“新工科”背景下材料专业实践教学体系探索

委福祥, 王延庆, 刘洪涛, 吉 喆

(中国矿业大学 材料科学与工程学院,江苏 徐州 221116)

0 引 言

当前，全球范围内正经历新一轮科技和产业革命,综合国力竞争愈加激烈。为适应当前的科学和技术革命,我国实施了“创新驱动发展”“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等一系列重大战略计划，新型行业和产业不断涌现并得以蓬勃发展。经济和产业形势的变化，对工程和科技人才提出了新的和更高的要求。要求科技和工程技术人员具备宽广的基础知识、更高的创新能力、具备综合实践和解决复杂工程问题的能力。经济和产业格局的变化，给高校的人才培养和教育提出了新的要求。2017年初，在复旦大学召开了我国高等工程教育战略研讨会，相关专家学者就新时期如何培养适应时代发展要求的工程技术人才展开了热烈的讨论，并达成了相关共识，“新工科”建设真正提上了历史的日程。

随着经济和社会发展，世界各国在科技和工业领域的竞争日趋激烈，社会普遍需要创新意识强，实践能力卓越的复合型工程人才。而实践环节的教学正是培养学生创新精神和工程实践能力的主要渠道。“新工科”作为一种崭新的教育理念，它的出现赋予了实践环节新的历史使命。传统的实践环节教学模式已经不能适应当前工程教育发展的要求[1]。可见，为适应“新工科”发展的要求，必须对工程类专业的实践环节进行系统的改革和完善[2]。

1 “新工科”对材料专业实践教学改革的意义

明确“新工科”对材料类专业学生知识和能力的基本要求，将“新工科”理念融入实践教学改革，发挥实践环节教学的主导作用，培养出符合时代要求的材料工程技术人才[3]。

1.1 材料专业实践环节教学的基本要求

“新工科”是为响应当前的产业和技术革命，提出的一种全新的教育理念，对工程教育的理念、要求及建设途径等都做了新的诠释。由此可见，当今的材料类专业人才不但要有扎实的基础知识，更重要的是要具备工程实践能力。材料类专业的实践环节必须依据“新工科”发展的规律，构建“战略型、创新性、系统化、开放式”的实践教学体系。新理念、新要求以及新途径是“新工科”的建设内涵，也是材料类专业实践环节改革和建设的指导方针[4]。

1.2 材料专业实践教学现状及存在的问题

国内高校的材料类专业大都起源于原来的金属材料及成形专业，受传统因素和实际条件的限制，实践环节的教学也很大程度上局限于原来的金属材料和加工成形方向。目前，伴随着产业和技术发展，一些新型学科方向，如新能源、光电等行业的发展突飞猛进，对进入该行业的人才也提出了更高的要求。许多高校为适应科技和产业发展的需要，对材料类专业进行了改制和调整，瞄准现代科技与产业发展的热点，增设了新能源和光电材料等新型方向，但绝大部分高校材料专业实践环节的设置，如内容设计、教学方法等还基本沿用传统的方式，不能适应“新工科”发展的要求[5-6]。

(1) 实践环节内容设计不科学，缺乏工程背景。受传统观念的影响，在制订材料类专业培养方案的过程中，实践环节教学的重要性没有得到足够的重视，普遍存在“重知识传授、轻能力培养”的现象。大部分实践环节的安排只是为理论教学服务，没有把实践环节的教学放到应有的位置，这和“新工科”凸现工程实践能力培养的要求相去甚远。实践环节教学内容单一，缺乏系统性、创新性的实践内容。如很多学校在实验课内容设置上大部分是和理论课程知识点对应的验证性实验，这些实验内容只是帮助同学们理解一些重要的知识点，不能有效培养同学的创新意识和工程实践能力[7]。实践环节内容安排上缺乏必要的工程和应用背景，不利于培养同学们的工程实践能力，实践内容落后于科技和技术发展，没有和材料学科发展与应用热点联系起来[8]。

(2) 教学方法落后，不符合“新工科”发展要求。实验课程的教学大都采用“灌输式”的教学模式，通常采用教师讲解和示范后，学生模仿或重复的方式进行，缺乏学生自行设计，分析问题和解决问题的训练环节。虚拟现实技术、网络技术、模拟和仿真等先进技术手段没能在实践环节的教学中得到足够的重视和推广使用。在实习教学上，以“走马观花”式的参观为主，学生并没有真正了解产品的生产工艺流程、特点及设备等基本的要素。在创新型实践环节，一般老师都会提供现成的方案，大部分同学只是充当实验操作人员的角色。传统的教学方式不利于培养学生的创新和实践能力，也不利于工程意识和素养的形成[9]。

(3) 实践教学支撑体系建设不完善。完善的校外实践教学基地的建设和科学的管理体制，是保证学生直接接触工程实际，培养和提升创新意识和工程实践能力的必要条件。但目前，很多企业考虑到安全等因素，不愿意接纳学生到现场开展实践学习，实践基地的建设好多只是依靠教师的私人关系来维系。导致高校与实践教学基地的合作不稳定，合作层次低，学生实践教学模式单一，不利于学生接触真实的工程环境，提升工程实践和创新能力[10]。另外，高校校外实践教学基地建设面临管理体制不健全和难于管理的难题，所以容易造成个别教师避重就轻、压缩实习时间、降低实习难度的现象发生。

材料类专业校内实践教学各个环节基本上都是依托于课程教学进行设置的。相应地，原来的校内实践环节的教学建设和改革大都是为课程教学服务的，而综合性、创新性的实践环节教学则面临设备短缺、原始素材缺乏、管理和评价机制不健全等一系列的问题。

2 “新工科”背景下材料专业创新型实践教学体系探索

2.1 基于“新工科”的创新型实践教学体系构建

“新工科”的建设赋予教育机构新的历史使命。为此，高等工程教育机构要积极行动起来，开展全方位的教育教学改革和探索，以适应“新工科”发展的需要[11]。而实践环节在材料类专业培养体系中占有举足轻重的位置，为响应“新工科”建设和发展的要求，必须依据材料学科的专业特色，构建“战略型、创新性、系统化、开放式”的实践环节教学体系。

我校材料科学与工程学院根据材料类学科的特点，通过长期的教学实践和探索，同时在借鉴兄弟院校经验的基础上，构建了如图1所示的“全方位，立体式”的实践教学体系。

我校材料科学与工程学院始终把实践教学放在教学工作的突出位置，材料类专业依据“新工科”发展的需要，构建了完善的实践教学体系,该体系共有4个模块构成:①学科基础实践体系模块，主要包括物理与化学、数学与计算机、电工与电子技术、工程图学等方面的实验与实训环节的教学。该模块的设置旨在培养学生扎实的基础技能，为后续的学习打下坚实的基础；②学科专业实践体系模块，主要包括机械与模具设计、材料科学基础、材料加工成形等方面的实验、设计与实训环节的教学。该模块的内容设计时着重考虑其工程背景，强调学生工程意识和素养的塑造和养成，旨在培养学生坚实的专业实践能力；③实训实践体系模块，主要由校内实训和校企联合实训环节构成。该模块可提供真实的工程实践环境，使学生得到真实的工程体验，培养学生的创新意识和实践能力；④创新创业实践教学体系模块，主要包括创新实践班、创新实验及训练、大学生创业示范与训练等实践环节构成，该模块旨在培养学生具备优异的创新创业素养。通过构建“多层次，全方位”的实践教学体系，拓宽学生的知识面，培养学生对跨学科知识的自主学习能力，提高学生的创新意识和工程实践能力。

图1 基于“新工科”的材料专业实践教学体系

2.2 确立实践教学标准

目前，我国的高等工程教学尚处于“大而不强”的状态，为扭转这种局面，实现我国工程教育由“大国”向“强国”的转变，首要的，必须积极开展相关学科工程教学质量标准的探索和研究，建立科学合理的人才培养和教育质量评价体系。在确定材料类专业实践环节教学标准时，要关注相关领域内前沿科技进展。如和材料直接相关的新能源技术、石墨烯技术、材料基因工程等；再如商用太阳能飞机、智能制造、航空航天技术，工业4.0战略等。这些行业的发展都是以新型和高性能材料的出现和应用作为前提的。在制订材料专业实践环节培养质量标准时，一定要和这些前沿科学和技术结合起来。要进一步完善具有中国特色、与国际前沿同步发展的材料类专业实践环节教育培养标准[12]。

2.3 设计实践教学内容

在实践教学中，需加强实践与工程实际的联系，在实践教学过程中要引入典型的与教学内容相关的工程实例。在实践环节的教学中，要以“新工科”的要求为契机，紧密结合工程实际，培养符合时代要求的新型工程技术人才。在实践环节的教学中，也不能忽视科学素养的培养。要积极引导学生运用所学的基础理论知识分析和解决实际工程问题。学生通过实践对课堂所学的理论基础知识进行验证，加强了对理论基础和专业知识的理解与消化。在实践教学过程中需要学生自查资料、自行设计，锻炼学生独立探索的能力。以具体工程项目为原型对实践教学内容进行总体设计，克服传统实验教学内容在学生做完一项课程实践后无法体会实践与工程实际之间的联系，以及会做教学实践而不会做实际工程项目的弊端。通过优化实践环节的内容，强化学生的工程意识，培养学生的工程素质[13]。如我校材料科学与工程专业，为适应“新工科”发展的要求，在新的培养方案修订时，进一步强化了实践环节的教学，按照5个专业方向制定实践环节的要求，每个方向都对应相应的专业实践环节。专业实践环节对应有相应的实验课程和课程设计。专业实践环节内容设置时完全摒弃了原来简单重复或验证性质的内容，专业实践环节的内容全部来源于工程实际，并以学科前沿、产业和技术最新发展推动教学内容更新。例如连接成形课组的“焊接课程设计”,该课程设计的专题全部来源于徐州工程机械集团有限公司、郑州煤矿机械集团股份有限公司、卡特彼勒公司等实际生产中遇到的实际问题，通过组织企业专家论证后凝练而成的。

2.4 创新教学方法

实践环节教学是衔接理论与实际应用的桥梁。实践环节的教学要摒弃原来“灌输式”的教学模式，必须根据材料学科的专业特色及学生的实际情况调整相应的教学方法。积极推进以学生为中心的教学理念。例如，材料类专业的毕业实习原来一直是按照指导老师组织集体参观的方式进行，学生普遍反映实习效果不佳，不能很好地提升学生的综合实践和解决复杂工程问题的能力[14]。在新的培养方案修订时，为了响应“新工科”的要求，要求所有的学生以2或3人为一组，按照学生的特长和兴趣分配到具体的研发，设计或工艺部门，选择现场的实际问题作为选题，并利用实习单位的条件完成整个实习课题的研修。通过改革教学方式，学生的积极性得到了大幅提升，由于同学们在真实的研发或工程环境中得到了系统的训练，适应能力、创新意识较强，受到了用人单位的好评，其中有不少同学在实习期间表现优异，毕业后直接在实习单位就业。

3 建立健全实践教学保障体系

材料类专业涉及的范围较广，实践环节教学开展对场地、设备及管理有很高的要求，必须具备相应的软硬件条件，才能保障实践环节教学顺利开展。

3.1 加强校内外实践教学基地建设

首先，应建立适应“新工科”要求的校内实践教学平台，主要包括基础实验教学中心、专业实验室、创新训练中心、工程训练中心等。另外，根据材料学科的特点，应构建材料设计及虚拟仿真教学平台。例如，我校材料学科按照新修订的培养方案，组建了完善的专业教学实验室和创新实践实验室，并搭建了专门的材料成形模拟与仿真实践教学平台。

同时，学校要积极和相关的企事业单位共建实习、实训基地。充分发挥高校的技术优势和企业的资源优势，构建产学研紧密合作的机制。在开展实践环节教学时，可聘请基地的管理人员、工程技术人员参与指导和管理，强化过程管理，使学生短期内可接触到核心技术；另一方面高校要发挥自身的专业优势，帮助校外实践单位开展科技培训、合作开发和人才培养等方面的工作，真正达到互惠共赢的目的[15]。

3.2 加强实践教学队伍建设

全面提高教师素质，适应新的实践教学体系要求，鼓励创新能力和工程实践能力强的老师承担实践环节的教学和指导工作。聘请企业的专家到高校担任实践环节的指导老师，由于聘请的企业专家工程实践能力强，接触的是现场的实际产品，可以避免实践教学脱离生产实际的弊端[16]。积极鼓励实践环节指导老师通过挂职、出国交流、产学研合作等方式提升自身的综合素质。

3.3 加强实践教学考评机制建设

考核与评价是实践环节教学效果的重要保障措施，科学合理的考评机制能有效促进实践教学的顺利开展。通过考核，一方面能够反映课程的教学水平及评定学生的综合实验能力，另一方面可以督促学生重视实验课程的学习和实践训练，激发学生参与实践环节学习的主动性和积极性。我院拟打破实验、实践成绩仍以报告和平时成绩来评定成绩的考核制度，对于实验教学拟采取独立考核的形式，成绩由理论考试、平时操作、期末随机操作3部分组成；对于毕业设计的考核，侧重点由原来的报告考核(论文、说明书和图纸)改为过程监控、现场答辩、报告、作品等4部分综合考核和评价；对于各类实习考核，考核方式由原来的报告考核改为实习报告、工厂评价、指导教师评价、自评和他评等5部分组成。

4 结 语

实践教学是培养学生创新能力和解决复杂工程问题能力的最重要的环节，“新工科”给实践环节的教学提出了更高的要求。高校应结合“新工科”的特点、宗旨，不断探讨材料类专业人才培养新模式。只有让学生多进实验室和企业，增强工程意识，才能使学生的工程创新能力得到有效的培养与发展，培养出符合时代需求的材料类专业工程技术人才。