材料物理專業(yè)《創(chuàng)新實踐周》教學大綱

《創(chuàng)新實踐周》教學大綱一、課程基本情況實踐環(huán)節(jié)代碼：101137623205實踐環(huán)節(jié)名稱（中/英文）：創(chuàng)新實踐周/InnovativePracticeWeeks課程類別：專業(yè)實踐課程學分：4周數：4適用專業(yè)：材料物理適用對象：本科開課學院：材料科學與工程學院二、實踐簡介創(chuàng)新實踐周是洛陽理工學院材料科學與工程學院材料物理專業(yè)特有的實踐項目，主要內容包括創(chuàng)新科研實驗和離網電站設計等內容，學生根據自己的興趣選擇不同的內容和指導老師，在指導老師的指導下，完成實踐任務，提交實踐報告，指導老師根據學生的表現給出成績，指導老師是學生實踐內容和實踐報告的第一責任人，應嚴格把關，確保實踐效果。通過創(chuàng)新實踐訓練，培養(yǎng)和鍛煉學生發(fā)現問題、分析問題和綜合運用所學知識解決實際問題的能力。培養(yǎng)學生的團隊合作精神，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。通過創(chuàng)新實踐周的訓練，使學生對新能源材料的國內外研究熱點和方向有更深層次的理解，更加熟悉我國在新能源領域的貢獻，培養(yǎng)學生從事研究嚴謹的態(tài)度，提升學生的動手實踐能力，激發(fā)學生投入國家社會主義建設的愛國熱情。三、教學目標1.對畢業(yè)要求的支撐[畢業(yè)要求指標點3.3]能夠進行材料制備工藝流程或光伏電站/儲能系統(tǒng)的設計，并在設計過程中體現創(chuàng)新意識。[畢業(yè)要求指標點3.4]在設計過程中能夠考慮公共健康與安全、節(jié)能減排與環(huán)境保護、法律與倫理、以及社會與文化等制約因素。[畢業(yè)要求指標點4.3]能夠合理選用材料研究與檢測設備，并采用科學、合理的試驗方法和步驟，安全地開展試驗研究，并正確地采集試驗數據。[畢業(yè)要求指標點5.3]能夠通過組合、選配、改進、二次開發(fā)等方式創(chuàng)造性地運用現代工程工具對影響新能源材料結構與性能、生產與服役過程中的復雜工程問題進行預測與模擬，滿足特定需求，并分析其局限性。[畢業(yè)要求指標點9.3]能夠作為負責人組織、協(xié)調和指揮團隊開展工作。[畢業(yè)要求指標點11.3]能在多學科環(huán)境下（包括模擬環(huán)境），在新能源材料領域復雜工程問題解決方案的過程中，運用工程管理與經濟決策方法。2.教學目標對應畢業(yè)要求指標點，具體內容如下：教學目標1：培養(yǎng)和提高學生的科技創(chuàng)新意識，能夠綜合文獻資料信息，運用所學專業(yè)知識提出合理的新能源材料制備流程或離網光伏發(fā)電系統(tǒng)設計方案。（支撐畢業(yè)要求指標點3.3）教學目標2：在新能源材料制備流程或離網光伏發(fā)電系統(tǒng)設計過程中，能夠考慮生產過程中健康與安全、節(jié)能減排與環(huán)境保護等問題。（支撐畢業(yè)要求指標點3.4）教學目標3：能夠按照設計方案安全地開展材料制備實驗或離網電站設計試驗，并選用合適的檢測方法對所得材料的結構和性能進行測試表征、對所設計的離網電站進行可行性分析，收集并正確地處理數據。（支撐畢業(yè)要求指標點4.3）教學目標4：能夠對現有材料進行物性分析，通過改進等方式創(chuàng)造性地運用現代工程工具對影響新能源材料結構與性能、生產與服役過程中的復雜工程問題進行預測與模擬，優(yōu)化材料，提出更優(yōu)方案。（支撐畢業(yè)要求指標點5.3）教學目標5：具備良好的組織、溝通能力，能夠作為負責人組織、協(xié)調和指揮團隊開展工作。（支撐畢業(yè)要求指標點9.3）教學目標6：能在多學科環(huán)境下（包括模擬環(huán)境），結合工程管理與經濟決策方法提出新能源材料領域復雜工程問題的解決方案。（支撐畢業(yè)要求指標點11.3）四、實習內容和要求學生根據自己的興趣和個人需求，選擇下列任意一個項目作為實踐內容，也可以根據指導老師的科研項目需要，選擇不同的實驗或實踐項目。項目一鋰離子正極材料的制備及性能測試1.實驗目的和任務實驗通過鋰離子正極材料的制備、紐扣電池的封裝及電池充放電性能的測試，了解和掌握鋰離子電池的原理和制備工藝。（1）掌握鋰離子電池的結構及充放電原理；（2）掌握鋰離子正極材料的制備過程及工藝；（3）掌握鋰離子電池的封裝工藝；（4）熟悉鋰離子電池的充放電過程及測試方法。2.實驗要求（1）學習和掌握鋰離子電池的基本原理；了解鋰離子電池正極材料的制備方法；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）正極活性物質的制備(以LiMn2O4為例)采用高溫固相法制備LiMn2O4正極材料，首先將Li和Mn的前驅體混合，然后經過煅燒得到LiMn2O4正極材料?？刹捎梅侄紊郎?、多次球磨等方法改善材料的結晶程度，提高材料的電化學性能，還可摻入一些離子對活性物質進行改性。（2）正負極的制備A．正極的制備正極活性物質、導電劑炭黑、粘結劑聚偏二氟乙烯混合均勻后，加入一定量溶劑N-甲基-2-吡咯烷酮，在球磨機中研磨，然后用玻璃棒在集流體鋁箔上涂成均勻的薄膜，放入真空烘箱中烘干。將烘干的電極滾壓，使活性物質與集流體緊密結合。將壓好的電極裁成直徑15mm圓片后儲存?zhèn)溆谩．負極、電解液和隔膜負極是鋰金屬薄片；電解液為LiPF6溶于體積比EC:DC:EMC=1:1:1的溶液；隔膜為聚丙烯，將隔膜紙裁剪成直徑為17mm的圓片，裁剪過程在充滿Ar的手套箱內進行。（3）電池的組裝電池裝配過程在充滿Ar的手套箱中進行。干燥的電極移入手套箱后，將正極、隔膜、電解液和負極按順序裝入模擬電池的模具中，然后進行裝配，保證裝好的電池密閉性良好。（4）電池的測試采用藍電電池性能測試系統(tǒng)測試電池的充放電性能。項目二發(fā)光材料的制備及光譜測試1.實驗目的和任務實驗通過發(fā)光材料的制備及發(fā)光材料光譜的測量，全面了解和掌握發(fā)光材料的原理和制備工藝。（1）了解發(fā)光材料的激發(fā)和發(fā)光過程；（2）掌握備發(fā)光材料的制備方法，熟悉反應裝置及具體實驗操作；（3）掌握紫外-可見分光光度計測量發(fā)光材料吸收光譜的方法。2.實驗要求（1）學習和掌握發(fā)光材料的發(fā)光原理；了解發(fā)光材料的制備方法；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）發(fā)光材料的制備(以Y2O3:Eu為例)稱取一定量的Y2O3、Eu和熔鹽Li2CO3，混合均勻。置入高溫爐中進行高溫合成，煅燒后粉碎、研磨并過篩，得到Y2O3:Eu發(fā)光材料。（2）光材料的測試采用紫外-可見分光光度計測量發(fā)光材料的吸收光譜。項目三光催化材料及光催化性能測試1.實驗目的和任務實驗制備了納米光催化材料。用X衍射儀、透射電鏡和紫外-可見光分光光度計對其進行表征。用羅丹明B降解反應評價光催化材料的光催化性能。（1）了解光催化反應機理；（2）掌握濕化學法制備納米光催化材料的方法，熟悉反應裝置及具體實驗操作；（3）掌握紫外-可見分光光度計測量光催化材料催化性能的方法。2.實驗要求（1）學習和掌握光催化反應機理；了解濕化學法制備納米材料的方法；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）光催化材料的制備(以ZnO為例)將適量的Zn(Ac)2?2H2O加入到乙醇溶液中，混合均勻。將濃度為1MNaOH溶解于乙醇中，在室溫攪拌并與上述溶液混合。將這種混合物轉移到聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，進行反應，反應釜自然冷卻到室溫，抽濾得到最后產物。用水清洗數次，在空氣中干燥。ZnO的光催化性能可以通過離子摻雜的方式得到提高。（2）樣品結構表征采用X射線衍射儀分析樣品的相結構；使用透射電鏡觀察樣品的顯微形貌。（3）光催化活性測試將光催化粉體分散在羅丹明B水溶液中，在黑暗中攪拌懸浮液12小時，以確保羅丹明B在納米粉體表面達到吸收平衡，然后用紫外燈管（λ=365nm）照射懸浮液，繼續(xù)磁力攪拌懸浮液以確保實驗全過程粒子充滿懸浮液。在給定間隔抽取懸浮液并在離心機中離心，用紫外-可見分光光度計測量上層清液的紫外吸收光譜。項目四電介質陶瓷的制備及介電性能測試1.實驗目的和任務實驗通過固相反應法制備電介質陶瓷，用LCR電橋對其進行表征，使學生了解介質陶瓷的制備過程及介電性能的測試方法。（1）了解LCR電橋測試電介質陶瓷介電性能的原理；（2）掌握固相反應法制備電介質陶瓷的過程，熟悉具體實驗操作；（3）掌握電電介質陶瓷介電性能的測試方法。2.實驗要求（1）學習和掌握介電性能的測試原理；了解固相反應法制備介質陶瓷的方法；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）電介質陶瓷的制備(以BaTiO3為例)稱取適量的BaCO3和TiO2粉放入球磨罐中研磨，在烘箱中烘干，然后過篩。將過篩后的粉體放入馬弗爐中預燒，再次球磨、烘干、過篩。以6wt%PVA溶液做為粘結劑，將預燒過的BaTiO3粉體造粒并過篩。造好粒的粉體放入模具中，在100MPa壓力下壓制成直徑12mm的生坯片。將生坯片放入高溫爐中煅燒，得到BaTiO3陶瓷。通過復合和摻雜的方式能夠改善介質陶瓷的介電性能。（2）鍍銀電極在陶瓷片兩面均勻涂覆銀漿，放在馬弗爐中進行熱處理。（3）介電性能測試A．對LRC電橋進行開路、短路校準，提高儀器的測試精度；B．將BaTiO3陶瓷試樣安裝在測試夾具上，在LRC電橋上讀出試樣在20Hz~1MHz頻率范圍內的電容及介電損耗。C.對測量結果進行處理得到BaTiO3陶瓷的頻譜曲線。項目五染料敏化電池的制備及性能測試1.實驗目的和任務實驗通過TiO2納米晶多孔膜的制備、染料敏化太陽能電池的封裝及測試，全面了解和掌握染料敏化電池的原理和制備工藝。（1）掌握染料敏化太陽能電池的光電轉換機理；（2）掌握TiO2納米晶多孔膜的制備技術，了解染料敏化電池的結構及組裝過程；（3）學習光伏電池的性能測試技術及原理。2.實驗要求（1）學習和掌握染料敏化太陽能電池的光電轉換機理；了解溶膠-凝膠法制備TiO2納米晶多孔膜的方法；掌握光伏電池的性能測試技術及原理；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）導電玻璃的切割和處理用玻璃刀將導電玻璃切割成長2.5cm，寬1.8cm的長方形，分別用去污粉、丙酮和無水乙醇超聲清洗30分鐘，烘干。用萬用表測定導電玻璃導電一側，用乙醇擦拭待用。（2）TiO2納米粉體的制備稱取一定量的鈦醇鹽融入無水乙醇中形成溶液A；將去離子水、醋酸和乙酰丙酮按一定的比例混合均勻，形成溶液B；將溶液B緩慢滴入溶液A，攪拌，至形成果凍狀凝膠。凝膠經過干燥、燒結、研磨得到TiO2納米粉體。通過離子摻雜的方式能夠改善TiO2粉體的性能。（3）TiO2工作電極的制作稱取適量的TiO2粉體與硝酸和聚乙二醇在研缽中研磨，混合均勻。將TiO2水溶膠均勻涂覆在處理過的導電玻璃上(導電一側)，置于烘箱中烘干，然后煅燒。將多孔膜取出，放在多聯(lián)吡啶釕的絡合物染料中浸泡，充分吸附染料分子，制成TiO2工作電極。（4）對電極的制作將氯鉑酸均勻滴在導電玻璃的導電一側并進行熱處理。（5）電解液配置稱取一定量的KI、I2和丙烯碳酸酯，使KI和I2的濃度分別為0.5mol/L和0.05mol/L，再加入等體積的叔丁基吡啶。（6）電池的組裝把浸過染料的工作電極用鑷子取出，用無水乙醇清洗晾干。兩片玻璃電極錯開，留出的導電部分作為電池測試用，并用兩個夾子把電池夾住。將電池傾斜放置，從一端的縫中滴入電解質至充滿整個電池。在四周涂上粘合劑，晾干后即可。（7）電池性能測試采用電化學工作站測試電池的性能。連接循環(huán)伏安電路，光源對準工作電極一側，調節(jié)光源與電池的距離，使電池上的入射光強度保持不變，進行測定。設置掃描速率和電壓，得到循環(huán)伏安曲線，并根據曲線計算電池的最大功率、填充因子和光電轉換效率，評價電池性能。項目六鋰離子負極材料的制備及性能測試1.實驗目的和任務實驗通過鋰離子負極材料的制備、紐扣電池的封裝及電池循環(huán)伏安曲線的測試，了解和掌握鋰離子電池的原理和制備工藝。（1）掌握鋰離子負極材料的制備過程及工藝；（2）掌握鋰離子電池的循環(huán)伏安曲線測試方法。2.實驗要求（1）學習和掌握鋰離子電池的基本原理；了解鋰離子電池負極材料的制備方法；根據實驗目的查找相關文獻，設計小組實驗方案；（2）熟悉儀器的使用方法，詳細記錄實驗步驟、數據和現象；（3）對實驗結果進行數據處理并分析，認真完成實驗報告；做PPT電子文檔，進行8-10分鐘的講解。3.實驗內容和步驟（1）負極材料的制備(以Li4Ti5O12為例)首先稱取一定量的醋酸鋰溶入無水乙醇中，加入去離子水和冰醋酸，攪拌均勻，得到溶液A；將一定量的鈦酸丁酯緩慢加入無水乙醇中攪拌均勻，得到溶液B；A溶液緩慢加入B中反應，強力攪拌至產物呈凝膠狀；將凝膠烘干、煅燒，得到Li4Ti5O12負極材料。通過離子摻雜可以改善負極材料的性能。（2）正負極的制備A.負極的制備負極活性物質、乙炔黑、PVDF按一定的質量比混合均勻后，加入一定量溶劑N-甲基-2-吡咯烷酮，在球磨機中研磨，然后用玻璃棒在集流體銅箔上涂成均勻的薄膜，置于真空烘箱中烘干。將烘干的電極滾壓，使活性物質與集流體緊密結合。將壓好的電極裁成直徑為15mm圓片后儲存?zhèn)溆?。B.正極、電解液和隔膜正極采用磷酸鐵鋰為活性物質，其制備步驟與負極制備過程相同；電解液為1M的LiPF6溶于體積比EC:DC:EMC=1:1:1的溶液；隔膜為聚丙烯，將隔膜紙裁剪成直徑為17mm的圓片，裁剪過程在充滿Ar的手套箱內進行。（3）電池的組裝電池裝配過程在充滿Ar的手套箱中進行。干燥的電極移入手套箱后，將正極、隔膜、電解液和負極按順序裝入模擬電池的模具中，然后進行裝配，保證裝好的電池密閉性良好。（4）電池的測試采用電化學工作站測試鋰離子電池的循環(huán)伏安曲線。項目七離網光伏電站設計1.設計（論文）內容（1）查閱國內太陽能光伏發(fā)電方面的論文和書籍，對太陽能光伏發(fā)電的原理、技術、規(guī)范、框架及前景進行綜述；（2）根據系統(tǒng)安裝所在地情況、負載情況、運行要求等，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行總體計；2.設計（論文）的主要技術指標（1）總體設計方案合理、可行，既能夠滿足負載正常運行的需要，又要考慮經濟性；（2）每一模塊的控制策略能夠實現基本的設定功能，而且要注重控制策略的易實現性。（3）并網控制策略應具備最大功率點追蹤功能；3.設計（論文）的基本要求（1）掌握太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計思路。（2）完成實踐周設計報告一份。五、時間安排創(chuàng)新實踐周一共4周時間，一般安排在第6學期進行，實踐進行期間理論課程停課4周。序號教學內容所用時間1鋰離子正極材料的制備及性能測試4周2發(fā)光材料的制備及光譜測試4周3光催化材料及光催化性能測試4周4電介質陶瓷的制備及介電性能測試4周5染料敏化電池的制備及性能測試4周6鋰離子負極材料的制備及性能測試4周7離網光伏電站設計4周合計4周六、實習報告1.實習報告的主要內容實踐報告內容根據具體的實踐內容撰寫，字數不低于4000字。內容包括研究背景、研究現狀、正文、結論（創(chuàng)新點）、參考文獻等內容。2.實踐報告編寫的基本要求實踐報告統(tǒng)一按照洛陽理工學院畢業(yè)論文（設計）的格式要求撰寫。七、考核方式1.實習考核方式及比例考核方式考核內容對應教學目標評分標準考核占比實踐報告實踐簡介、架構（20分）1分等級評分，評分標準見附錄70%我國相關發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)，方案及材料選取依據（10分）4實踐所用原材料、實踐過程及主要設備的作用并進行經濟分析（30分）6實踐污染來源、造成的危害及采取的環(huán)保措施（10分）2實踐表現遵守實踐紀律，遵守實驗室規(guī)章制度，樹立安全生產意識，自覺遵守職業(yè)道德規(guī)范，組織分工明確（20分）5分等級評分，評分標準見附錄30%根據所學知識，設計優(yōu)化實驗步驟，規(guī)范完成實驗操作，準確記錄實驗現象，并對實驗數據進行正確分析討論（10分）32.實習成績評分標準實習報告評分標準考核環(huán)節(jié)考核結果及標準評估項目及權重優(yōu)秀（90~100分）良好（80~89分）中等（70~79分）及格（60~69分）不及格（<60分）教學目標1充分了解材料生產相關技術指標、產業(yè)政策和法律法規(guī)；充分理解社會文化對新能源企業(yè)影響。內容詳實，格式規(guī)范，書寫清晰。較好了解材料生產相關技術指標、知識產權、產業(yè)政策和法律法規(guī)。較好理解社會文化對新能源企業(yè)影響。內容詳實，格式規(guī)范。了解材料生產相關技術指標、知識產權、產業(yè)政策和法律法規(guī)，理解社會文化對新能源企業(yè)影響。內容詳實，格式基本規(guī)范?；玖私獠牧仙a相關技術指標、知識產權、產業(yè)政策和法律法規(guī)?；纠斫馍鐣幕瘜π履茉雌髽I(yè)影響。內容基本完整，格式基本規(guī)范。不了解材料生產相關技術指標、知識產權、產業(yè)政策和法律法規(guī)，未理解社會文化對新能源企業(yè)影響。內容欠缺，格式不規(guī)范。教學目標2充分了解實踐污染來源、造成的危害，能夠采取有效的環(huán)保措施。較好了解實踐污染來源、造成的危害，能夠采取有效的環(huán)保措施。了解實踐污染來源、造成的危害，基本能夠采取有效的環(huán)保措施?；玖私鈱嵺`污染來源、造成的危害，基本能夠采取有效的環(huán)保措施。不了解實踐污染來源、造成的危害，不能夠采取有效的環(huán)保措施。教學目標4充分熟悉我國相關發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)；熟練掌握方案及材料選取依據，內容詳實，格式規(guī)范，書寫清晰。較好熟悉我國相關發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)；較好掌握方案及材料選取依據，內容詳實，格式規(guī)范。了解我國相關發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)；了解方案及材料選取依據，內容詳實，格式基本規(guī)范?；玖私馕覈嚓P發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)；基本了解方案及材料選取依據，內容基本完整，格式基本規(guī)范。不了解我國相關發(fā)展現狀，有關的產業(yè)政策和法律法規(guī)；不能掌握方案及材料選取依據，內容欠缺，格式不規(guī)范。教學目標6能夠熟練對復雜工程實踐問題進行預測、分析與模擬，并能夠運用計算機基礎知識解決問題。能夠較好地對復雜工程實踐問題進行預測、分析與模擬，并能夠運用計算機基礎知識解決問題?；灸軌驅碗s工程實踐問題進行預測、分析與模擬，并能夠運用計算機基礎知識解決問題?；?/p>