新工科背景下材料成型及控制工程專業工程實踐能力培養探索與實踐

王輝虎，卜智翔，龍 威，謝志雄

（湖北工業大學 材料與化學工程學院，武漢 430068）

新經濟的蓬勃發展，“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等的推動實施，迫切需要培養造就一大批厚基礎、會實踐、能創新的卓越工程科技人才，新工科建設應運而生[1-3]。在“復旦共識”“天大行動”的基礎上，教育界對新工科內涵有了統一認識[4]，即“以立德樹人為引導，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養多元化、創新性卓越工程人才”。因此，如何在人才培養中貫穿工程理念，提升學生工程實踐能力是新工科建設的著力點[5]，也是工程教育發展的重要方向。

材料成型及控制工程（簡稱“材控”）專業是面向制造業的主體專業，以材料為加工對象的特點決定了專業兼具機械與材料特征的特殊性，其中材料科學為專業的基礎知識，而成型工藝設計及成型產品質量控制是專業核心能力培養的重要部分。同時，近年來以3D 打印、機器人焊接技術為代表的先進制造技術快速發展，材控專業作為傳統工科專業，一方面面臨著原有工科的承續，另一方面也要積極引入新技術，樹立新的教育理念，進一步強化學生的實踐能力和創新能力培養。為實現創新創業和實踐能力強的高素質應用型人才培養目標，加快傳統工科專業的改造升級，材控專業經過探索實踐，改革了材控專業工程實踐能力培養模式，取得了良好的成效，并凸顯出一定特色。

一 存在的教學問題

筆者所在的湖北工業大學是一所以工學為主的多科性大學，堅持“立足湖北、服務工業”的辦學定位，著力培養具有國際視野、創新創業和實踐能力強的高素質應用型人才。在新工科建設方面，學校聚焦湖北省產業創新重大共性技術需求，建設了智能科學與技術、微電子科學與工程、集成電路設計與集成系統、機器人工程、數據科學與大數據技術和智能制造工程等新生工科專業，建成了智能制造產業學院，完善了產業學院組織架構、運行管理機制，積極推進產教融合、校企協同、合作育人的新工科人才培養模式改革；同時，學校也提出要積極組織、推進傳統專業根據新經濟、新技術發展的新要求進行改造升級。

為實現創新創業和實踐能力強的高素質應用型人才培養目標，材控專業對傳統教學中存在的問題進行了梳理，總結為以下幾個方面：一是工程人才培養理念落后，人才培養與社會、企業要求存在差異，學校教育落后于產業發展，主要表現在材控專業課程理論體系主要圍繞傳統的鑄造與焊接工藝與方法，先進制造技術引入滯后。二是重理論輕實踐、重知識輕能力，以及由此帶來的實習實踐效果差，主要表現在專業實踐教學與工程實際結合不緊密，企業在大學生實踐能力培養方面參與度不高。三是學生創新思維不夠、創新能力不強，實踐平臺建設與師資隊伍建設有待加強，主要表現在創新教育未系統化，與專業教育脫節，兩者融合的理念缺乏。

二 工程實踐能力培養模式探索與實踐

針對上述教學問題，材控專業積極推進新工科背景下工程實踐能力培養模式改革。主要包括如下幾個方面。

（一）深化工程實踐能力內涵認識，重構新工科人才培養方案

工程實踐能力是面向真實工程環境中解決復雜工程問題的復合能力，其內涵豐富，包含了工程理論基礎、實踐操作能力、工程設計能力、工程項目管理能力、工程創新能力及其他工程領域內非技術因素，因此在培養學生工程實踐能力的過程中要以工程實踐能力提升為主線，需要對人才培養過程進行整體設計。材控專業依托工程教育認證，結合國際工程教育改革動向，校企合作，在廣泛調研的基礎上明確了新工科背景下人才培養目標，重構新工科人才培養方案。在強化成型工藝設計及成型產品質量控制專業核心能力的基礎上，圍繞先進制造前沿領域，開設成形數值模擬、3D 打印技術、逆向工程技術和現代機器人技術等課程，培養能夠在材料成型工程領域內從事數字化設計與智能制造、工程管理等方面工作的高素質應用型人才，突出了“數字化成形”學科交叉的人才培養特色。同時，材控專業針對工程教育認證的12 條畢業要求，合理構建了專業課程體系支撐相應畢業要求指標點矩陣，符合基本技能、應用能力、工程設計分析能力的要求[6]。專業提出了工程實踐能力培養過程中，校內導師、企業專家、學生全員參與，工程實踐能力全方位提升，畢業生工程實踐能力全過程評價的方法，從總體設計上保障學生工程實踐能力的提升，同時體現以學生為中心、知識型向能力型培養理念的轉變。

其次是修訂專業理論課程與實踐課程大綱。從專業基礎課程、專業核心課程及實習實踐等人才培養環節，重視培養學生面向復雜工程問題的工程設計能力及工程背景的實踐操作能力，強化多學科背景下工程項目管理及法律、環境和可持續發展的工程理念，實現工程實踐能力全方位培養[7]。其中，專業基礎課程強化工程背景，提升工程教育理念；專業核心課程夯實工程實踐理論基礎，課程內容更新本學科前沿知識，著重體現學科交叉融合的內容，突出專業課程特色；實踐教學環節分層遞進式提升實踐操作能力、工程設計能力與工程項目管理能力；以創新實驗、學科競賽、短學期實踐等手段促進學生工程創新能力提升。

（二）校企緊密合作，重點強化多層次實踐體系構建與工程實踐能力梯次培養

實踐環節是提高學生工程實踐能力的關鍵環節，在提高學生實踐操作能力、工程設計能力、工程創新能力和工程項目管理能力等方面發揮著不可代替的作用。專業堅持校企緊密合作，針對傳統教學中重理論輕實踐、重知識輕能力的教學問題，以及由此帶來的實習實踐效果差等問題，實施學生工程實踐能力梯次培養，如圖1 所示。

圖1 材控專業工程實踐能力梯次培養

專業實驗課程體系由材料基礎實驗、工藝基礎實驗與專業綜合實驗組成，其中材料基礎實驗圍繞“金相制備—顯微組織觀察—力學性能測試”為主線，材料基礎實驗著重培養學生材料基礎實驗技能；工藝基礎實驗面向工藝全過程，以“材料檢測與分析—成型工藝方法與設備—產品質量檢測”為主線，培養學生工藝基礎實驗技能，同時增設數字化成形的實驗項目內容，以數字化仿真和數字化制造為主；專業綜合實驗則面向典型產品生產工藝過程，學生查閱文獻與技術標準、設計實驗方案、開展實驗、撰寫綜合實驗報告，考核包含實踐技能考核與綜合實驗報告考核，培養學生綜合實驗技能和系統分析能力。整個專業實驗課程體系貫穿工程意識，學生可通過實驗掌握解決工程實際問題的一般方法。

課程設計以工程項目為載體，按照“產品結構設計—工藝設計—綜合設計”主線培養學生工程設計能力與工程項目管理能力，如鑄造工藝及裝備設計、焊接結構生產綜合課程設計分別以車用變速箱等零部件的成型工藝設計、立式儲氣罐焊接結構設計和工藝設計為主；畢業設計則以壓鑄模具、壓力容器、起重機械等產品的結構設計和成型工藝設計為主。通過課程設計項目化教學，實現學生工程設計能力的梯次培養。

專業實習實訓環節，校內依托學校基礎實驗平臺與現代工程實訓中心，開設電工電子實習、金工實習及數控加工實習，強調工程規范；校外加強與企業合作，開設認識實習、生產實習、畢業實習，構建以“學—看—做”為主線的實習環節。認識實習主要通過企業實地考察，建立感性認識，學習了解工藝流程；生產實習則重在熟練掌握各工藝細節，如機加工、熱處理、鑄造與焊接等；畢業實習則在了解和熟悉的基礎上，改革傳統的實習模式，采用集中實習與分散式實習相結合的方式，將整班學生分散在不同企業中。實習過程中，學生需要熟悉企業各個生產環節，同時還要協助或獨立完成工程設計，在面向企業環境的工程實踐中發現問題，提高解決復雜工程問題的能力。同時，在改革畢業實習模式的基礎上，專業也積極鼓勵學生到簽約企業進行畢業實習，將畢業實習和畢業設計相結合，提前熟悉企業生產運作方式，為解決工程實際問題打下基礎。

（三）依托創新實驗、學科競賽與短學期實踐，強化學生創新能力培養

針對創新思維不夠、創新能力不強的問題，專業建立多維開放式創新能力培養體系。開設專業創新實驗課程，引入學科前沿及最新科研成果；實施創新創業學分制，全體學生必須走入實驗室，參與企業真實項目；積極推進大學生創新創業訓練項目及大學生學科專業競賽實踐，確保專業學生參與學科競賽與創新創業大賽全覆蓋；在課堂教學中，也引導性地開展文獻閱讀、思維導圖、課程三問等活動，落實科教融合理念，推動創新人才培養。

另外，學校從2014 年起開始實施四學期制，分別是秋季學期18 周、冬季短學期2 周、春季學期18 周和夏季短學期4 周，利用短學期集中開展短學期實踐，短學期實踐的目的主要是使學生通過參加不同形式的實踐，全面提升創新創業和實踐能力。因此，材控專業也充分依托短學期實踐，開展社會實踐類、科技創新類、實習實訓類三大類的實踐活動，專業二年級的學生圍繞“接觸專業”的主題展開，三年級和四年級學生則要圍繞“深入專業”和“運用專業”的主題展開。材控專業在二年級冬季短學期，鼓勵學生到專業相關企業進行認知實踐，或進入專業導師團隊開展科技創新實驗，熟悉專業；二年級夏季短學期結合大學生創新創業訓練計劃深入推進項目實施，或利用各種資源和機會，開展學科競賽活動；三年級冬季短學期進課題、進實驗室、進團隊，參與科學研究活動等；三年級夏季短學期實踐活動進一步擴展，包含但不限于大學生創新創業訓練、國內外游學、企業實習實踐等；四年級短學期實踐則可以進一步參與學科競賽、課題研究或開展畢業設計（論文）前期工作。同時，專業積極拓展企業實踐資源，讓學生走進企業進行實習實踐，讓學生在實踐中開闊視野，增長才干；在校內實踐則開展綜合性、創新性實驗項目，如開展金相技能培訓、三維實體建模、華鑄CAE 和焊接CAE 的培訓與實踐，進一步提高學生實踐操作能力與工程數字化設計能力。截至目前，短學期實踐已在專業開展8 年16 次，專業學生全部參與，且對短學期實踐滿意度高，總體反應良好，認為短學期實踐有效提升了個人的實踐動手能力和溝通能力，同時開闊了視野，增強了責任擔當。

（四）構建實踐創新平臺，打造雙師型師資隊伍，為人才培養夯實基礎

師資隊伍建設與實踐平臺建設是學生工程實踐能力培養的兩大支撐條件。針對雙師型師資隊伍建設薄弱問題，專業建立了青年導師指導制度，即每一位青年教師都有一位具有實際工程經歷的老教師為指導老師；選拔青年教師參加湖北省“博士服務團”、科技特派員、“三百工程”等項目，深入企業實踐；以工程項目為載體，開展項目式教學；積極聘請企業兼職導師與行業協會參與學生實踐能力培養，構建雙師型師資隊伍。在此基礎上，建立校內外導師、學生全員參與的生產實習、畢業實習、畢業生專業能力測試和畢業設計指導與答辯等全過程實踐能力評價。

針對實踐能力培養平臺缺乏的問題，以學生為中心，全面打造學生實踐能力培養平臺。建設高質量校外實習平臺體系作為實踐能力培養載體，與企業共同建設實習基地15 家；依托校級現代工程訓練中心，構建校企合作材料學與材料加工兩大校內專業實踐教學平臺，包含虛擬仿真實驗室、焊接自動化實驗室、3D 打印實驗室等；打造湖北工業大學金相社團，培養大學生的“工匠”精神，在全校范圍內推廣和普及材料專業知識，協助舉辦湖北工業大學金相技能大賽，發起并承辦了湖北省首屆金相技能大賽，負責全國大學生金相技能大賽選手的選拔，培訓和強化訓練工作；依托省級大學生創業園與學院“聚創”中心，建設大學生創新創業平臺；成立學科競賽團隊，打造金相技能競賽、中國大學生機械工程創新創意設計大賽（分賽項：鑄造工藝設計賽、熱處理大賽）等學科競賽平臺。同時，學院建設有省級重點實驗室、工程實驗室、工程研究中心和協同創新中心等科研平臺，還擁有省級實驗教學示范中心以及研究生教育創新基地與校企共建研究生工作站，各項平臺為本科生的創新能力培養提供了良好的教學和科研條件。

三 培養成效

經過教學改革，學生工程實踐能力得到良好鍛煉，人才培養質量不斷提高。具體表現在以下方面：①學生就業質量明顯提升。學生一次就業率95%以上，一大批同學就職于東風、比亞迪、華星光電、海康威視和格力等大型企業。②學生工程實踐能力受到用人單位高度評價。在對本專業畢業生就業單位的調查中，91.7%的用人單位認為，本專業畢業生綜合素質達到社會和企業要求，能夠較好勝任崗位工作；95.8%的用人單位認為，本專業畢業生與其他同類學校相比具備較強的競爭優勢；用人單位還高度評價了本專業畢業生解決復雜工程問題的能力，以及社會和企業對于人才要求的吻合度。從用人單位調查反饋看，彰顯了教學改革對人才培養質量的提高起到了重要作用，以畢業生的擔當作為擴大了專業的社會聲譽。2021 年，材控專業學生有27 人次獲得見習鑄造工程師證。③學生創新創業成績顯著。2018—2022 年，100 余人次在各類學科競賽中獲獎，發表學術論文30 余篇，授權專利5 項，獲批大學生創新創業訓練項目9 項；涌現出了“中國大學生自強之星”等典型；2021 年，專業考研錄取率為47.7%。

教學改革也有力促進了專業發展與建設。2018 年專業通過國際工程教育認證（6 年有效），2019 年獲批湖北省一流專業建設點，2020 年通過工程教育專業認證中期審核，2021 年獲批國家級一流專業建設點。

2018—2022 年，專業聘請企業兼職教師7 名，專職教師中出國進修、國內訪學、參與博士服務服務團等16人次，具有企業經歷或相關工程實踐經驗的教師占86.7%。依托該項教學改革，2018—2022 年專業共獲得省級教研項目2 項，校級教研項目7 項，教研論文15篇，主編教材和專著4 本；與企業結合更加緊密，在點焊電極表面電火花熔覆復相涂層、熱作模具表面低溫滲硼、鑄造用無機涂料等領域獲得了省部級獎勵4 項。2020 年，材料成型及控制工程系獲批湖北省優秀基層教學組織。

四 結束語

材控專業作為傳統工科專業，在新工科背景下學生的工程實踐能力和創新能力需要進一步加強，專業也亟需改造升級，但目前教學過程中存在著工程人才培養理念落后、重理論輕實踐、學生創新能力不強和實踐平臺建設與師資隊伍建設有待加強等問題。本文從人才培養方案重構，突出“數字化成形”學科交叉特色；校企合作，工程實踐能力梯次培養；建立多維開放式創新能力培養體系，強化創新能力培養；構建實踐平臺與師資隊伍，夯實工程實踐能力培養基礎等方面對新工科背景下材控專業高素質應用型人才工程實踐能力培養的模式進行了分析與探討，對傳統專業的新工科改造具有一定的借鑒意義。