“卡脖子”困境下新工科教育中的原創思維培養與教學模式探索

馬成龍 武美萍 王全龍

［摘 要］ 當前，新一輪科技革命和產業變革正加速新工科的建設和發展，如何培養具有原創性思維的優秀人才，成為我國“卡脖子”困境及新工科背景下的重要課題。以“工程材料及其成形技術基礎”課程教學實踐為例，通過分析目前課程教學在培養學生原創性思維方面存在的突出問題，分別從知識體系和教學模式兩個方面提出相應的課程教學改革路徑。在課程知識體系方面，指出需要從知識體系的縱向發展、局部重構、內部關聯和橫向演化四個方向進行重塑，以適應當前新材料、新技術發展變革的新范式；在課程教學模式方面，提出基于課題小組的深度學習、基于創意競賽的拓展學習和基于校企互訪的工程學習三類創新性教學模式，引導學生對課程知識進行深度學習，提升學生的創新意識、創新動力和創新能力。

［關鍵詞］ 新工科；原創思維；工程材料及其成形技術；課程教學

［基金項目］ 2020年度教育部第二批“新工科”研究與實踐項目“三校聯動，打造機械類新工科通專融合課程及教材體系”（E-JX20201515）；2021年度江南大學線上線下一流本科課程“互換性原理與技術測量”（YLKC2124）

［作者簡介］ 馬成龍（1990—），男，江蘇揚州人，博士，江南大學機械工程學院講師，主要從事激光增材制造研究；武美萍（1970—），女，江蘇無錫人，博士，江南大學機械工程學院教授，博士生導師，主要從事智能制造研究；王全龍（1988—），男，山東臨沂人，博士，江南大學機械工程學院副教授，主要從事超精密加工研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0153-04 ［收稿日期］ 2022-09-28

一、概述

近年來，“卡脖子”一詞成為科技產業領域高頻熱詞，其主要源自美國對我國發動的貿易摩擦，特別是對我國高新技術企業實施的制裁打壓，使得一些重要科技產品生產銷售受到嚴重制約，同時也暴露出我國在相關關鍵核心技術方面的嚴重短板問題。近年來先后發生的“中興事件”與“華為事件”是“卡脖子”困境中的典型案例，這兩個事件也促使集成電路、半導體等相關產品的研發上升為影響國家安全的重大問題［1］。不同于20世紀六七十年代“兩彈一星”為代表的軍工國防技術，當前面臨的“卡脖子”技術所涉及的復雜程度與研發難度均呈指數級上升，短時間內很難通過集體攻關突破或尋找替代方案，具有潛在的戰略武器特征，可顯著影響我國國際競爭力、科技話語權和國際經濟地位等。大量學者通過深入分析指出，我國當前面臨的“卡脖子”困境的主要根源可歸結為［1］：（1）基礎研究較為薄弱；（2）技術軌道的積累性和排他性特征；（3）“政產學研用”協同創新體系尚不完善；（4）科技產業主體風險意識不強。一般來說，基礎研究會自動引發應用技術創新，而在此基礎上，經過長期技術積累便會形成技術壁壘，進而形成所謂的“卡脖子”技術。其中的關鍵在于原創性的基礎研究。我國在原創知識體系與核心技術積累上的長期缺乏，導致我國在諸多高科技領域始終處于追趕和跟跑狀態。

聚焦前沿、另辟蹊徑的原創性思維是有效規避當下“卡脖子”困境、實現彎道超車的現實策略。李政濤［2］指出，原創性之“原”體現在：以自己特有的研究對象、視角、思維方式、命題等構成的論述框架與范式，成為同類研究的起點。然而原創性思維并不是一時形成的。郝鳳霞和張春美［3］通過研究百年諾貝爾自然科學獎獲得者的原創工作發現過程，認識到廣博而交叉的跨學科知識組合及多元文化的教育背景是孕育原創性成果的重要條件，同時，合理的知識結構可以提高科學家的想象能力、聯想能力和創造能力。因此，這指引我們在培養學生的原創性思維方面要著重注意學生豐富多元的知識結構體系構建。

未來5～15年正是新工業革命推動的傳統工業化與新型工業化相互交織、相互交替的轉換期，是工業化與信息化深度融合的過渡期，也是我國經濟發展結構調整、轉型升級的攻堅期［4］。新一輪的科技革命和產業變革將同我國加快轉變經濟發展形成歷史性交匯，工程在社會中的作用已經發生了深刻變化，工程科技進步和創新將成為推動人類社會發展的重要引擎［5］。在此背景下，建設和發展新工科是提高國家未來競爭力，贏得全球市場競爭的重要途徑。如何在新工科教育中培養學生的原創性思維將是重要環節。本文將從“工程材料及其成形技術基礎”課程的教學實踐出發，提出相應的原創思維培養方案與創新教學模式。

二、現有課程教學體系及教學現狀

“工程材料及其成形技術基礎”是高等教育工科院校機械類和近機械類各專業學生必修的重要技術基礎課程，內容主要包括工程材料和材料成形技術兩大部分。前者主要闡述各種常用工程材料的化學成分、組織結構、強化手段。使用性能及其它們間的相互關系與內在規律。后者則以研究制造金屬構件的典型冷、熱加工成形技術為主，涉及材料成形質量的各類工藝控制方法與原理。本課程的通用教學目標表現為，通過本課程學習，使學生獲得機械零件材料基礎知識，培養材料工藝分析初步能力，掌握機械零件選材，了解材料成形基本方法，為學習其他相關課程及從事機械工程與自動化方向的科學研究、新技術開拓奠定必要基礎。

目前，我校開設的相關課程為“工程材料基礎”，盡管課程名未提及材料成形技術，但實際所選用教材及教學安排中仍按照工程材料和材料成形技術兩個部分進行教學。以作者所授的機電工程專業為例，該課程設置在大二下學期，總課時為48學時，其中包括6學時的實驗環節。然而，從作者及相關課程教師的教學實踐來看，當前課程教學體系尚存在諸多問題亟待解決。

（一）教學內容較為陳舊，與新技術發展嚴重脫節

課程教學一直以來均是將鋼鐵材料作為主體材料，并在講述材料晶體結構、凝固結晶行為、相圖、微觀組織、成形及熱處理工藝等基礎知識中貫穿始末。而隨著新一輪科技與產業變革速度的加快，大量新材料、新技術得到開發和廣泛應用，如納米晶材料、高熵合金材料、虛擬制造技術、快速成型技術等。這些新材料和新技術并沒有很好地融入到課堂教學中，多數情況下僅作為課外延伸學習部分，使得學生對工程材料的發展與認識受到很大局限。

（二）教學內容編排關聯性不強，知識呈現碎片化

課程教學內容偏于敘述性質，知識體系龐雜，僅工程材料部分就涉及大量基礎理論與概念。同時，各章節間邏輯關聯性不強，知識呈現出碎片化特征，特別是工程材料與成形技術兩部分的教學內容安排往往缺乏緊密聯結，彼此相對比較獨立，沒有建立起科學與工程間的良好互動。

（三）教學手段較為單一，啟發性教學環節缺失

目前，課堂教學方式主要以多媒體課件講解為主，教學手段單一，且對多媒體課件依賴程度顯著。知識要點則多以灌輸、概念講解的形式機械講授，缺乏啟發性教學環節，致使學生被動接受知識，并基于死記硬背應付課程考核，難以實現對相關知識準確理解和充分掌握，同時也十分不利于學生創造性思維培養。

（四）教學內容實踐環節較少，創造性實踐幾乎沒有

目前課程僅設置了6個學時實驗內容作為實踐環節，且每項實驗內容均為非常基礎的實驗操作，如金相和硬度實驗，并未考慮兼具開放性和創造性的延伸實驗設計。實驗內容確實也與當下新材料、新技術發展所需的工程實踐能力和新工科背景下的人才培養目標不相符。

三、圍繞原創思維培養的課程知識體系重塑

針對“工程材料及其成形技術基礎”課程教學現狀中的前兩個問題，現有基于傳統工業思路的舊課程知識體系必須被打破，在此情況下提出課程知識體系重塑的四個方向。

（一）知識體系的縱向發展

知識體系的形成有其自身歷史發展脈絡。因此，課程知識的講授要培植學生的大歷史觀和發展觀，讓學生能夠從更大尺度、更全面的視角理解課程知識，了解知識的來龍去脈，為知識體系的進一步創造和延伸建立心理暗示。例如在工程材料教學中，可從材料發展歷史進行縱向講述；到近現代時期，材料本身又可理解為從物理、化學等基礎學科剝離出去的交叉學科，通過不斷發展形成豐富多彩的各類工程材料。工程材料的研發已由過去的嘗試、實驗法發展到如今功能導向的定向設計與機器篩選，新材料研發的這種范式變革可以加強引導學生的創造性思維。

（二）知識體系的局域重構

知識體系的局域重構在于，讓學生身臨其境感受知識創造的真實過程，通過自身實踐去理解知識的形成過程。材料的發展史也是人類社會的進步史，在過去一百年里，許多諾貝爾物理學獎或化學獎均是與材料密切相關。因此，通過對大歷史觀梳理下的課程知識體系進行局部重構，穿插講述這些諾獎級成果的發現之旅，可有效提升學生的求知欲，豐富知識，啟發學生的創造性思維。同時在一些知識點講授過程中，通過提供一些關鍵實驗數據，讓學生自己去發現、提煉和總結規律，推斷出課本中的重要知識及其推論。

（三）知識體系的內部關聯

作為一門工科院校的重要技術基礎課程，科學與工程間的聯結一定要非常緊密。工程材料主導基礎理論知識，是屬于科學的范疇，而成形技術主導工藝原理與技術方法，屬于工程范疇，科學指導工程，工程推動科學，兩者相輔相成。因此，課程知識體系中需要將兩者交融在一起，而不應切割開分別講授。比如材料的凝固結晶行為，從科學角度可以串聯晶體結構、相變、相圖等知識點，從工程角度則可引出鑄造、焊接、熱處理等熱加工工藝。

（四）知識體系的橫向演化

知識體系除了縱向發展脈絡，還具有顯著的橫向演化特征。知識的縱向突破性延伸是艱難且需要長時間累積的，而知識的橫向衍生和拓展是相對簡單且易于實現的。因此，課程知識體系的橫向枝杈總是非常繁雜，需要進一步在縱向主干下梳理出清晰的橫向演化路徑。例如鑄造成形技術，其本質為液態成形技術，相似原理還發展出定向凝固技術、快速凝固技術等，這些技術本身又存在多種工藝手段來實現與支撐。通過這樣的知識體系梳理，學生的思維能有效擴散與遷移。

四、圍繞原創思維培養的課程教學模式探索

針對“工程材料及其成形技術基礎”課程教學現狀中的后兩個問題，提出以下三點創新性課程教學模式。

（一）基于課題小組形式的深度學習

研究生是目前知識創造的主體，而知識創造的過程多數是基于項目、課題方式驅動，這樣的學習創造模式可以進一步前移至本科教學階段。依據課程知識體系劃分為幾個模塊，每個模塊設置一些相關的科學前沿問題（鼓勵學生自己提出問題）；然后將學生分成幾大組，每個大組再細分成幾個小組，每個大組共享設置一個前沿問題，每個大組內的各小組間相互競爭，針對相同前沿問題，建立組內分工，結合課堂所學知識并查找資料、建立模型、計算推演，通過PPT答辯形式給出問題的解決思路和方案。基于課堂中的課題解析探討，引導學生對所學知識加深理解，通過使用高級認知技能處理信息來實現長期而深刻的理解。

（二）基于創意競賽形式的拓展學習

科創競賽是促使學生進行深度學習的一種重要手段，但在此基礎上如何提升學生的創造性思維，需要開辟出一些別出心裁的競賽形式。知識遷移是一種非常好且有效的策略，如現有的微觀攝影大賽，通過捕捉材料微觀組織照片和后期渲染加工，形成充滿想象力的圖片。這個過程不僅需要工程材料知識，還需要微觀表征技術知識、圖片信息處理知識，最重要的就是想象力。基于課外的創意競賽設置，引導學生進行知識遷移與技能拓展，激發學生的創造性思維和想象力，從而提高學生的創新能力，激發創新精神。

（三）基于校企互訪形式的工程學習

實踐環節的一個重要組成部分就是與企業的產教融合。在“卡脖子”困境和新工科發展背景下，課堂教學一定需要與企業問題緊密相連。一方面，帶領學生參觀相應行業知名企業研發部門和生產車間，切實了解產品生產整個環節和相應加工工藝，加深課堂知識的理解和遷移；另一方面，帶領學生去參觀一些重點工程設計部門（如橋梁、汽車、飛機等），了解這些工程材料應用型行業在選材及使用上的工程考量，建立真正意義上的工程思維，掌握目前工程應用方面存在的關鍵問題和難點。同時，也邀請行業技術部門專家、總師來校講座，深刻解析當前工程領域面臨的“卡脖子”問題，引導學生積極思考，提升學生的創新意識和創新動力。

“卡脖子”困境的突圍對我國人才的創新能力提出更高要求，如何培養具有原創性思維的優秀人才，成為新工科背景下的重要課題。本研究以“工程材料及其成形技術基礎”課程教學實踐為例，指出目前在培養學生原創性思維方面存在的主要問題，同時分別基于課程知識體系重塑和課程教學模式探索提出相應的解決方案，為提升學生的創新意識和創新能力、培養學生的創新思維和創新精神，提供切實可靠的課程教學改革思路。

參考文獻

［1］李靜.“卡脖子”技術的成因分析、攻關能力體系與路徑研究［J］.高科技與產業化，2022，28（8）：58-63.

［2］皇甫科杰.當代中國教育學原創性研究何以可能［D］.桂林：廣西師范大學，2022.

［3］郝鳳霞，張春美.原創性思維的源泉：百年諾貝爾獲獎者知識交叉背景研究［J］.自然辯證法研究，2001（9）：55-59.

［4］陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考［J］.高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

［5］鐘登華.新工科建設的內涵與行動［J］.高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

Exploration of Original Thinking Cultivation and Teaching Mode in Emerging Engineering Education Under the “Stranglehold” Dilemma

MA Cheng-long1，2， WU Mei-ping1，2， WANG Quan-long1，2

（1. Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment & Technology， Wuxi， Jiangsu 214122， China; 2. School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi，

Jiangsu 214122， China）

Abstract： A new round of scientific and technological revolution and industrial transformation are accelerating the construction and development of new engineering. How to cultivate outstanding talents with original thinking? has become an important topic under the background of new engineering and “stranglehold” dilemma of our country. Taking the course teaching practice of ‘Engineering Materials and Forming Technology Foundation as an example， this paper analyzes the highlighting problems in cultivating students original thinking in current course teaching， and puts forward the corresponding ideas of course teaching reform from two aspects of course? knowledge system and course teaching mode. In the aspect of curriculum knowledge system， it is pointed out that the knowledge system needs to be reshaped from four directions： vertical development， local reconstruction，? internal correlation and horizontal evolution， so as to adapt to the new paradigm of new materials and new technologies. In the aspect of curriculum teaching mode， three innovative teaching modes are proposed： in-depth study based on subject group， extended study based on creative competition and engineering study based on university-enterprise exchange visit， which are helpful to guide students to learn curriculum knowledge in depth and improve their innovative consciousness， motivation and ability.

Key words： emerging engineering education; original thinking; engineering materials and forming technology foundation; course teaching