無機材料專業梯度式實踐教學體系構建

王亞麗 崔素萍 蘭明章 王為 田英良 嚴建華

[摘 要]針對北京市材料行業的特點，結合北京工業大學無機材料專業依托北京建材行業發展的特色，面向區域與行業交叉的人才需求及就業取向，以產學研結合作為提高教學質量的重要途徑，堅持“教師為主導，學生為主體，注重基礎，因材施教，以學生能力成長為核心”的教育理念，通過分析北京工業大學“卓越工程師培養計劃”的無機材料試點培養要求，不斷整合、優化實踐教學體系，創新實踐教學模式，構建并實施了“卓越工程師培養計劃”的無機材料梯度式實踐教學體系。教學體系具有鮮明的教育、教學特色，能較好地激發學生的主動性，滿足“無機材料卓越工程師”的培養目標和畢業要求。

[關鍵詞]無機材料；卓越工程師；實踐教學體系；創新人才培養

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）02-0080-03

○、引言

北京工業大學材料科學與工程學院于2011年獲批為“卓越工程師培養計劃”示范專業，無機材料專業模塊自2012級本科學生開始執行“卓越工程師”培養方案。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》提出“人才培養要深化教育教學改革，創新教育教學方法……”，《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020 年）》的舉措是“創新人才培養模式，建立學校教育和實踐鍛煉相結合的開放式培養體系，突出培養學生的科學精神、創造性思維和創新能力”。“卓越工程師培養計劃”是符合國家教育和人才培養規劃的重大改革項目[1]，該計劃為我國實現從“中國制造”到“中國創造”的跨越提供了人才支持。[2][3]但是，在學生創新能力的培養過程中，還缺少有效的實驗課程體系來支撐培養目標，學生缺乏創新思維與創新精神的培養，傳統的灌輸式、演示型的實驗課學習方法壓制了學生的創新思維，學生缺乏科研活動創新精神，以簡單模仿單一實驗為主，很難獲得自主創新成果。

本科教育是高等教育的基礎，實驗實踐教學是本科教育特別是理、工、農、醫等學科教育的重要組成部分[4]，其在培養具有知識、能力、技能等綜合素質的創新型人才方面有著理論教學不可替代的作用。[5]實驗教學不僅能夠培養學生的動手操作能力，提高學生運用所學理論知識分析和解決實際問題的能力，而且能夠培養學生的創新意識、創新思維、創新精神。[6]一門專業實驗課的學時通常較少，1個學分只有24個學時，在有限的學時里，教師很難引導學生完成一些創新性實驗的探索，因此很多實驗只能開設最為基礎的驗證性實驗，缺乏設計性、綜合性實驗內容。另外，實驗手段和教學方法比較單一。實驗課程的設置沒有充分考慮學生的需求，實驗過程變成了教師的“獨角戲”，學生只是在機械地模仿和復制一遍實驗而已。

針對以上問題，結合我校“卓越工程師培養計劃”的無機材料試點培養要求，我們不斷整合、優化實踐教學體系，創新實踐教學模式，構建并實施了“卓越工程師培養計劃”的無機材料工程型人才的梯度式實踐教學體系。經過5年的探索沉淀，我們形成了以實踐教學知材料、以設計訓練用材料、以鼓勵創新成才的“卓越工程師”培養路徑。

一、實踐教學體系的構建

無機材料方向是我校材料科學與工程專業的四大模塊之一，該專業的卓越工程師計劃是培養具有較強的工程實踐能力、具有自我獲取知識的能力、社會交往能力、組織管理能力和具有國際化視野的無機材料工程型人才。我們的目的是使學生在掌握材料科學與工程領域所需要的基礎知識的基礎上，使學生樹立材料與環境協調發展的理念，具備扎實的自然科學基礎、人文社會科學基礎和材料科學與工程專業基礎知識；掌握材料科學與工程的基本理論、研究方法和生產工藝技術，具備較強的無機材料技術開發、技術咨詢、技術服務、工程設計與工程實施能力；能在無機材料科技型企業（研究、設計院）、生產型企業、咨詢服務型企業等，從事新產品研究、技術開發、工藝設計、技術改造、工程應用等方面的工作。

我們針對北京市材料行業的特點，面向區域與行業交叉的人才需求及就業取向，以產學研結合作為提高教學質量的重要途徑，以學生能力成長為核心教育理念修訂了培養方案和教學大綱。具體為提高專業模塊課中的實踐學時，在模塊理論課無機材料工學和混凝土學中增設部分實驗課程，以演示和操作為主，培養學生的基礎實踐技能；整合原有1個學分的無機非金屬材料綜合實驗為2個學分的無機材料綜合設計，以水泥、玻璃、陶瓷材料的綜合設計和實驗為主線，以材料的性能和分析為重要技術支撐，涵蓋材料制備、性能與分析及生產全過程，為學生提供無機材料制備理論與技術工程實踐和綜合訓練，為學生畢業設計時的實驗環節打基礎；開設無機材料熱工測試技術實驗，讓學生深入了解無機材料生產過程的熱能轉換、測試手段和節能措施等知識，培養學生解決工程及科學研究問題的能力與素質。同時，我們還將暑期2周的生產實習改為4周的綜合實習，以提升學生的社會責任感、創新精神、創新意識和創新創業能力。我們依托校內無機材料與廢棄物建材資源化校內實踐教學平臺，形成了以基本技能實驗為基礎、以綜合型實驗為重點、以設計型實驗和研究型實驗為提高的梯度式、立體化的實驗教學體系。無機材料專業實驗課程體系組成見表1。

本模塊的梯度式、開放式實踐教學體系以基礎實驗為基礎，以工程訓練和科學研究相結合的實踐教學體系，規范了工程師的基本訓練和要求，著重培養學生的實驗技能，工藝操作能力、工程設計能力、科學研究能力和創新能力。同時，梯度式的實驗教學環節層次分明，可以因材施教，優才優育，這既有利于培養學生獨立從事無機材料研究和開發的基本技能和工程實驗能力，又使部分優秀學生具有一定的創新和研究能力，能為學生將來進一步深造和到企業工作打下扎實的基礎。

二、教學模式和教學內容的改革

傳統的實驗教學方法是灌輸式，學生圍著教師轉，少有學生能動介入，這種教學忽視了學生個體的特性。我們在構建無機材料卓越工程人才實踐教學體系以來，不斷優化實踐教學方式、教學方案、評價模式和考核方式，探索開放式教學模式，形成了鮮明的教育、教學特色，激發了學生學習的主動性。我們打破學生只是機械地模仿和復制實驗，實驗成績的評估依靠教師評定為主的局限，重視學生在實驗中的主體作用和他們在實驗中的思考與探索。

綜合性實驗主要是訓練學生結合典型材料生產工藝流程特點，根據材料的性能自行設計材料的組成，通過一系列工藝制備這種材料，并通過實驗手段檢測材料的性能，看材料是否達到預期的目的；同時開展面向工藝過程的材料環境負荷辨識分析，使學生認識到材料四要素中“合成與加工”的內容與成分結構、性質與使用性質各要素間的關系，明確合成加工過程將改變材料的組織、成分與結構，進而影響到材料的使用性能這一思路和方法。在這一過程之中，學生們的團隊協作意識和自學能力都得到了很好的鍛煉。

我們根據“卓越工程師培養計劃”的培養目標和工程教育理論，不斷優化實踐教學方式、教學方案，引導學生設計和創新，在實踐中加深學生對理論課程的理解，提高學生的思維能力、動手能力、設計能力、團隊合作能力，實現了讓學生從理論水平的提高到工程能力提高的轉變，取得了較好的效果。實驗教學改革亮點如下。

1.實驗內容改變。由固定小實驗驗證改為學生自行設計一種無機材料，完成包括原料的選擇-配方計算-工藝設計-制備-性能測試-結構分析-環境影響分析等全過程的訓練。

2.教學模式改變。不固定上課時間，學生自行安排，學期末提交作品和實驗報告，教師從旁指導。

3.學生參與過程改變。[7]學生根據自己的興趣，自行組成實驗小組，和教師共同商定題目，通過文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取與所選實驗內容相關的資料，組內人員互相交流探討，形成材料的設計方案并和指導教師進行討論，方案設計不合理不能開展實驗。學生實驗前自行熟悉儀器設備和實驗方法，同組同學之間分工合作共同完成實驗；實驗完成后要撰寫實驗報告，每組學生都要制作PPT進行學習交流。整個過程能將學生所學的基礎知識和專業基礎知識聯系起來，讓學生完成從實驗設計、試樣制備和結果評價等綜合過程，這在增強學生動手能力的同時，還可以讓學生學會理論分析，充分提高學生的主觀能動性。

4.評價方法改革。原來單一的評價方式是指導教師根據實驗報告評分。通過改革，我們建立以學生為本的多層次、綜合性評價辦法，改變單一的以實驗操作或實驗報告為主的評價方式。這樣評價方式逐漸弱化了實驗報告在評價中的比重，通過實驗考評方法的變革來體現對學生的評價，避免了評價的片面性。

5.科研成果與教學培養結合，將生態建材的廢棄物資源化方面的科研成果引入教學實驗中，設計并開設了開放式、研究型綜合實驗，為學生掌握前沿技術、學習最新的專業技術與方法、提高實踐能力和綜合素質奠定了基礎。

6.建立“特色”實習。無機材料專業的大三學生分別到中國建筑材料科學研究總院、北京建筑材料科學研究總院、北京建都設計研究院有限責任公司等單位，在不同崗位完成4周的工作實習。實習指導由校內導師和實習單位導師共同完成，每個學生單獨配備一名指導教師，學生融入科研團隊，深入工廠一線，結合在校期間的理論基礎解決實際工程應用問題。這樣的實習可以培養學生在工程中運用數學、自然科學、工程基礎和專業知識的意識，提高學生運用所學工程原理分析解決復雜工程問題的能力；培養學生在團隊中發揮不同角色作用的能力，培養終生學習意識和自我獲取知識的能力；讓學生了解行業標準、法律法規、工程倫理，正確認識工程實施對環境和社會可持續發展的影響；培養學生的社會責任和在工程實踐中自覺遵守職業道德的意識。

在建立“卓越工程師培養計劃”的無機材料工程型人才的梯度式實踐教學體系前提下，我們不斷改革和創新實驗教學模式，完善和優化實驗課程教學內容，建立了科學合理的教學評價體系，具有鮮明的教育、教學特色，激發了學生學習的主動性。

三、人才培養的效果顯著

基于“卓越工程師培養計劃”的無機材料工程型人才的梯度式實踐教學體系取得了顯著的效果。導師制的建立，使學生能一入學就開始進入專業實驗室，直接參與包括國家級科研項目的科研工作。我們組織本科生參加國內學術交流活動，聆聽校外優秀專家的講座，讓學生樹立專業意識；學生連續多年參加“全國混凝土大賽”、“無機非金屬材料知識競賽”等競賽活動。除了基本技能實驗和綜合型實驗培養外，我們還鼓勵本科生申請參與學校組織的“大學生創新性實驗計劃項目”和“星火基金”項目。實踐表明，這種梯度式的實踐教學，不僅調動了本學科本科生的學習熱情，也提高了其分析問題和解決問題的綜合能力。學生通過這些科研實踐活動，取得部分成果，并發表了學術論文。這種方式培養的大批畢業生已成為我國重點行業和北京地區發展生態建筑材料的骨干力量，對北京新材料產業的貢獻突出，用人單位反映很好。

四、結論

我校無機材料專業以材料設計-工藝-制備-性能-結構-環境多元素為支撐，以涵蓋無機材料制備、性能與分析及生產全過程培訓的特色實驗，構建了 “卓越工程師培養計劃”的無機材料工程型人才的梯度式實踐教學體系。完善的無機材料與廢棄物建材資源化校內實踐教學平臺，形成了以基礎實驗為基礎、以綜合型實驗為重點、以設計型實驗和研究型實驗為提高的多梯度實驗教學體系，在此基礎上我們優化了實踐教學方式、教學方案、評價模式和考核方式。這種開放式、梯度式的實驗教學環節，層次分明，能因材施教，既有利于培養學生獨立從事無機非金屬材料研究和開發的基本技能和工程實驗能力，又使部分優秀學生具有一定的創新和研究能力，為將來學生進一步深造和到企業工作打下了扎實的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見[Z].教高[2011]1號文.

[2] 龔智強，陳海波，邢剛.基于“卓越工程師”培養計劃的《機械原理》課程教學模式改革探討[J].巢湖學院學報，2015（6）：136-139.

[3] [美]克勞雷著，顧佩華，沈民奮，陸小華譯.重新認識工程教育——國際CDIO培養模式與方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4] 黃凱.優化實驗教學體系建設，促進創新型人才培養[J].實驗室研究與探索，2008（9）：79-81，98.

[5] 李春偉，王桂英.創新型人才培養視角下的包裝工程專業實驗教學改革[J].中國科技信息，2013（2）：145.

[6] 楊吉民.物理化學實驗在成人教育中的教學改革與創新探索[J].中國成人教育，2012（2）：141-142.

[7] 王亞麗，崔素萍，陳晶，田英良，嚴建華.無機材料實驗教學創新性改革與實踐[J].教育研究與實驗，2013（3）：33-35.

[責任編輯：陳 明]