中心简介

(1)学科依托

2011年,为加快以教师教育为主要特色的综合性研究型大学转变步伐,推进材料科学重点学科建设,陕西师范大学以“高起点开局、高标准要求、高水平运作、高速度发展”为建设目标,决定成立研究型材料科学与工程学院。经过几年建设,现拥有历史文化遗产保护教育部工程研究中心、陕西省大分子科学重点实验室、陕西省能源新材料与器件重点实验室、陕西省能源新技术工程实验室、何崇本能源新材料及技术研究中心、光电功能材料研究团队实验室和液晶及高分子功能材料研究团队实验室等研究平台。学院具有材料科学与工程一级学科博士学位授予权和材料科学与工程博士后科研流动站,形成了从本科、硕士、博士到博士后的完整人才培养体系。


(2)发展历程

2011年以来,光电功能材料实验教学示范中心以光电功能材料为特色建设目标,先后建立了微结构与物性测定专业基础实验室、无机光电材料制备与表征专业实验室、高分子光电功能材料专业实验室、以器件化为特征的光电功能材料综合实验室以及大型仪器共享平台。提出了“多学科交叉,多层次贯通”的光电功能材料实验教学体系。2017年中心获批陕西省光电功能材料实验教学示范中心,目前已发展成为一个集实验教学、实验室服务与管理以及与科研资源共享的一体化管理实体机构,是材料化学、新能源材料与器件等专业实验教学、科研实践以及学校科普宣传的重要场所。在光电功能材料为特色的高素质人才培养中,发挥着十分重要的作用。

中心目前有专任教师37名,其中教授21人,副教授15人,讲师1人;36人具有博士学位,34人有海外留学经历。包括国家“千人计划”入选者1人,国家“百千万人才工程”第一、二层次入选者2人,享受国务院特殊津贴者3人,“国家有突出贡献的中青年专家”2人,陕西省“百人计划”入选者7人,陕西省“千人计划”入选者1人,陕西省“三秦学者”1人,陕西省创新人才支持计划2人,陕西省科技新星4人。现有各类教学科研实验仪器价值近4000万元,实验室面积达8000平方米。近五年先后承担国家重点研发计划、国家自然科学面上基金、青年基金、省部级重点以上及企业横向项目180余项,20多项授权发明专利实现了工程转化。获省部级一等奖4项,二等奖3项,获全国百篇优秀博士论文1篇。在Adv Mater, Nature Commun, Energy Environ Sci, J. Am. Chem. Soc., Angew Chem. Int. Ed.等上发表高水研究论文400余篇。根据美国ESI基本科学指标库2018年11月15日公布的最新数据,学校材料科学学科ESI排名进入全球大学和科研机构前5‰(全国仅有60所高校进入),标志着我校材料科学学科已经进入内涵式发展道路。


(3)建设概况

材料微观结构决定材料的宏观性能,随着材料化学研究不断向微观领域延伸,传统的表征手段和实验技术不可能完整准确地描述材料的基本物理性能。先进的网络和信息技术对于学生深入理解微观化学反应过程、大型仪器的工作原理、材料基本物理性能、新能源材料与器件组装过程以及实验室安全规范等,具有十分重要的意义。

依托于材料科学与工程学院建设的新能源材料与器件虚拟仿真实验教学中心,积极探索实验信息化教学新途径。中心以全面提升学生创新和实践能力为宗旨,依据材料学科的基本特点和器件组装实验教学目标,按照“虚实载体结合,虚实对象结合,虚实手段结合”的建设理念,遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚、以虚扩实”的建设原则,构建了微观机制的可视化---材料物理性能的虚拟仿真实验、实训过程的可视化---新能源器件组装工艺虚拟仿真实验、仪器运行原理可视化---大型仪器工作原理及其操作虚拟仿真实验、不可预测事故的可视化---实验室突发事故与防范虚拟仿真实验等四个模块,初步形成了以新能源材料与器件为特色的虚拟仿真实验教学体系,为提高学生学习兴趣、加强学生实践能力、促进学生个性化成长发挥了积极作用。围绕新能源材料与器件虚拟仿真实验教学,形成了以下具有特色的教学资源:


1)微观机制的可视化---材料物理性能的虚拟仿真实验

尽管实体性材料物理性能测试手段已成为不可或缺的教学手段,但对性能的微观解析常常受学生想象力局限使教学效果受到限制。材料物理性能虚拟仿真实验旨在从纳米、微米尺度、分子、原子、电子等层次以动态化可视化形式解析材料物理化学性能。补充实体教学不足,提高教学效果。材料物理性能的虚拟仿真实验包含半导体的掺杂、半导体器件中“结”的形成过程;差热发电原理可视化教学、电池材料充放电过程的可视化仿真、压电材料压电效应仿真等。


2)实训过程的可视化---新能源器件组装工艺虚拟仿真

在高校实验室中建立与生产实际接近的新能源器件组装平台存在许多现实问题,为解决这一教学实践问题,构建与接近现实情境的工艺过程可视化,并与教学实习相结合,弥补现实教学需求。新能源器件组装工艺虚拟仿真主要包括压电材料器件组装工艺仿真、扣式锂离子电池的虚拟仿真以及太阳能电池器件组装的工艺仿真。通过工艺仿真,可对新能源器件各组成零部件进行单独整体展示,同时可实现对每一个零部件进行理论讲解及说明,方便学生在了新能源器件结构及组成的同时,学习相关理论知识,实现理论知识与工艺实践的一体化教学理念。


3)仪器运行原理可视化---大型仪器工作原理及其操作虚拟仿真

仪器是实现实验条件控制和获取实验现象的基础。对仪器工作机制和过程的深刻理解不仅对于正确使用仪器具有重要意义,而且对于理解实验现象的本质也极其重要。现实大型仪器难以解构,更不可能在运行中进行演示,从而限制了学生对大型仪器运行机制的理解。为此,建立大型仪器操作虚拟仿真实验,以虚拟仿真实验为载体,进行体验式训练,可以有效降低大型仪器的占用机时,提高使用效率。大型仪器工作原理及其操作虚拟仿真包括材料微观形貌和区域元素表征的场发射扫描电镜虚拟仿真、多功能X射线衍射系统实际应用虚拟实验、核磁共振波谱仪(400MHz)使用过程的虚拟仿真、原子力显微镜虚拟仿真培训系统等。旨在为学生提供传统实验无法体验的仪器设备运行机制及环境,以成为提高大型仪器实验效能的重要组成部分。


4实验事故隐患可视化---实验过程中安全隐患虚拟仿真

随着高校和科研院所对实验室建设投入的不断增加和办学规模的扩大,实验室安全工作面临着巨大的压力和挑战。近年来实验室安全事故频发,惨痛的教训给实验室安全在此敲响了警钟。为了提高广大师生员工的安全意识、增强防范和应急救援能力、保障师生员工生命财产安全,结合材料科学与工程学院实验室安全特点,我们提出了氢燃料电池组装及性能测试实验安全隐患虚拟仿真、激光使用中安全隐患虚拟仿真、纽扣锂电池生产中安全隐患虚拟仿真、实验安全操作虚拟仿真、安全隐患排查虚拟仿真等,构成了实验室安全有关的突发事件虚拟仿真完成内容。通过对新能源材料与器件实验过程中突发安全事故、防范自救、消防器材使用培训等虚拟仿真,形成了仿真程度高、交互功能强、情景化参与、可实时评价的实验室安全虚拟平台。