“新工科”背景下材料專業實踐教學體系探索

委福祥, 王延慶, 劉洪濤, 吉 喆

(中國礦業大學 材料科學與工程學院,江蘇 徐州 221116)

0 引 言

當前，全球范圍內正經歷新一輪科技和產業革命,綜合國力競爭愈加激烈。為適應當前的科學和技術革命,我國實施了“創新驅動發展”“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等一系列重大戰略計劃，新型行業和產業不斷涌現并得以蓬勃發展。經濟和產業形勢的變化，對工程和科技人才提出了新的和更高的要求。要求科技和工程技術人員具備寬廣的基礎知識、更高的創新能力、具備綜合實踐和解決復雜工程問題的能力。經濟和產業格局的變化，給高校的人才培養和教育提出了新的要求。2017年初，在復旦大學召開了我國高等工程教育戰略研討會，相關專家學者就新時期如何培養適應時代發展要求的工程技術人才展開了熱烈的討論，并達成了相關共識，“新工科”建設真正提上了歷史的日程。

隨著經濟和社會發展，世界各國在科技和工業領域的競爭日趨激烈，社會普遍需要創新意識強，實踐能力卓越的復合型工程人才。而實踐環節的教學正是培養學生創新精神和工程實踐能力的主要渠道?！靶鹿た啤弊鳛橐环N嶄新的教育理念，它的出現賦予了實踐環節新的歷史使命。傳統的實踐環節教學模式已經不能適應當前工程教育發展的要求[1]?？梢?，為適應“新工科”發展的要求，必須對工程類專業的實踐環節進行系統的改革和完善[2]。

1 “新工科”對材料專業實踐教學改革的意義

明確“新工科”對材料類專業學生知識和能力的基本要求，將“新工科”理念融入實踐教學改革，發揮實踐環節教學的主導作用，培養出符合時代要求的材料工程技術人才[3]。

1.1 材料專業實踐環節教學的基本要求

“新工科”是為響應當前的產業和技術革命，提出的一種全新的教育理念，對工程教育的理念、要求及建設途徑等都做了新的詮釋。由此可見，當今的材料類專業人才不但要有扎實的基礎知識，更重要的是要具備工程實踐能力。材料類專業的實踐環節必須依據“新工科”發展的規律，構建“戰略型、創新性、系統化、開放式”的實踐教學體系。新理念、新要求以及新途徑是“新工科”的建設內涵，也是材料類專業實踐環節改革和建設的指導方針[4]。

1.2 材料專業實踐教學現狀及存在的問題

國內高校的材料類專業大都起源于原來的金屬材料及成形專業，受傳統因素和實際條件的限制，實踐環節的教學也很大程度上局限于原來的金屬材料和加工成形方向。目前，伴隨著產業和技術發展，一些新型學科方向，如新能源、光電等行業的發展突飛猛進，對進入該行業的人才也提出了更高的要求。許多高校為適應科技和產業發展的需要，對材料類專業進行了改制和調整，瞄準現代科技與產業發展的熱點，增設了新能源和光電材料等新型方向，但絕大部分高校材料專業實踐環節的設置，如內容設計、教學方法等還基本沿用傳統的方式，不能適應“新工科”發展的要求[5-6]。

(1) 實踐環節內容設計不科學，缺乏工程背景。受傳統觀念的影響，在制訂材料類專業培養方案的過程中，實踐環節教學的重要性沒有得到足夠的重視，普遍存在“重知識傳授、輕能力培養”的現象。大部分實踐環節的安排只是為理論教學服務，沒有把實踐環節的教學放到應有的位置，這和“新工科”凸現工程實踐能力培養的要求相去甚遠。實踐環節教學內容單一，缺乏系統性、創新性的實踐內容。如很多學校在實驗課內容設置上大部分是和理論課程知識點對應的驗證性實驗，這些實驗內容只是幫助同學們理解一些重要的知識點，不能有效培養同學的創新意識和工程實踐能力[7]。實踐環節內容安排上缺乏必要的工程和應用背景，不利于培養同學們的工程實踐能力，實踐內容落后于科技和技術發展，沒有和材料學科發展與應用熱點聯系起來[8]。

(2) 教學方法落后，不符合“新工科”發展要求。實驗課程的教學大都采用“灌輸式”的教學模式，通常采用教師講解和示范后，學生模仿或重復的方式進行，缺乏學生自行設計，分析問題和解決問題的訓練環節。虛擬現實技術、網絡技術、模擬和仿真等先進技術手段沒能在實踐環節的教學中得到足夠的重視和推廣使用。在實習教學上，以“走馬觀花”式的參觀為主，學生并沒有真正了解產品的生產工藝流程、特點及設備等基本的要素。在創新型實踐環節，一般老師都會提供現成的方案，大部分同學只是充當實驗操作人員的角色。傳統的教學方式不利于培養學生的創新和實踐能力，也不利于工程意識和素養的形成[9]。

(3) 實踐教學支撐體系建設不完善。完善的校外實踐教學基地的建設和科學的管理體制，是保證學生直接接觸工程實際，培養和提升創新意識和工程實踐能力的必要條件。但目前，很多企業考慮到安全等因素，不愿意接納學生到現場開展實踐學習，實踐基地的建設好多只是依靠教師的私人關系來維系。導致高校與實踐教學基地的合作不穩定，合作層次低，學生實踐教學模式單一，不利于學生接觸真實的工程環境，提升工程實踐和創新能力[10]。另外，高校校外實踐教學基地建設面臨管理體制不健全和難于管理的難題，所以容易造成個別教師避重就輕、壓縮實習時間、降低實習難度的現象發生。

材料類專業校內實踐教學各個環節基本上都是依托于課程教學進行設置的。相應地，原來的校內實踐環節的教學建設和改革大都是為課程教學服務的，而綜合性、創新性的實踐環節教學則面臨設備短缺、原始素材缺乏、管理和評價機制不健全等一系列的問題。

2 “新工科”背景下材料專業創新型實踐教學體系探索

2.1 基于“新工科”的創新型實踐教學體系構建

“新工科”的建設賦予教育機構新的歷史使命。為此，高等工程教育機構要積極行動起來，開展全方位的教育教學改革和探索，以適應“新工科”發展的需要[11]。而實踐環節在材料類專業培養體系中占有舉足輕重的位置，為響應“新工科”建設和發展的要求，必須依據材料學科的專業特色，構建“戰略型、創新性、系統化、開放式”的實踐環節教學體系。

我校材料科學與工程學院根據材料類學科的特點，通過長期的教學實踐和探索，同時在借鑒兄弟院校經驗的基礎上，構建了如圖1所示的“全方位，立體式”的實踐教學體系。

我校材料科學與工程學院始終把實踐教學放在教學工作的突出位置，材料類專業依據“新工科”發展的需要，構建了完善的實踐教學體系,該體系共有4個模塊構成:①學科基礎實踐體系模塊，主要包括物理與化學、數學與計算機、電工與電子技術、工程圖學等方面的實驗與實訓環節的教學。該模塊的設置旨在培養學生扎實的基礎技能，為后續的學習打下堅實的基礎；②學科專業實踐體系模塊，主要包括機械與模具設計、材料科學基礎、材料加工成形等方面的實驗、設計與實訓環節的教學。該模塊的內容設計時著重考慮其工程背景，強調學生工程意識和素養的塑造和養成，旨在培養學生堅實的專業實踐能力；③實訓實踐體系模塊，主要由校內實訓和校企聯合實訓環節構成。該模塊可提供真實的工程實踐環境，使學生得到真實的工程體驗，培養學生的創新意識和實踐能力；④創新創業實踐教學體系模塊，主要包括創新實踐班、創新實驗及訓練、大學生創業示范與訓練等實踐環節構成，該模塊旨在培養學生具備優異的創新創業素養。通過構建“多層次，全方位”的實踐教學體系，拓寬學生的知識面，培養學生對跨學科知識的自主學習能力，提高學生的創新意識和工程實踐能力。

圖1 基于“新工科”的材料專業實踐教學體系

2.2 確立實踐教學標準

目前，我國的高等工程教學尚處于“大而不強”的狀態，為扭轉這種局面，實現我國工程教育由“大國”向“強國”的轉變，首要的，必須積極開展相關學科工程教學質量標準的探索和研究，建立科學合理的人才培養和教育質量評價體系。在確定材料類專業實踐環節教學標準時，要關注相關領域內前沿科技進展。如和材料直接相關的新能源技術、石墨烯技術、材料基因工程等；再如商用太陽能飛機、智能制造、航空航天技術，工業4.0戰略等。這些行業的發展都是以新型和高性能材料的出現和應用作為前提的。在制訂材料專業實踐環節培養質量標準時，一定要和這些前沿科學和技術結合起來。要進一步完善具有中國特色、與國際前沿同步發展的材料類專業實踐環節教育培養標準[12]。

2.3 設計實踐教學內容

在實踐教學中，需加強實踐與工程實際的聯系，在實踐教學過程中要引入典型的與教學內容相關的工程實例。在實踐環節的教學中，要以“新工科”的要求為契機，緊密結合工程實際，培養符合時代要求的新型工程技術人才。在實踐環節的教學中，也不能忽視科學素養的培養。要積極引導學生運用所學的基礎理論知識分析和解決實際工程問題。學生通過實踐對課堂所學的理論基礎知識進行驗證，加強了對理論基礎和專業知識的理解與消化。在實踐教學過程中需要學生自查資料、自行設計，鍛煉學生獨立探索的能力。以具體工程項目為原型對實踐教學內容進行總體設計，克服傳統實驗教學內容在學生做完一項課程實踐后無法體會實踐與工程實際之間的聯系，以及會做教學實踐而不會做實際工程項目的弊端。通過優化實踐環節的內容，強化學生的工程意識，培養學生的工程素質[13]。如我校材料科學與工程專業，為適應“新工科”發展的要求，在新的培養方案修訂時，進一步強化了實踐環節的教學，按照5個專業方向制定實踐環節的要求，每個方向都對應相應的專業實踐環節。專業實踐環節對應有相應的實驗課程和課程設計。專業實踐環節內容設置時完全摒棄了原來簡單重復或驗證性質的內容，專業實踐環節的內容全部來源于工程實際，并以學科前沿、產業和技術最新發展推動教學內容更新。例如連接成形課組的“焊接課程設計”,該課程設計的專題全部來源于徐州工程機械集團有限公司、鄭州煤礦機械集團股份有限公司、卡特彼勒公司等實際生產中遇到的實際問題，通過組織企業專家論證后凝練而成的。

2.4 創新教學方法

實踐環節教學是銜接理論與實際應用的橋梁。實踐環節的教學要摒棄原來“灌輸式”的教學模式，必須根據材料學科的專業特色及學生的實際情況調整相應的教學方法。積極推進以學生為中心的教學理念。例如，材料類專業的畢業實習原來一直是按照指導老師組織集體參觀的方式進行，學生普遍反映實習效果不佳，不能很好地提升學生的綜合實踐和解決復雜工程問題的能力[14]。在新的培養方案修訂時，為了響應“新工科”的要求，要求所有的學生以2或3人為一組，按照學生的特長和興趣分配到具體的研發，設計或工藝部門，選擇現場的實際問題作為選題，并利用實習單位的條件完成整個實習課題的研修。通過改革教學方式，學生的積極性得到了大幅提升，由于同學們在真實的研發或工程環境中得到了系統的訓練，適應能力、創新意識較強，受到了用人單位的好評，其中有不少同學在實習期間表現優異，畢業后直接在實習單位就業。

3 建立健全實踐教學保障體系

材料類專業涉及的范圍較廣，實踐環節教學開展對場地、設備及管理有很高的要求，必須具備相應的軟硬件條件，才能保障實踐環節教學順利開展。

3.1 加強校內外實踐教學基地建設

首先，應建立適應“新工科”要求的校內實踐教學平臺，主要包括基礎實驗教學中心、專業實驗室、創新訓練中心、工程訓練中心等。另外，根據材料學科的特點，應構建材料設計及虛擬仿真教學平臺。例如，我校材料學科按照新修訂的培養方案，組建了完善的專業教學實驗室和創新實踐實驗室，并搭建了專門的材料成形模擬與仿真實踐教學平臺。

同時，學校要積極和相關的企事業單位共建實習、實訓基地。充分發揮高校的技術優勢和企業的資源優勢，構建產學研緊密合作的機制。在開展實踐環節教學時，可聘請基地的管理人員、工程技術人員參與指導和管理，強化過程管理，使學生短期內可接觸到核心技術；另一方面高校要發揮自身的專業優勢，幫助校外實踐單位開展科技培訓、合作開發和人才培養等方面的工作，真正達到互惠共贏的目的[15]。

3.2 加強實踐教學隊伍建設

全面提高教師素質，適應新的實踐教學體系要求，鼓勵創新能力和工程實踐能力強的老師承擔實踐環節的教學和指導工作。聘請企業的專家到高校擔任實踐環節的指導老師，由于聘請的企業專家工程實踐能力強，接觸的是現場的實際產品，可以避免實踐教學脫離生產實際的弊端[16]。積極鼓勵實踐環節指導老師通過掛職、出國交流、產學研合作等方式提升自身的綜合素質。

3.3 加強實踐教學考評機制建設

考核與評價是實踐環節教學效果的重要保障措施，科學合理的考評機制能有效促進實踐教學的順利開展。通過考核，一方面能夠反映課程的教學水平及評定學生的綜合實驗能力，另一方面可以督促學生重視實驗課程的學習和實踐訓練，激發學生參與實踐環節學習的主動性和積極性。我院擬打破實驗、實踐成績仍以報告和平時成績來評定成績的考核制度，對于實驗教學擬采取獨立考核的形式，成績由理論考試、平時操作、期末隨機操作3部分組成；對于畢業設計的考核，側重點由原來的報告考核(論文、說明書和圖紙)改為過程監控、現場答辯、報告、作品等4部分綜合考核和評價；對于各類實習考核，考核方式由原來的報告考核改為實習報告、工廠評價、指導教師評價、自評和他評等5部分組成。

4 結 語

實踐教學是培養學生創新能力和解決復雜工程問題能力的最重要的環節，“新工科”給實踐環節的教學提出了更高的要求。高校應結合“新工科”的特點、宗旨，不斷探討材料類專業人才培養新模式。只有讓學生多進實驗室和企業，增強工程意識，才能使學生的工程創新能力得到有效的培養與發展，培養出符合時代需求的材料類專業工程技術人才。