工程實踐能力導向的專業學位研究生教學模式

張愛英， 龔宸悅， 金海波， 劉 艷， 儀德啟

（北京理工大學材料學院，北京 100081）

0 引言

隨著“中國制造2025”等一系列國家重大戰略的實施，我國對高層次應用型人才的需求更加迫切。發展專業學位研究生教育，是研究生教育服務國家經濟建設和社會發展的必然選擇［1］。專業學位研究生教育的實踐性屬性［2］決定了專業學位研究生培養的核心是實踐能力。實踐教學是創新應用型人才培養的重要途徑，在培養學生實際動手能力、分析問題和解決問題能力以及創新意識等方面起到舉足輕重的作用［3-4］。

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，在國民經濟和國防建設各領域發揮著關鍵作用。對材料學科而言，很多新材料、新技術都是從實驗過程中產生的，加強對材料類專業學位研究生實踐能力和創新精神的培養尤為重要［5-6］。本研究首先分析專業學位研究生工程實踐能力培養面臨的現實問題，然后從教學體系構建角度入手，提出了適合材料類專業學位研究生工程實踐能力培養的教學模式，探索符合專業學位研究生教育發展規律的培養路徑，以更好地適應經濟社會發展需要。

1 工程實踐能力培養面臨的現實問題

1.1 缺乏工程化實踐平臺，理論教學和實踐教學脫節

專業學位研究生絕大多數來源于應屆畢業的本科生，其應用實踐能力一般不足，通用的做法是利用企業或校企聯合實習基地進行學生工程實踐能力的訓練。但人才培養的長周期與企業的生產壓力和經濟效益之間存在著一定的矛盾，使得企業對高校學生的實踐教學活動缺乏有力的支持［7］，導致專業學位研究生本應作為核心優勢的工程思維和實踐能力沒有得到充分培育。

高校具有眾多的國家實驗室和工程中心，不僅開展科學研究，同時也開展工程化生產。若利用這些資源來建立工程化實踐基地，一方面可培養研究生的實踐能力，加深對行業的認知，另一方面，也便于將課堂教學實時地與工程實踐訓練結合起來，開展較為長期的工程實踐訓練。

1.2 與行業發展分離，缺乏與生產一線人員的合作

專業學位是培養理論基礎扎實、適應行業實際工作需要的應用型高層次專門人才［8］。專業學位以專業實踐為導向，重視實踐和應用，學生應在專業和專門技術上受到高水平的訓練。然而，目前高校教師隊伍偏學術化，工程實踐經歷普遍不足，缺乏對行業最新技術動態的講授［9］，因而導致教學體系與行業發展間存在脫節，不利于學生工程化思維的培養。為此，可通過吸收工程實踐經驗豐富的行業工程專家作為校外教師，共同承擔專業學位研究生的培養工作。

1.3 課程內容偏重理論講授，與實際應用聯系不足

從發展歷程看，專業學位課程體系是參考學術學位研究生課程而設置的。經過多年的發展，專業學位研究生課程設置已逐步具備自身特色，但依然存在偏重理論化、與工程實踐聯系不足的問題［10］。為適應專業學位研究生工程實踐能力培養的需要，應充實與工程應用相關的課程內容，保持課程內容的系統性和實用性；另一方面，大部分課程教學依然以教師講解為主，缺乏對學生積極性的刺激和調動，不利于學生綜合運用知識的能力、溝通能力和團隊合作能力的培養，而這些也是學生在未來工作中所必須具備的能力。如何在教學過程中，將應用型人才培養與專業課程教學有機結合，進一步強化實踐教學體系迫在眉睫。

基于對專業學位研究生工程實踐能力培養現實問題的分析，我校材料學院以面向專業學位研究生開設的“高分子與阻燃材料成型加工”課程為例，堅持工程項目與教學內容深度融合，在線上實踐教學平臺訓練、線下實踐教學基地實驗、校外工程專家案例教學、理論教學聯系工程應用等環節進行了不斷改革與實踐，形成了“四位一體”的專業學位研究生工程實踐能力培養的教學模式（見圖1），著力培養具有創新創業能力的應用型人才。

圖1 “四位一體”的專業學位研究生工程實踐能力培養模式示意圖

2 工程實踐能力培養的探索

2.1 視頻教學與工程實驗相結合，掌握實驗原理及操作

高分子材料成型加工的工藝會涉及到加工設備結構、具體操作過程以及制品測試表征等內容，為實現好的教學效果，要求學生對相關內容有一定的直觀認知。由于學時限制、設備數量有限以及運行成本的問題，不能提供太多的機會讓學生反復操作儀器設備，一定程度上限制了學生開展大量深入的實踐教學活動。而線上資源學習平臺具有開放共享的特點，可賦予學生自定節奏的學習空間［11-12］。為此，將高分子與阻燃材料成型加工方法、制品結構與性能分析以及阻燃性能測試等一系列常規的實驗操作過程拍攝成視頻，建設線上實踐教學平臺來突破這一瓶頸，涵蓋的具體內容如表1 所示。這樣，不僅可以有效地降低儀器設備運營的成本，更重要地是可以為學生提供靈活便利的實踐培訓學習平臺。

表1 線上實踐教學平臺視頻內容

在線上實踐教學平臺的視頻中，通過教師講解（圖2（a））、動畫模擬演示（圖2（b））、實際操作（圖2（c））等多種方式，直觀形象地呈現了熱塑性高分子材料成型加工的基本原理、實際操作過程以及材料性能測試方法等內容。借助于實驗視頻教學平臺，學生可以根據自身需求，反復多次學習相關實驗內容，熟悉并掌握高分子材料成型加工中常用設備的基本原理、操作過程以及樣品性能的測試方法，為深入理解相關理論知識以及后續的線下基地實踐活動提供有力的支撐。

圖2 線上實踐教學平臺部分視頻截圖

2.2 開展科教融合的實踐項目，提升實踐創新能力

實踐教學基地是專業學位研究生進行實踐活動的重要場所，是學生了解行業發展進程的樞紐［13-14］，可有效地提高應用型研究生的培養質量。為此，本課程依托我校國家阻燃材料工程技術中心建立了穩定的工程實踐教學基地。由于中心長期開展新型阻燃材料的研究和工程化開發，因而實踐教學內容的設計思路是梳理最新科研成果，選取研發項目中較為典型的阻燃復合材料體系，涵蓋材料成型加工及產品表征全過程的內容。讓學生通過親自設計實驗并開展加工設備和測試儀器的操作，培養工程化思維和實際操作能力。

例如在雙碳戰略目標下，作為一種生物基可降解材料，聚乳酸易于加工成型且力學性能優異，被認為是通用塑料理想的替代材料。但聚乳酸極限氧指數低且熔滴現象嚴重，必須進行阻燃改性，才能應用于汽車工業和電子產品包裝等阻燃要求較高的領域。基于此，實驗設計的配方包括聚乳酸材料、膨脹型阻燃劑、穩定劑、偶聯劑和其他助劑。該過程中，學生首先需要確定配方的各組分，進行混合分散并進行流變性能測試，然后根據聚合物熔體的流變學行為確定所采用的工藝條件，再利用雙螺桿擠出機，通過熔融共混擠出制備阻燃聚乳酸復合材料，如圖3 所示。期間，可以適當調整配方中各組分的含量以及助劑的類型，獲得成分有一定差異的系列阻燃聚乳酸復合材料，并對其結構和性能進行測試分析，使學生掌握阻燃復合材料體系的設計思想，深入理解材料的結構對其阻燃性能和力學性能等各種性能的影響，從而滿足不同使用場景對產品性能的要求。

而且，前期通過線上實驗教學平臺，學生已熟悉了相關成型加工設備及測試儀器的工作原理及使用方法，所以在線下實踐基地可以有更多的時間親自操作儀器設備，掌握高分子材料的成型加工方法及性能測試手段。通過線上線下實踐教學的有效銜接，使學生對工程實踐有了更切身的體會，提升學生解決復雜工程問題的能力及創新實踐能力。

2.3 專業教育與生產一線有機結合，建立工程化思維

基于專業學位研究生的培養目標，聘請本領域校外工程專家參與授課，頒發校外教師聘書，搭建起研究生和校外工程專家溝通的平臺，引導研究生關注國家戰略需求和工程實踐應用。校外工程專家均主持過工程項目的研發和工業化生產，工程經驗豐富且具有深厚的理論功底。例如來自航空研究院的專家所帶領的科研團隊經過十幾年的科研攻關，突破了航空橡膠密封材料的關鍵技術，并完成了工程化生產。專家授課時將特種橡膠材料制品應用于飛行器中的實際案例引入課堂教學，所講授的橡膠密封材料的成型加工完全從工程化的角度展開，拓寬了學生的視野和知識結構，非常有利于學生工程化思維的建立以及創新精神的培養。

校內教師盡管也承擔企業項目，具有一定的工程經驗，但缺乏工業化生產的經歷。而校外專家基于實際案例開展的研討式教學，可引導學生深刻體會在工程化過程中所遇到的各種技術問題、面臨的多方挑戰、以及最終的解決過程，從而潛移默化地塑造學生大國工匠、堅忍不拔的精神品質，幫助學生在學習伊始建立起工程化的思維及解決問題的方式，發揮校內校外教師協同育人的作用。

2.4 加強理論教學與工程應用的融合，構筑完整的知識框架

高分子材料成型加工過程不僅賦予制品所需要的形狀，還直接影響制品的微觀結構和宏觀性能。因此，為使學生形成較為完整的高分子材料成型加工知識框架，要以產品成型加工為主線，梳理出清晰的知識網絡體系，同時又要以實例來分析成型加工對材料性能及應用的影響。例如教師可設置對應章節相關實際應用專題，包括硅橡膠各組分均勻分散成型加工工藝、有機磷系阻燃聚丙烯材料的研制、阻燃聚氨酯泡沫材料的成型加工等內容，要求學生通過小組開展研究型學習［15］，激發學生的主觀能動性，培養學生的團隊合作精神。具體實施過程為：小組成員討論后初步確定調研框架并進行分工，然后開展文獻調研，從體系配方設計、成型加工方法、性能測試及產品實際應用要求等方面進行歸納梳理，撰寫出調研報告初稿。期間小組成員間、小組與教師間，進行多次討論，對報告內容、撰寫邏輯性以及行文表達規范等方面進行修改，最后提交專題調研報告并在課程結束時進行匯報。這樣一種根據工程實例、逆向剖析的沉浸式學習模式，促進了學生對不同工程問題的多方位思考和全面認知。而且在這個過程中，學生也完成了對于理論知識的內化，提升了自身的實踐創新能力。

另一方面，將本領域新的成型加工技術充實到教學內容中，讓學生接觸到前沿的科研方向，保證課程內容的先進性。例如，靜電紡絲技術由于可制備功能性微納米纖維，在能源轉換、生物醫用以及凈化材料等眾多領域已得到應用。常用的普通口罩隨著內層熔噴無紡布靜電吸附能力的衰減，其阻隔效率不斷降低，而通過靜電紡絲技術制備的納米纖維薄膜的阻隔效果遠超普通熔噴無紡布，以此為例，將靜電紡絲技術的原理及微納米纖維的成型加工逐步展開講解。再比如，在講解高性能纖維的成型加工時，以我國自主研發的第一條百噸級T1000 碳纖維生產線研發過程為例，講解碳纖維的結構、性能及成型加工，同時介紹高性能碳纖維材料如何服務國家戰略。將授課內容與時政熱點以及國家戰略需求聯系起來，提升了學生對材料學科的學習興趣，傳承了科技報國的志向情懷。

3 結語

本研究在分析材料類專業學位研究生培養的特點以及實踐教學中存在主要問題的基礎上，構筑了線上實踐教學平臺訓練-線下工程基地實踐-行業工程專家案例講授-沉浸式研究型學習的完整教學鏈條，保證學生可以開展較長時間的工程綜合素質訓練，將學生工程實踐能力的培養有機融合到課程教學中。對進入航空航天、電子信息以及兵器行業等領域從事工程研發的畢業生和相關企業調查反饋，該教學模式可有效提升學生運用工程化思維開展工程實踐的能力，有望能為應用型高層次人才的培養提供參考與借鑒。