基于应用型人才培养的材料科学与工程科技合一教学研究

董振伟 毛远洋 武玺旺

摘要：本研究以材料科学与工程专业中的科学与技术为框架，分成材料科学与材料技术两大模块，并对相应的模块进行提炼，总结出材料科学与工程科技合一的教学体系。该教学体系将材料科学与工程专业的教学划分成科学类课程与技术类课程两大类。其中，科学类课程包括专业基础课、专业核心课和专业方向课，技术类课程包括验证型实验课、设计型实验课和创新型实验课。各类课程之间相互关联，有效地将材料科学与工程专业中分散的科学与技术结合起来，使学生既能学习到扎实的理论知识，又能不断地提高专业技能。

关键词：应用型人才;材料科学与工程;科技合一;教学体系

我国著名的材料学家姚熹将材料专业人才描述为“化学家中的物理学家，物理学家中的化学家，科学家中的工程师，工程师中的科学家”，这不仅是对材料专业人才的定位，也是对材料科学与工程专业人才培养指明的目标与方向。材料科学与工程作为一个刚成立半个世纪的工科专业，因其内容涉及面广、学科交叉性强、理论与实践结合紧密、应用研究和基础研究兼备等特点，在创新型、应用型人才的培养方面存在较大的困难。一些高校没有真正领悟到材料科学与工程专业的特性，仍然采用传统“填鸭式”的教学模式，使学生学习的注意力主要集中在书本和理论知识上，缺乏一种始于问题、基于发现、体现研究性的教学氛围，最终导致其培养出的学生只是材料的了解者而非真正实用的材料专业，人才。因此，高校在材料科学与工程专业教学上要打破传统的教学方式，取其精华、去其糟粕，结合材料科学与工程专业的自身特性，提炼出一套适合材料科学与工程专业的特色教学方法，用于培养真正的材料人，以满足社会对材料专业的人才需求。

材料科学与工程科技合一教学原理材料科学与工程专业中的科学与技术密不可分，被看作同一范畴，但二者的任务、目的和实现过程不同，是既相互联系又相对独立的辩证关系：科学主要表现为物化意识，技术则具有物化形态，科学提供物化的可能，技术提供物化的现实。根据这种显著的特性，我们设计出一套科技合一的教学体系（如下图所示）。

该教学体系是以材料科学与工程专业中的科学与技术为两大支柱，以材料性质与材料性能两个基本的科学要素和材料表征与材料工艺两个基本的技术要素为基点，将四个基本要素相互联结成材料科学与工程科学与技术合一的知识体系。材料性质是材料科学的本质，由材料的成分、结构、缺陷三要素制约，而材料性能是材料科学的现象，指材料在特定环境下表现的力学性能、物理性能和化学性能等。材料表征是材料性质的微观反映与材料性能的度量，指运用一些物理、化学性质手段对材料的性质反映。材料性能的度量即对材料所表现的力学、物理、化学现象通过相应的力学、物理、化学技术对其进行直接或间接的测量的手段。材料工艺包括材料的合成方法与材料的加工技术，合成方法是指原子、离子、分子根据其自身的特性，及在特定环境下成核、生长而引申的一些制备方法技术，通过控制各种参量得到所需形貌、尺寸具有特定性能的材料。材料的加工技术是指已形成的材料通过各种处理技术，对其功能的优化或其宏观形貌的改变。材料科学与工程中的科学与技术中所包含的四个基本要素之间的相互联系是科技合一教学原理的骨架，它使材料中的科学与技术相互连接融为一体，为材料的存在提供科学依据和技术支撑。

二、材料科学与工程科学类课程

在材料科学与工程科技合一教学的指导下，以材料的性质、性能、表征以及工艺的独立性与关联性为主，将专业基础课、专业核心课、专业方向课紧紧围绕这四个基本要素而形成一体化的课程体系。

（一）专业基础课

为促进学生对专业理论基础核心知识的理解，提高其学习效率，学校设置专业基础课程让学生学习专业人门基础知识。专业基础课程应主要从物理、化学的角度出发，开设与专业核心知识极为相关的基础课程，如物理化学课程和大学物理课程等。学生通过对物理化学课程的学习，掌握了热力学、动力学等知识，能加深对材料性质、工艺等相关联知识的理解。而学生通过对大学物理课程的学习，可以掌握力、热、声、光、电、磁的知识，能加深对材料性能等知识的理解。面对专业基础课程知识点较多的情况，專业课教师对专业基础课程的教学不能完全照搬相应科目所属的知识广度与深度来教学，而应以专业基础核心知识的需求来定所需教学的深度与广度。同时，专业课教师在教学的过程中要穿插一点与之相关联的专业核心知识，便于让学生清楚学习这些基础知识的目的，增强学生学习的积极性和主动性。

（二）专业核心课

专业核心课是材料科学与工程科技合一理论教学中的重中之重，它主要对科技合一教学原理的四个基本要素中的相关知识点进行讲授。例如：材料科学基础课程的教学主要从材料的成分、结构、缺陷等方面对材料的性质进行教学;材料物理性能课程的教学主要以材料的力、热、声、光、电、磁等六个物理现象及现象之间的转换对材料性能进行教学。材料性质和材料性能作为材料科学的两个基本点，它们之间相互影响、相互制约，即材料性质决定材料性能，材料性能反馈材料性质，使材料相应的成分、结构、缺陷展示其相应的力学性能、物理性能、化学性能或反馈出其相应的成分、结构、缺陷。材料分析方法课程的教学主要通过对材料进行分析的仪器原理对材料分析技术进行教学;材料工艺课程的教学主要通过材料工艺原理对材料工艺进行教学。材料表征反映了材料的科学本质，而对材料科学本质的深入探究与完善使材料表征不断优化、完善，出现新的材料技术。材料性能与材料测试技术作为材料科学性能与技术的一个连接桥梁，材料测试手段度量材料科学性能有无、优劣，材料性能决定、改善、优化测试技术方法。材料科学性能与材料工艺同样是材料科学性能与材料技术的另一个重要连接桥梁，材料工艺作用于材料性能，而材料性能反馈、优化材料工艺方法。在教学的过程中不能仅局限于某个点来讲授，还要通过对点与点之间连成线的方式来讲授。如教师讲授材料性能时，要联系到材料的性质解释这一物理现象，否则学生将会对单纯地进行知识点学习感到厌倦，同时还会将后期的综合教学提高一定的难度。

（三）专业方向课

为了让学生形成一个完整的材料科学与工程科技合一的知识理论体系，专业方向课主要对科技合一原理的体系进行教学。材料专业方向课主要对金属材料、无机非金属材料、高分子材料等三大材料和一些特定功能方面的材料从材料科学与技术的角度同时讲解，即形成一个完整的材料科技合一流程。该方面教学要改变传统教学模式，灵活运用问题教学法、案例法、示范法等多种教学方法。同时教师还要采用启发式教学方式，引导学生去探索，通过提出问题引起学生的学习兴趣和好奇心，提升学生独立解决问题的能力。教师也可以积极运用以科学、工程案例分析为背景的理论教学模式，即运用丰富生动的案例讲解科学知识与技术方法，提升学生对材料科技与工程科技合一理论的综合运用能力。教师还可以适当安排自学的学习知识点，加强学生自学能力，减少课堂讲授时数，让学生在自主学习的过程中，不断深化专业体系化知识的认识与理解。

三、材料科学与工程技术类课程

为了加深学生对理论知识的理解，掌握材料的基本技术，学校应紧跟理论教学的开设时间、逻辑顺序，开设起验证型实验、设计型实验、创新型实验等技术类课程。

（一）验证型实验

验证型实验是材料科学与工程专业的基础实验。开设该验证型实验课程的目的是让学生走进实验室，在教师和讲义的指导下，让学生对材料科学与工程科技合一教学理论的四个基本要素中重要知识点进行验证，加深对理论知识的理解。例如：材料科学性质方面基础实验，可通过以积木堆积的方式，堆积体心立方、面心立方、六方密排、氯化钠等晶体结构，验证实际密排面、密排方向、配位数等;材料科学性能方面基础实验，可通过拉伸试验机验证金属材料、陶瓷材料等的拉伸曲线等;材料分析技术方面基础实验，可通过实际操作XRD测量晶體材料，验证布拉格方程等;材料工艺方面基础实验，可通过对金属熔体进行不同速率的冷凝技术，验证冷凝速率对材料结晶的影响等。在该方面的教学中，指导教师应有意识地对这些实验进行深度挖掘，提升该验证性实验的价值，让学生在思想上对专业核心知识进行扩展与深化。

（二）设计型实验

设计型实验是材料科学与工程专业的基础综合实验。该设计型实验应以基础材料的设计为主。学生通过利用所学的理论知识和在验证型实验所掌握的实验仪器操作能力，对所设计的材料进行物相、成型工艺、性能表征、性质表征的设计，并通过实验获取所设计的材料。比如，对基础材料陶瓷的设计，学生通过查阅参考书本或文献得到，所需用的原料及配比来制备釉料和胚体料，根据所要制备样品形貌选择相应成型工艺方法，对制备出的样品根据所要的物理性能选取相应的性能表征，并用所学的知识进行分析。在该方面教学中，指导教师应作为质询者、引导者，对学生的问题进行引导，让学生不断对专业问题更深入思索，不断加深对材料科学与工程科技合一教学理论的理解，同时形成自己的专业思维模式。

（三）创新型实验

创新型实验是材料科学与工程专业的实战教学中必不可少的环节。该创新型实验应以实际问题为导向，学生通过应用所学的知识满足社会需求。高校在材料科学与工程专业方面应实施导师制，学生根据自己实际情况和自身对某方面材料的兴趣，选取相对应材料领域的学术型或就业型的指导教师。指导教师通过引领学生了解学术前沿问题或企业生产前沿问题，并设计一些相关的实验，让学生通过已形成的专业知识体系和查阅相关资料进行设计实验，探究和解决问题。例如：以就业为主的学生，在指导教师的带领下形成自己的工业生产思维，了解工厂生产流程及一些生产中存在的问题，亲身实践，并结合自己已有的专业思维分析问题、查阅资料、解决问题、优化生产工艺流程;以学术为主的学生，在指导教师的带领下形成自己的学术思维，了解当今学术前沿、查阅资料、设计实验、优化实验、探究未知。学生通过该创新型实验实战教学的培养不仅能提早了解社会需求、满足企业对应用型材料人的需求，而且还能为以后的就业提供便利，同时也会在专业综合素质、责任心、创新精神方面起到积极的作用。

本研究从材料科学与工程专业所具有的科学与技术兼备的属性出发，在材料科学方面总结出材料性质与材料性能两大科学范畴，在材料技术方面凝练出材料分析与材料工艺两大技术范畴，以四大范畴为基本点，以其之间的相互作用为支架，形成一套材料科学与工程科技合一教学理论模型。根据该模型的指导，形成了理论教学与实战教学两大教学方式，并紧紧围绕四大基本点的独特性与关联性，根据这两大教学方式分别开设专业基础课、专业核心课、专业方向课和验证型实验课、设计性实验课、创新型实验课。同时，各教学课程根据自己所传授的内容与目的形成各自的、合理的、可实施的教学方法，各教学方法汇集在一起形成一套科技合一的教学体系。

参考文献：

[1]姚熹.试论材料科学与工程的内涵与研究方法[J].西安交通大学学报，1995，（9）.

[2]王章忠，皮锦红，巴志新.材料科学与工程专业应用型人才培养的思考[J].南京工程学院学报（社会科学版），2007，（1）.

[3]周小英.基于社会需求的材料科学与工程专业应用型人才培养的思考[J].中外交流，2015，（12）.

[4]梁冬梅.基于应用型人才培养的校企合作教学团队内涵建设[J].教育与职业，2017，（18）.

[5]闫爱青.山西高校创新型与应用型人才培养模式研究[J].山西高等学校社会科学学报，2010，（12）.