談金屬材料開放與創新實驗平臺的建設

李慧　彭秋明　王少飛　劉建華　楊猛

摘要：培養創新型人才是實驗教學改革的重點，實驗室是培養學生具有創新能力的最基礎的教學環境。通過建立金屬材料開放與創新實驗平臺，開展各種科技創新活動、項目式教學、專業技能比賽、學科競賽、專業知識講座和開設實驗通識選修課，建立創新實驗教師隊伍，構建材料學院金屬材料工程創新基地，進一步完善工程型人才教學培養模式。金屬材料開放與創新實驗平臺的建立激發了學生的學習興趣，提高了學生的動手能力，提高了教師的業務水平和素養，提高了儀器設備的使用率，學生取得了喜人的成績，從而全面提高了學生的理論應用能力和工程實踐創新能力，培養出了金屬材料工程專業創新能力強、實踐能力強的工程型創新人才，實現了人才培養戰略。

關鍵詞：金屬材料;開放平臺;創新實驗;人才培養

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2020.11.042

中圖分類號：G420.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1671—1580（2020）11—0182—05

實驗教學是隨著時代進步而逐步發展和完善的，但目前還存在一些問題和不足，例如實驗教學體系還不夠完善，實驗教學環節、教學方法存在不當等問題，它將制約大學生創新創業能力的培養，因此，對其進行改革十分必要。培養創新型人才是實驗教學改革的重點，實驗教學要引導學生主動思考問題，激發創造精神，開發創造潛力。實驗室是培養學生具有創新能力的最基礎的教學環境。

2013年6月，我國成為《華盛頓協議》簽約成員。成果導向教育理念引導工程教育改革，這標志著具有國際實質等效的工程教育專業認證的帷幕在我國拉開。工程教育專業認證遵循三個基本理念：成果導向、以學生為中心、持續改進。這些理念對引導和促進專業建設與教學改革、保障和提高工程教育人才培養質量至關重要。

一、平臺建設的必要性

（一）建設背景

教育部先后出臺了多個指導性文件，強調實踐育人環節。文件指出，要切實改變重理論輕實踐、重知識傳授輕能力培養的觀念，注重學思結合，注重知行統一，注重因材施教，以強化實踐教學有關要求為重點，以創新實踐育人方法途徑為基礎，以加強實踐育人基地建設為依托，以加大實踐育人經費投入為保障，積極調動整合社會各方面資源，形成實踐育人合力，著力構建長效機制，努力推動高校實踐育人工作取得新成效、開創新局面。[1]

實踐教學是學校教學工作的重要組成部分，是深化課堂教學的重要環節，是學生獲取、掌握知識的重要途徑。增加實踐教學比重，確保各類專業實踐教學必要的學分（學時）。實踐育人基地是開展實踐育人工作的重要載體。要加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設。[2]

注重學思結合。倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習。激發學生的好奇心，培養學生的興趣愛好，營造獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境。適應經濟社會發展和科技進步的要求。[3]

多數傳統的實驗教學，往往是實驗課跟隨理論課程走的模式，實驗教學根據理論教學的進度安排。實驗目的、方法、內容、步驟等都由教師事先制定，學生在實驗教師規定的框架中沿著既定的方法完成實驗課任務。這種被動實驗，所有學生的實驗結果基本是一樣的。割裂了各個實驗項目間的系統性、整體性和關聯性，導致學生的實驗知識面狹窄，對參與實驗興趣不高，不主動去思考，實驗結果相近，實驗報告雷同。這不利于培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，影響提升學生的創新思維和實踐動手能力。[4-5]

金屬材料工程專業是實踐性較強的專業，要求學生具備深厚的專業理論基礎、較強的專業技能和解決問題的能力。為了適應社會發展的需要，高等院校就要培養出理論知識扎實、實踐創新能力強的復合型人才。燕山大學材料學院金屬材料工程專業正在準備專業認證，成果導向教育（OBE）教學模式也正在逐步深入開展。OBE要求學生通過具有挑戰性的任務，如提出項目建議、完成項目策劃、開展案例研究和進行口頭報告等來展示他們的能力。這樣的任務，能讓學生展示思考、質疑、研究、決定和呈現的能力。針對金屬材料工程專業學生畢業能力的要求，結合理論教學和實踐教學提出建設金屬材料開放與創新實驗平臺。

（二）條件優勢

材料學院金屬專業實驗室實驗用房面積1392m2，儀器設備數量774臺套，儀器設備原值6751萬元，有“國家級材料綜合實驗教學示范中心”和“亞穩材料制備技術與科學”國家重點實驗室的科研條件做支撐。此外還有“金屬產品工藝和性能優化控制”河北省重點實驗室，河北省“材料類”應用型人才培養模式創新實驗區和“冶金工程材料”河北省本科教育創新高地，還有燕山大學國家大學科技園、材料學國家重點學科、材料科學與工程一級學科博士學位授予點和材料科學與工程博士后科研流動站作為依托。此外還有“材料現代分析測試方法”“工程材料”和“材料科學基礎”三門河北省級精品課程。本科生的“電子顯微分析”課程推薦為國家級線下一流課程。

材料學院金屬材料工程專業是國家級第三批高等學校特色專業，1958年從哈爾濱工業大學遷入，目前已有62年專業歷史，已經為重型機械行業、冶金行業、汽車行業、石油行業等以及河北省輸送了大量的高水平技術人才。金屬材料工程專業有一支業務能力過硬、認真嚴謹、年輕化、專業化的實驗教學團隊。在學生培養模式、實驗教學改革、師資隊伍建設等方面進行了改革，以培養學生創新意識、創新能力和實踐能力為主線。隨著教學改革不斷深入，實驗室已經在開展一些二級項目、三級項目課程的教學改革嘗試，開設了一些開放式創新性實驗，受到了學生的普遍歡迎，取得了初步的學習效果。[6-7]上述良好的學術環境和科研實踐條件為建立金屬材料開放與創新實驗平臺奠定了堅實的基礎。

二、平臺建設的具體內容

（一）平臺簡介

本平臺的建立旨在全面提高學生的專業知識綜合運用能力、交流表達能力、動手能力、協調合作能力、獨立解決問題能力、學習能力和創新能力。這些能力的培養是工程專業教育的中心環節，比單純地學習知識更為重要。

金屬材料開放與創新實驗平臺是建立在國家級材料綜合實驗教學示范中心基礎上的。該平臺給學生提供實驗場地、實驗設備和實驗材料，開設一些綜合實驗項目，開放創新實驗項目，開展一些科技創新活動、專業技能比賽、學科競賽、專業知識講座等。開放創新實驗定位于綜合訓練層次，與科研、生產和社會實踐相結合，具有創新性和探索性。實驗項目難度高于本科生課程設置的實驗項目，培養學生綜合分析與解決問題的能力。運用開放與創新實驗平臺，給學生創造一個更好的實驗環境和科研平臺，也更有利于學生順利完成畢業論文階段的實驗研究工作，使實驗課教學、課外科技創新活動、畢業設計三位一體，相互促進，共同發展。

（二）培育方法

1.開展科技創新活動

《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》[2]指出，要創新教育教學方法，促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容，重點實驗室、研究基地等向學生開放。支持本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊。

我們的大學生創新訓練計劃項目，每年立項一次，面向大二和大三年級的學生。學生以小組的形式立項，先設計實驗方案，經審核利用課余時間進入實驗室進行實驗。開放與創新實驗平臺，實現時間上開放、空間上開放和實驗內容的開放，利用學生已經掌握的專業理論知識，對感興趣的專業問題進行研究，最后撰寫課題結題報告。

科技創新活動有利于實現因材施教，解除了課堂上學時的制約，有利于學生非智力方面的素質培養。通過參加科研創新活動，形成了崇尚學習、思考、創新的氣氛。[8]學生通過親身實踐，對科研和生產的各環節有所了解，加深了對創新的理解，增強了探索知識的動力和信心，創新能力得到了明顯提高，也鍛煉了學生的組織協調能力，培養了學生百折不撓的意志和嚴謹踏實、實事求是的作風。2016-2017年，材料學院大學生創新訓練計劃項目立項共85項，如表1所示。

2.開設項目式實驗教學

《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》[1]強調要深化實踐教學方法改革。實踐教學方法改革是推動實踐教學改革和人才培養模式改革的關鍵。各高校要把加強實踐教學方法改革作為專業建設的重要內容，重點推行基于問題、基于項目、基于案例的教學方法和學習方法，加強綜合性實踐科目設計和應用。要加強大學生創新創業教育，支持學生開展研究性學習、創新性實驗、創業計劃和創業模擬活動。

以“材料專業綜合實驗”和“材料物理科學基礎I”課程中的“熱處理開放實驗項目”教學為例。首先，學生自愿3-5人組成一組，自愿選取1個題目;第二，根據題目要求，學生查閱資料，制定出實驗方案;第三，確定具體的熱處理工藝參數，由教師審核并指導優化方案之后，完成熱處理操作;第四，測試熱處理后試樣的力學性能，觀察金相組織，拍攝金相組織照片;第五，結合熱處理工藝參數、硬度值和金相組織，分析討論材料的成分、工藝、組織和性能的之間的關系;第六，整理實驗數據，撰寫小論文形式的實驗報告。總結實驗結果與理論結論之間的差異，詳細分析產生誤差的原因，總結怎樣才能減少實驗誤差;第七，學生答辯，教師進一步深入指導。

通過實驗設計，優化前期的實驗構思，提高學生獨立思考、獨立設計分析、尋求有效解決方法的能力，將理論知識和實踐相結合，提高動手能力，從而培養學生綜合分析能力、動手能力、解決問題的能力和創新能力。

3.開展專業技能比賽和學科競賽

從2012年開始利用平臺每年舉辦“材料杯”專業基本技能競賽，主賽年級中70%的學生參加了比賽，呈現了學生參與覆蓋面寬、競賽水平高的特點。競賽有助于激發學生探索材料科學的主動性與積極性，促進學生形成主動實踐、勇于創新的優良學風。比賽面向材料類本科生舉辦涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、材料物理和高分子材料四個學科專業的訓練和競賽。具體包括：焊接、金相、巖相和高分子材料合成四個專項技能大賽。其中金相技能大賽還會評選出優秀學生參加國家級比賽。專業基本訓練競賽是積極探索一流本科教育的實踐路徑之一，旨在平衡專業基礎知識、基本技能、實踐能力之間的關系，是本科生早期參與科學研究和培養創新人才的重要途徑。

4.開設專業知識講座

平臺每年都根據專業需要和不同年級的特點，開展專業知識講座，如金相樣品制備知識講座、熱處理的發展及應用講座、金相顯微技術的發展及應用講座、掃描電子顯微鏡知識講座、透射電子顯微鏡知識講座以及透射電鏡樣品制備方法講座等等。學生通過聽講座，可以拓寬知識面，掌握更多的專業知識，為社會培養優秀的工程技術人才。

5.開設實驗通識選修課

通識教育已在高等教育中廣泛開展。耶魯大學校長理查·萊文先生在《大學的工作》中提到：“本科教育的核心是通識教育，是培養學生批判性獨立思考的能力，并為終身學習打下基礎。”通識教育的重點在于拓寬知識面，發散學生思維，跳出固有思維模式，提高判斷力、創新能力、分析和解決問題的能力。[9]

我們利用平臺的教學資源開設了一門實驗類校級通識選修課“神秘的金屬微觀世界”。該實驗課程選取生活中常用的金屬材料，從制備金相樣品開始，利用金相顯微鏡，觀察金屬材料微觀組織，拍攝金相照片，分析顯微組織。再結合電子顯微鏡照片，掌握金屬材料微觀組織和性能的關系，熟悉各種金屬材料的特性與應用范圍，了解金屬材料的新知識和新應用。通識教育的意義在于，學生通過基本能力訓練，提高全面素質，獲得一個合理的能力結構。遨游、領略和感知其他學科的領域空間、思維方法、研究手段和基本知識，啟發心智和萌生靈感。這門通識選修課程按照OBE教學理念，以能力為導向，開闊學生的學術視野，培養科學素養，拓寬知識面，達到不同學科不同專業之間知識的相互融合。

6.構建創新實驗教師隊伍

《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》[1]指出，要著力加強實踐育人隊伍建設。所有高校教師都負有實踐育人的重要責任。各高校要制定完善教師實踐育人的規定和政策，加大教師培訓力度，不斷提高教師實踐育人水平。要配齊配強實驗室人員，提升實驗教學水平，統籌安排教師指導和參加學生社會實踐活動。

在創新實驗教學體系中，教師的教育教學起主導作用，具有創新實驗教學能力的實驗教師才能在傳授知識與技能的同時培養學生的創新意識和創新能力。實驗教師首先要提高自身綜合素質，既要具備扎實的專業理論知識，又要有豐富的實踐經驗，還要掌握材料科學的發展方向，更多地從事科研服務工作和工程實踐活動。[10]

提高實驗教師素質有以下幾個途徑：提高學歷;積極參加科研工作;老舊設備改造;不斷學習新知識;參加業務培訓;以老帶新。目前我們實驗室構建了一支年齡結構和學歷結構合理、整體素質較高的實驗教學師資隊伍，如表2所示。每一位實驗教師都結合崗位特點參與科研工作，積極參加學校舉辦的教學基本功比賽，去兄弟學校交流學習，也參加學校內部的實驗教學觀摩活動，老教師對青年教師做好傳、幫、帶。

三、平臺建設成效

（一）激發了學生學習興趣

通過設置開放創新實驗項目，改變了學生在學習過程中的被動式學習形式，把過去的“要我做”，變成“我要做”，培養學生自主學習能力，提升其分析問題、解決問題的能力。

學生挑選自己感興趣的項目，開展實驗研究;學院組織學生開展多種專業技能競賽活動。促使學生帶著問題去汲取專業知識，激發學生學習專業課的興趣，提高專業基本技能，為后續的科研工作打下良好基礎。

（二）提高了學生動手能力

本平臺通過系統設計增加的學生實踐環節，實現了以學生為主體，充分發揮了學生的想象空間，培養了學生的獨立思考能力、動手能力、實踐創新能力和分析問題解決問題的能力，使學生具備材料的設計生產、檢測使用、失效分析能力和表達交流能力，提高自主學習為主導的學習能力，改變了傳統的實驗課授課形式，發揮學生主觀能動性。通過開放創新實驗，使學生會學習、會應用、會創新，從而具備理論應用能力和工程實踐創新能力。

（三）提高了教師業務水平和素養

教師是學生創新實踐的引路人，在指導學生的過程中，教師不斷學習新知識，了解學科發展動向，積累經驗。教師之間交流、觀摩，取長補短。教師不斷改進教學方法，運用歸納法，以探索式、啟發式、研討式為主，激發學生的創新欲望，提高學生的創造性和主觀能動性。實驗教師根據創新實驗需要，升級改造儀器設備，開發儀器設備的新功能。開設創新實驗培養了教師團結協作、吃苦耐勞、不計名利、樂于奉獻的品德，業務水平和素質都有提高。[11-13]

（四）提高了儀器設備使用率

實驗室實行全天開放制度，儀器設備在保障實驗教學需要的前提下，面向學生開放，實行開放式運行管理。學生通過儀器設備操作培訓合格后，按自己的具體情況，自主選擇實驗時間和內容。學生可進行補充性實驗，也可自帶感興趣的實驗題目，方案經指導教師同意后進入實驗室完成。儀器設備在晚間、周六和周日95%以上都處于工作狀態，學生通宵做實驗也屢見不鮮，充分利用了實驗室的優質儀器設備資源，讓學生開闊了眼界，提高了動手能力。

（五）學生取得的成績

近些年利用開放創新平臺，為學生開展形式多樣的科技創新活動，有的大學生創新訓練計劃項目被評選為河北省級大創項目和國家級大創項目。其中，于淼、韋振等同學的《低碳貝氏體鋼的超細化研究》，榮獲2019年第四屆河北大學生創新創業年會學術論文類特等獎。同時也指導和培訓學生參加全國性各類學科競賽，2017-2019年，獲得全國比賽特等獎1次，一等獎7次，二等獎8項，三等獎2項。2017-2019年畢業生考研錄取率和就業率如表3所示，從中可以看出，材料科學與工程學院畢業生考研錄取率和就業率連續三年分別穩定在50%和94.57%以上，名列全校各專業首位。考取碩士研究生的學校多為211和985高校。有一些同學免試推薦到清華大學、浙江大學、天津大學、北京航空航天大學以及中科院金屬研究所等全國知名高校和科研院所。從反饋信息得知，畢業生在繼續深造的學校和工作崗位上都得到認可和好評。

四、結語

通過建立金屬材料開放與創新實驗平臺，開展科技創新活動，開設項目式實驗教學，開展專業技能比賽、學科競賽，開設專業知識講座，開設實驗通識選修課等，可以激發學生學習興趣，提高動手能力，逐步構建金屬材料工程創新基地，提高教師業務水平和素養，提高儀器設備使用率，進一步完善工程型人才教育與教學培養模式，全面提高學生的理論應用能力和工程實踐創新能力，培養出金屬材料工程專業創新能力強、實踐能力強的工程型創新人才。

[參考文獻]

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[3]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年） [EB/OL].（2010-07-29）[2020-04-10]. http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/info_list/201407/xxgk_171904.html.

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[13]李慧，張靜武，傅萬堂，等.新形勢下高校實驗室發展的幾點思考[J].中國現代教育裝備，2010（07）.

[責任編輯：劉愛華]

Discussion on the Construction of Experimental Platform for Opening and Innovation of Metal Materials

LI Hui，PENG Qiuming，WANG Shaofei，LIU Jianhua，YANG Meng

（College of Materials Science and Engineering，Yanshan University/Material Comprehensive Experimental Teaching Demonstration Center/ State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Abstract： Cultivating innovative talents is the focus of experimental teaching reform， and laboratory is the most basic teaching environment for cultivating students innovative ability. Through the establishment of metal materials open and innovative experimental platform， carrying out various scientific and technological innovation activities， project teaching， professional skills competition， subject competition， professional knowledge lectures and the opening of experimental general elective courses， set up a team of innovative experimental teachers， build the material engineering innovation base of materials college， and further improve the teaching and training mode of engineering talents. The establishment of open and innovative experimental platform for metal materials has stimulated students interest in learning， improved students practical ability， improved teachers professional level and accomplishment， improved the utilization rate of instruments and equipment， and the students have achieved gratifying results. So as to improve the students theoretical application ability and engineering practice innovation ability， cultivate the engineering innovation talents with strong innovation ability and practical ability of metal material engineering specialty， and realize the talent training strategy.

Key words：metal materials;open platform;innovative experiment;talent training

收稿日期：2020—05—15

基金項目：國家自然科學基金項目（51771162）;河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2018GJJG082）。

作者簡介：李 ? ?慧（1962—），女，遼寧蓋州人，燕山大學材料科學與工程學院/國家級材料綜合實驗教學示范中心/亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，正高級實驗師，碩士。研究方向：金屬材料顯微分析和實驗教學工作。

通訊作者：彭秋明（1979—），男，湖南雙峰人，燕山大學材料科學與工程學院/亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，教授，博士生導師，博士。研究方向：金屬材料。

王少飛（1987—），男，河北承德人，燕山大學材料科學與工程學院，助理研究員，碩士。研究方向：高等教育教學管理工作。

劉建華（1963—），男，吉林省吉林市人，燕山大學材料科學與工程學院/國家級材料綜合實驗教學示范中心/亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，高級實驗師。研究方向：實驗教學工作。

楊 ? ?猛（1986—），男，山西長治人，燕山大學材料科學與工程學院/國家級材料綜合實驗教學示范中心/亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，實驗師，博士在讀。研究方向：實驗教學工作。