和研究探索創新能力的有效平臺。隨著教學實踐成果的積累、教學改革的深化和實踐教學條件建設的增強,材料學院可以向學校申報加入研究生創新基地的實踐活動內容,最大限度地為學生提供更多的科技創新實踐機會。
三、結語
北京航空航天大學材料學院“特種功能材料”研究生創新型實驗課的教學實踐才剛剛起步,深厚的科研成果積累和良好實驗課程的資源配置,以及是否能高質量地轉化到研究生實驗教學上,這些都還需要在實踐中不斷探索。指導教師團隊成員如何利用嶄新的實驗內容引導學生主動參與科研訓練,培養學生的創新思維和探索未知的能力,還需要不斷創新教學,與時俱進地轉變教育思想,更新教育觀念,才能真正在教學改革中收到實效。
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關鍵詞:專業綜合實驗;教學改革;自助式;材料類專業
實驗教學是高校教學工作的重要組成部分,與理論教學相輔相成。材料類專業是實踐性很強的專業,實驗教學對該專業大學生創新能力、動手能力的培養具有重要意義。近年,許多高校對材料類專業實驗教學進行了改革,開設了各種模式的綜合型實驗, 取得了一些富有成效的經驗。中原工學院專業綜合實驗課程是材料科學與工程專業、材料成型與控制工程專業教學計劃中一個重要的實踐性教學環節,屬于獨立設置的實驗教學必修課,目的是使學生運用所學專業知識和技能,綜合處理實際工作中遇到的問題,提高解決實際問題的能力,為以后從事金屬材料的生產和科研奠定基礎。
中原工學院材料類專業從2007級學生開始,獨立設置專業綜合實驗課程。實驗項目是給出一系列機械零件名稱及所用的材料,提出技術要求,要求學生自由選擇題目,根據題目要求制訂熱處理工藝方案,并完成相應的組織與性能檢測。專業綜合實驗的開設,雖然在一定程度上增強了學生的創新意識與實踐能力, 學生的自主設計、自主學習能力都有所提高, 取得了一定的教學效果,但學生的積極性、主動性及創造性未能得到充分發揮。為此,課程組對專業綜合實驗教學進行了改革,結合工程實際生產與教師的科研項目,增加了一些新的實驗項目,提出了專業綜合實驗“自助式”實驗教學模式,經過3年實施,取得了良好的效果。
一、“自助式”實驗教學特點
“自助式”實驗教學是指在實驗教學中,以學生為主、教師為輔的教學方法,即以學生為中心,教師圍繞學生的思路進行輔導教學,由學生根據自己的意愿、興趣完成整個實驗過程。學生自由選擇實驗項目、儀器設備,自主設計、實施實驗方案,獨立獲得實驗數據、完成實驗報告。在整個實驗過程中,教師僅提供實驗項目,提出實驗要求,進行必要的指導,充分發揮了學生的自主性和能動性。
“自助式”實驗教學具有以下特點及作用:(1)實驗項目數量充足,學生可以根據自己的專業興趣選擇題目,有利于提高學生學習的積極性和主動性。(2)一個實驗項目一般由3~5名學生共同完成,大家相互討論制訂實驗方案,分工合作,共同完成整個實驗,有利于培養學生的團隊精神、協調能力及組織能力。(3)實驗方案及實驗過程由小組學生自主完成,能夠培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力及創新能力。(4)實驗設備由學生自己選擇,設備的參數由學生自己調試,有利于培養學生嚴謹認真的工作態度和實踐能力。(5)“自助式”實驗不同于以往的簡單驗證性實驗,具有綜合性、設計性和創新性。一個實驗不僅需要以前學過的知識,而且需要一些未曾接觸過的新知識,需要學生去查閱相關資料,有利于培養學生綜合運用所學知識解決問題的能力及查閱文獻資料的能力。(6)學生自選項目多樣,涉及的知識比較寬泛,需要指導教師有寬廣的知識面,這樣指導學生才能得心應手。
二、專業綜合實驗教學內容的設計
專業綜合實驗作為中原工學院材料類專業的一門課程,注重對學生進行綜合技能的訓練,培養學生獨立分析、解決問題的能力。
選題是綜合實驗的第一步。在選題時,應充分考慮實驗內容與理論課程的關聯性,依托理論課程體系的學科基礎課、專業課和專業方向課平臺構建相應的實驗體系。同時,緊密結合各專業當前的發展方向,注重選題的新穎性。綜合實驗的題目可以與實際生產相結合,也可以與教師的科研課題相結合,還可以由學生自己提出,老師審定。每一實驗項目的設計都以某一零件的材料選擇為主線,綜合運用了多門理論課知識和多項實驗技能。經過近幾年的實踐,最后精選出三個方向的實驗項目(每個方向的實驗項目都有具體的實驗內容及要求):(1)常用機械零件的熱處理及組織與性能分析,要求每個小組在所給的零件中任選其一,然后進行組織和性能分析。(2)等離子表面改性處理及組織與性能分析,要求每個小組在給定的基體材料、熔覆粉末及處理方式中至少選擇一種基體材料、一種處理方式,若進行熔覆處理只選擇一種粉末,先進行表面改性處理,然后分析其組織和性能。(3)合金的設計與熔煉及組織與性能分析,要求每個小組在給定的材料中熔煉一組不同成分的合金,然后分析其組織和性能。每個實驗題目由3~5人為一組完成。學生可以根據自己的意愿和專業知識興趣選擇實驗項目,指導老師只提出最終實驗要求。這樣的實驗項目內容設計要求學生能夠將材料科學基礎、材料性能與檢測、金屬材料及熱處理等相關理論知識結合,達到理論知識的有機融合;將熱處理工藝操作技術、金相試樣制備技術、金相組織攝影及分析技術、相關性能測試技術等相關實驗技能結合,達到實驗技能的有機融合。通過這樣的實驗項目,可以達到對學生進行運用理論知識,提高實驗技能、分析能力、實踐能力、創新能力和工程意識綜合訓練的目的。
三、專業綜合實驗教學的組織與實施
專業綜合實驗教學時間為2周, 主要安排在大四上學期,在學生學完全部專業課并具備了基本實驗技能的基礎上開設。具體做法是:學生自由組合成小組,每個小組選擇一個題目,由小組擬定實驗方案,獨立操作與分析判斷實驗結果,寫出實驗報告,最后進行匯報答辯。如果學生選擇一個具體的零件,就要按照零件的技術要求,進行合理選材,安排加工工藝路線,畫出熱處理工藝曲線,明確如何檢測熱處理后的組織和力學性能。經指導教師審閱合格后,學生才能進入實驗室做實驗,按照制定的工藝路線進行熱處理,制作金相試樣觀察組織并測試、分析材料的性能,比較處理前后材料組織性能的變化及其規律。整個實驗由學生獨立完成,由學生自主查閱相關資料、確定實驗工藝、處理實驗數據、分析實驗結果。
在實驗過程的組織和實施中,每一組學生都由理論課教師和實驗課教師(兩位教師)指導。在整個實驗過程中,教師只解答學生在實驗中遇到的問題,引導他們獨立思考,學會解決具體問題的方法和步驟, 鍛煉學生的思維方法及綜合處理解決問題的能力,從而促使學生由被動接受一個實驗項目轉變為自主運用所學理論知識解決實際問題,有效提高了學生的創造思維能力,鍛煉了其獨立實驗技能,培養了其材料工程意識。
實驗后的總結非常重要,它是學生分析問題、解決問題的重要環節。要求學生首先獨立思考,然后相互討論,將實驗以實驗報告的形式進行總結。報告內容包括實驗內容、實驗方案、實驗方法、實驗結果和結果分析,最后以小組為單位做成PPT,進行匯報答辯。小組之間可以互相提問、討論,最終由教師點評。通過匯報、小組之間的提問及教師點評,有助于學生對各自試驗結果與相似小組進行比較,從而加深學生對實驗結果的理解,拓展學生的知識面,激發學生復習理論知識的積極性;既提高學生分析問題、解決問題的能力,為以后從事材料科學研究打下良好的基礎,又能增強學生的成就感,培養他們的專業興趣及愛崗敬業的職業道德。
每個小組的最終成績由指導教師和其他小組綜合評定,指導教師評價占60%,學生評價占40%。指導教師根據實驗小組的整體實驗方案、實驗進展情況、實驗過程中的表現、實驗結果、分析討論情況、報告的質量及匯報答辯情況進行整體評價,給出每個小組的成績。同樣,每個小組也同時給出其他小組的成績。綜合教師和小組評定,最后給出每個小組的成績。小組內每個學生的成績由指導教師和小組組長根據其綜合表現和實驗報告質量在小組成績基礎上給出。實驗評判鼓勵創新,只要有創意,實驗思路明晰,操作無誤,分析準確到位,結果合理,就可以評定為優秀的實驗報告。這樣評分既公平,又能提高學生的參與意識和積極性。
四、專業綜合實驗教學改革實施效果
1.提高了學生的綜合素質和創新能力
通過近幾年的專業綜合實驗課教學訓練,學生普遍反映動手能力得到了很大的提高。大多數學生能夠獨立操作實驗設備,熟練掌握熔煉設備、表面處理設備、熱處理設備的操控及金相試樣的制備、金相組織觀察與攝影、力學性能測試等材料專業基本實驗技能,同時在實驗過程中一些新思維、新想法不斷涌現,這對學生的個性發展和創新能力的培養起到了積極的推動作用,有利于培養具有開拓意識、創新能力的新型人才。此外,實驗過程中需要小組同學之間相互協作,又培養了學生的團隊協作精神及協調能力。
2.提高了教師的專業水平
“自助式”專業綜合實驗課的開設對指導教師提出了較高的要求,要求指導教師必須提供充足的實驗項目,供學生自由選擇。此外,學生在綜合實驗及小組匯報答辯過程中都會遇到各種各樣的理論和實際問題,有些問題需要指導教師查閱相關資料或者向企業工程技術人員及其他教師請教,經過深入思考才能加以解決,有利于促進教師專業水平的提高。
五、結語
專業綜合實驗教學經過幾年的摸索和實踐,采用“自助式”實驗教學模式,取得了良好的效果。學生通過專業綜合實驗,提高了基本實驗技能,加深了對所學專業理論知識的理解,鍛煉了理論聯系實際、綜合應用專業知識解決實際問題的能力,提高了對專業的認知、興趣及工程意識,為后期的畢業設計及畢業后的工作奠定了良好的基礎。
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