基于新工科的材料加工專業研究生培養模式探索

劉玲　馬壯　朱皓麟　高麗紅　柳彥博

［摘 要］如今，智能制造、大數據、云計算等新興產業在國民經濟中發揮著越來越重要的作用。國家為此加大了新領域人才的培養力度，大力提倡發展“新工科”，培養能勝任這些新興產業的人才。然而，材料加工專業傳統的培養模式已滯后于時代變化，難以培養出新工科所需的人才。文章闡述了國內材料加工專業傳統研究生教育存在的問題，并針對性地提出了新的研究生培養模式：通過取消專業課學分考核、聘用專門的理論課講師、采用“線上+線下”教學模式、多導師協同培養、產學研結合、“模擬+實驗+共享”的研究模式，推進材料加工專業優化升級，培養滿足相關行業需求的新工科人才。

［關鍵詞］新工科；材料加工；研究生；培養模式

［中圖分類號］ G643 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0107-04

隨著新一輪工業革命的到來，人工智能、大數據、物聯網、云計算、5G通信技術等新興產業將對世界各國的未來發展起到至關重要的作用，國家對能引領這些領域的新型工科人才的需求日益增大。在這一背景下，2017年2月在復旦大學召開的高等工程教育發展戰略研討會達成“復旦共識”后，我國制定了“天大行動”“北京指南”和“成都宣言”，逐步形成了新工科的人才培養理念。

新工科主要指新興產業的工科專業，既包括大數據、智能制造、云計算、人工智能、機器人等新興工科專業，又包括對傳統工科專業的升級改造。新工科強調學科的實用性、交叉性與綜合性，強調從高校到社會、從理論到實踐、從教育到應用。而材料加工作為支撐國民經濟的傳統工科專業之一，應在新工科的大背景下及時升級轉型，滿足國家對復合型人才的需求。但國內部分工科高校對材料加工專業研究生的培養仍然用傳統的模式，長此以往，將會阻礙我國材料加工相關產業的發展。因此，如何對傳統材料加工專業培養模式進行優化升級成為一個亟待解決的問題。

一、我國材料加工專業研究生教育現存的問題

（一）教學模式單一，內容陳舊冗雜

課堂教學作為材料加工專業研究生培養的重要環節，是研究生夯實科研基礎的必由之路。然而，我國部分高校采取的教學模式過于單一，仍然采用“填鴨式”的教學模式。部分教師只顧完成學校交付的教學任務，全然不顧學生是否真正掌握相應知識、是否能夠切實運用到以后的研究中去。在講課方式上，授課教師僅僅是照本宣科地講授講義內容，與學生缺乏互動。此外，課程種類設置相對陳舊，必修課過多，選修課過少，所設課程也不一定適合每一個學生[1]。同時，許多內容不及時更新、缺乏趣味性，與領域內的國際前沿知識嚴重脫節[2]，以致學生失去學習興趣。特別是鑄造工程基礎、鍛造工程基礎、焊接工程基礎等課程的理論性較強、涵蓋范圍較廣、內容較為零散，容易讓學生失去學習興趣。而學生對課程內容失去興趣也導致授課教師逐漸失去講課熱情，最終形成學生缺乏興趣、教師缺乏熱情的惡性循環。究其原因，一方面，部分教師僅僅把課堂教學當成學校要求完成的一個硬性任務，只求不出現嚴重教學事故，并未把傳授學生必要知識放在首位；另一方面，一些學生的學習動機只是為了湊足畢業要求的學分，對自身所選課程并無興趣，上課時也不把注意力放在教師講授的內容上，這在一定程度上影響了授課教師的教學熱情。這種教學模式實則與本科教學無異，側重于灌輸而不注重輸出。這不僅導致了研究生創新能力缺乏，而且使得學生在挖掘問題主動性、思考問題全面性、分析問題邏輯性、解決問題優化性等方面都有所欠缺[3]。

（二）教師身兼數職，分身乏術

目前，部分高校教師身兼數職，需要同時處理多項任務，材料加工專業的教師也不例外。他們不僅需要完成每年的科研考核任務，發表有一定含金量的SCI論文，要申報項目、申請基金、參加各類會議，甚至還需要到一線指導產品生產。此外，還需要完成學校安排的課堂教學任務。這就使得部分教師的工作重心有所偏移，對教學草草應付了事，學生也很難學到有用的知識。

（三）學科交叉力度不夠

目前，許多高校的不同院系是獨立運作的，因而許多研究生在整個求學期間只能和有相同專業背景的人接觸，其導師往往也只是一個領域內的專家。國務院學位辦的調研結果顯示，70 %的博士生沒有參與過跨學科項目[4]，這種情況在材料加工專業也存在。盡管材料加工在大眾的認知里是以鑄造、鍛造、焊接等為基礎的實踐學科，但在新工科的大背景下，材料加工已不再是傳統的實踐學科。如今的材料加工已經與數字控制、仿真模擬乃至基于密度泛函的第一性原理計算相結合。這就要求從業人員既要掌握基本的專業知識、擁有一定的實踐經驗，又要熟悉電路信號、掌握一些國際主流的材料仿真軟件，例如ANSYS，甚至還需要懂得如何對材料自身的力學、熱學、光學等性能進行計算以提前預測所選材料適用于何種工況，為下一步實踐提供理論指導。可見，材料加工已逐步發展為一個多學科結合的專業，涵蓋了材料、電子信息、軟件編程等專業的相關知識。然而，目前部分高校仍以傳統的鑄鍛焊為框架來構建知識體系，這樣學生只能學到單一學科的知識，在未來可能難以解決實際工作中出現的復雜問題。同時，長期處于單一學科環境里，容易導致思維僵化，阻礙創新能力的提高。因此，在研究生培養上應打破學科壁壘，促進相關學科相互交流，取長補短。不同思維的相互碰撞有利于創新想法的產生，也有利于相應領域的研究人員突破科研瓶頸，取得意想不到的成果。

（四）實踐能力培養不足

就業困難是很多高校材料加工專業研究生畢業后面臨的一大難題。材料加工是一門實踐性極強的專業，如果學生在校學習期間花費較多時間掌握基本的實操技能，那在畢業時找到一份對口的工作并非難事。然而，現實卻是許多畢業生很難找到與所學專業相符的工作。這與學校重視理論教育而忽略技能培養有關。部分高校的課程設置仍以理論教學為主，實踐類課程占比較少，甚至沒有[5]。而實踐與理論的脫節導致許多研究生難以學以致用[6]。如冷沖壓模具設計基礎這門課，僅僅掌握模具設計的理論知識是不夠的，因為在實際使用過程中需綜合考慮各種因素，如進料余量、間距、形位公差等，這樣才能使設計的模具符合應用工況。若沒有實際操作過沖壓機或見過其工作過程，就很難將所學理論應用到生產中。這樣容易導致畢業生紙上談兵，一旦涉及實際運用，就不知如何著手。學生實踐能力不足，自然也就面臨就業壓力。盡管許多高校為學生安排了生產實習，讓學生進入生產第一線去了解工藝過程，但實際情況卻是一些設備齊全的大型企業僅讓實習學生參觀工廠車間，聽接待的技術員進行工藝講解，并不讓學生親自動手操作相關沖壓或鑄造設備。這就使得生產實習流于形式化，并沒有真正提升學生的實踐動手能力[7]。

（五）科研資源分配不均

在研究生教育里，最重要的一環便是進行科學研究。而科研資源則是保障研究工作順利開展的關鍵，具體包括硬件設施和軟件資源。然而，鑒于我國研究生教育尚處于起步階段，且經費有限，只能重點分配給部分高校，讓其先發展起來，從而帶動其他高校發展。在這個過程中，對于不同的高校而言，科研經費的分配又會因學科院系的重要程度不同而有所傾斜，不可避免地存在科研資源分配不均的問題。材料加工在一些高校屬于強項，分到的科研經費可能相對較多，而在并非強項的高校，情況就可能相反。這就出現一個奇怪的現象，在那些材料加工發展較好的高校，專業所需的科研設施，例如XRD、SEM、STEM等較為齊全，甚至重復購置，而專業發展相對落后的高校卻設施陳舊甚至沒有。不僅硬件設施如此，軟件資源也是類似的情況。資金充沛的高校有能力購買科研軟件的版權，例如Materials Studio、VASP等輔助材料計算的商業軟件，方便師生使用，而資金不足的高校卻無法做到。這種資源的不均衡嚴重阻礙了部分高校材料加工專業研究生的科研進展。

二、我國材料加工專業研究生培養新模式初探

（一）取締專業課學分要求

學分制是材料加工專業研究生教育的一種模式，但過高的畢業學分要求往往使學生為了學分而學習，而非為了研究去補充知識。因此，建議不再將專業課納入畢業學分要求，將畢業學分要求下調至修滿基礎課學分即可，也就是學生只需修夠基礎課及核心專業課的學分即可，例如高等數學、專業英語等。如果學校強制劃定一個較高的畢業學分要求會導致很多學生為了湊學分而上課，而非因需要相關知識。這樣對部分學生而言是一種時間的浪費，教師的教學目的不一定達到，而對于想選卻沒選上這門課的學生而言則是一種資源的浪費。因此，應取締對專業課學分的硬性要求，讓學生能夠自由地選課、有更多自由的時間去學習對自己研究有幫助的知識。這樣學生各取所需，教學資源也能得到充分的利用。

（二）聘用專門的理論課講師

部分教師對課堂教學持敷衍態度，一部分原因是所需完成的任務過多，而材料加工專業的基礎課程內容又過于繁雜，要想講好需花費大量精力。如果聘用專業的理論課講師來負責專業課堂的教學，則可以將具有較強科研能力的教師從繁重的教學任務中解放出來，讓他們有更多的精力去進行研究。而專門負責授課的教師則可以全身心地投入課堂教學，這樣一方面他們能有充足的時間建立知識間的邏輯聯系，方便學生理解與掌握相關知識，例如不同焊接方法的優缺點及其適用工況、不同材料相關知識適應何種無損檢測方法等；另一方面能夠及時更新所在領域的最新研究成果與應用情況，方便學生了解專業的前沿動態，為學生畢業就業打下基礎。

（三）“線上+線下”教學模式

實現這一模式的前提是不再將專業課納入畢業學分要求。這樣便打破了只能選修本學院開設的專業課的壁壘。學生可以根據自己的研究需要，利用空余時間在全校范圍內選修其他院系對自己研究有幫助的課程，例如Python軟件編程、數字電路信號等；而對于學校沒有開設的課程，如對于材料加工有幫助的ANSYS仿真分析、材料第一性原理輔助計算等，則可以充分利用MOOC等國內外優質網課資源補充所需知識。很多時候學生的學習效果不佳是因為對相關知識沒有需求，缺乏動力，從而應付了事，這是一種被動學習的狀態。但若是因為需要而去學習，讓課程為研究服務，化被動為主動，效果則會大不相同。這樣一來，不僅實現了課程的實用性和優質教育資源的共享，而且有利于促進學科間的交叉融合。同時，取消專業課的學分要求，也就在一定程度上避免了不同院系乃至不同學校間學分互認帶來的麻煩。此外，學生在根據研究需求自主選擇學習內容的過程中也培養了自身的數據收集、歸納、分析與判斷能力。要學什么、怎么去學，這些都需要學生對眾多的資源進行整合，并從中篩選出最符合當前需求的知識。在這個終身學習的社會，需要的不是只會完成上級交代的任務的人，而是具有適應性、能夠對信息進行分析判斷的人。因此，在校期間就要培養學生這一能力，為其以后更快步入社會做鋪墊。

（四）多導師團隊協同培養

為彌補單一導師、單一學科培養帶來的不足，可以組建多導師團隊對材料加工專業研究生進行協同培養。團隊成員可以是不同院系的導師，也可以是不同學校乃至國外高校的導師。不同學科的導師可以共同承接一些重大項目，讓各自的研究生參與，導師根據專業特點安排不同的分工，并定期開展交流研討會。對于研究生而言，他們能夠接觸到具有不同學科背景的導師，能夠從不同的角度得到與課題有關的指點。這樣，他們能將其他學科的知識與自己的課題相結合，從另一個角度去思考問題，有助于增強自身的創新意識。同時，導師來自不同院系意味著學生能獲得多元化的信息，更有利于其制訂契合自身興趣、發展的培養和研究計劃。例如，來自材料學院、軟件學院、電子信息學院的教師可以組成聯合團隊，共同指導彼此的學生，材料加工的研究生除了可以獲得本專業的相關指導，還能在編程能力上有所提升，對數控技術也能有進一步的理解，這對于解決就業可能遇到的材料數字化加工及性能預測等問題有很大幫助。

（五）產學研結合

高校的宗旨是進行科學研究、促進科技進步，研究成果需要向社會轉化、服務于社會，培養的人才也需要向社會輸送。對學生而言，高校是從學校邁向社會的培訓階段，學生進入社會所需要的技能一方面要在高校培養和鍛煉，一方面則需要在用人單位進行培訓和鍛煉[8]。因此，新工科人才培養應當注重理論知識與工程實踐相結合，培養工科學生解決實際工程問題的能力?！爱a學研結合”正是實現這一目標的好方法。通過高校、社會單位、科研機構等用人單位的相互合作，學生能更早地接觸到相關領域的實際生產問題和科研問題，這有助于其實踐和研究能力的提升，也有利于高校資源與社會資源的融合，實現成果共享，促進高校研究成果向社會企業轉化，更快更好地服務于社會，同時也拓寬了科研經費渠道。因此，高校應針對產業崗位需求設置相應緊跟應用前沿的實踐類課程，培養學生的實際應用能力[9]。此外，為提高工程教育的質量，可鼓勵學生參與企業合作項目，讓學生把在校學習的理論知識運用到企業的實際生產中，讓學生真正接觸一線工作。在這個過程中，可安排企業的技術員擔任學生的臨時導師，對其工作表現進行考核、評價并及時反饋給校內導師[10]。

（六）“模擬+實驗+共享”研究模式

在教學過程中，不僅要重視學生對專業基礎理論和經典方法的學習，而且要強化學生的方法論、數學建模、數據分析、軟件技能等方面的實踐能力。軟件模擬是科學研究的一大利器，模擬結果可以為實驗提供指導，實驗可以對模擬進行驗證，二者相互輔助，有助于科研成果更快實用化。但無論是模擬所需的軟件，還是實驗必備的儀器，由于涉及種類繁多，一所高校不可能配備齊全。因此，各高校及科研院所應聯合籌建一個覆蓋全國的科研軟件及大型儀器共享平臺，提供各類科研軟件的下載服務以及軟件使用培訓和測試儀器的相關信息。這樣，各高?？筛鶕嶋H需求定期請專業人員到校開展講座，以方便師生的研究。特別是XRD、SEM、STEM等儀器以及ANSYS、VASP等材料模擬計算軟件，都是材料加工專業研究生從事科研活動不可或缺的，但并非所有高校都能配備齊全。因此，若能在各高校間形成這種“模擬+實驗+共享”的研究模式，則既有助于各高校材料加工專業師生的研究工作，也有利于材料加工專業的升級轉型。而且這一模式還可推廣到其他專業。在現階段無法均分經費的情況下，利用互聯網時代的特點，建設全國高?？蒲性O施及軟件共享平臺，提供閑置或使用頻率較低的設施信息，讓需要相關設施的其他高校研究人員可以就近使用。這樣，既可以提高設施的利用率，避免資源浪費[11]，在一定程度上實現教育資源的近似均分，又可以實現高校間的合作共贏，為培養新工科人才提供強有力的技術支撐。

三、結語

隨著大數據、云計算、人工智能、物聯網、5G通信等新興技術和產業不斷進入大眾生活，培養能勝任這些產業的新工科人才已是大勢所趨。對于材料加工專業而言，傳統的培養模式已很難將研究生培養成新興產業的中流砥柱。因此，探索適合當下社會發展趨勢的新型研究生培養模式勢在必行。只有采用新模式對傳統材料加工專業的研究生培養模式進行優化升級，才能培養出大批優秀的新工科人才，為我國在新一輪工業革命中搶占先機奠定基礎。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3］ 劉爽，張璐萍，田梗.基于國際化的學術型碩士研究生課程體系創新與實踐[J].中國繼續醫學教育，2020（8）：5-9.

[4］ 朱琎，鄧小喬，李效龍，等.“人工智能+新工科”背景下研究生創新能力培養模式研究[J].高教學刊，2019（21）：35-37.

[5］ 趙云鵬，林喆.新工科背景下化學工程專業學位研究生創新人才培養模式探索[J].山東化工，2019（12）：139-140.

[6］ 楊慧珍.新工科理念下基于產學研協同創新的碩士研究生培養模式探索[J].教育教學論壇，2020（6）：7-9.

[7］ 安國升，周蘭，馮力，等.材料成型及控制工程專業生產實習現狀分析與改革探索[J].大學教育，2020（10）：41-45，50.

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[10］ 毛向陽，王章忠，趙秀明，等.新工科背景下傳統專業金屬材料工程產教融合教育的實踐探索[J].大學教育，2020（12）：81-83.

[11］ 方志剛，郝曉亮，高云.“新工科”建設背景下高校研究生培養模式[J].中國冶金教育，2018（6）：39-40.

［責任編輯：李香蓮］