产品导向的应用型高校材料专业工程实训教学模式构建

谢劲松 黄俊俊 赵娣芳 刘建中 董 强

（合肥学院 化学与材料工程系，安徽 合肥 230601）

0 引言

在现代高等教育特别是应用型本科人才培养体系中，学生知识的输入和能力的培养是两个重要的方面。如何构建科学合理的教学体系以培养学生的综合能力，使其成为具有工程应用背景及实践技能的人才是工科高校面临的问题和挑战[1]。教育部提出的“卓越工程师计划”要求工科专业大力培养大学生的工程实践能力、创新精神和创新能力，这已成为知识经济发展的客观要求。尤其在学生能力培养方面，实践教学对培养目标的达成度越来越高，在人才培养中所占的比重也逐年增大[2]。

实践教学是高校根据人才培养目标，组织学生结合专业知识进行基本技能训练、提高动手能力和增强创新精神的各种教学形式的统称和基础。根据学校办学特点和专业培养目标建设实践场地，差异化进行实践教学，有利于应用型人才的培养。工程实训作为大学生在校进行工程基础理论学习、工程实践训练和创新活动的主要教学形式，一般兼有专业的学习、实习和实训三种形式。其目的是提高应用型高校大学生的综合素质和培养学生解决复杂工程问题的能力。目前高校教学改革中大力推行协同育人机制改革工程，强调推进“三跨”人才培养模式，打通一级学科或专业门类下相近学科的基础课程，开展跨学科专业交叉课程，建立跨校、跨院系、跨学科以及跨专业的人才培养新模式。对比这个要求，目前工程实训教学主要存在单一学科开展，以学习型为主，存在题目陈旧、缺乏创新、学生缺乏兴趣和同实际生产脱节等一系列问题，严重制约着“三跨”人才培养模式实施[3-5]。基于此，提出了一种产品导向的材料专业多学科协同工程实训教学模式，这种模式的工程实训不仅有助于落实应用型教学目标，培养学生的实践创新能力，使其成长为行业领域内的创新型高级工程技术人才；也有利于提升应用型高校教师教学和科研水平，增强学校的软实力和竞争力。

1 产品导向的协同工程实训教学的具体实施步骤和内容

安徽某高校粉体与材料科学专业在制定人才培养方案时，打破传统以知识输入为导向的人才培养模式，构建以能力输出为导向的模块化教学模式。加强课程模块化体系的建立，促进知识交叉融合，拓展学生的知识面。在实践教学方面，强调在实践教学中对学生多学科协同能力的培养，开展基于产品导向的材料专业多学科协同工程实训教学。其具体实施步骤如下：以服务区域具体产业为出发点，系统研判相关企业对人才的需求，建立产业对人才需求的协调机制，即通过调研，以目前市场需求的特定性能产品为导向，分解其生产工艺流程，不同学科学生针对工程实训某一工艺环节开展实训，切身体验和掌握产品生产工艺，从而达到多学科协同教学的目标[6]。协同教学模式中将复杂的工程问题分解成若干可组合的模块，有利于加强学生对本专业知识的深入理解，有助于形成共享协作的文化氛围，进一步营造出产教融合的科研氛围，进一步夯实产教融合的人才培养体系，从而推进校企全面深度合作、专业教育教学改革和科研升级[7]。

以安徽某高校粉体与材料科学专业工程实训“3D打印工艺制备尼龙基产品”为例来阐述此种多学科协同的实训教学内容。鉴于目前发展3D打印成型技术涉及到产品设计、粉体制备和机械设计等多学科的交叉，学校成立了以粉体材料科学与工程专业为主体，兼顾艺术设计、计算机科学与技术、机械设计和数学建模等专业的增材制造协同创新中心，进行协同研究工程实训。首先市场营销专业的学生充分调研尼龙基产品的市场需求情况，确定几类具有特定功能的尼龙产品；艺术设计专业的学生在已有产品的基础上设计出新颖结构和性能优异的尼龙产品；计算机科学与技术专业和信息与计算科学专业的学生在此基础上协同建立模型；粉体材料科学与工程专业的学生负责筛选并确立合适的尼龙粉体制备工艺路线，优化出适合3D打印的尼龙粉体工艺参数，从而实现尼龙粉体的规模化制备；高分子加工专业的学生围绕尼龙粉体表面改性、优化尼龙粉体的流动性和成形性开展工作。然后材料成型与控制工程专业的学生通过选择性激光烧结3D打印成型机（SLS）来完成产品成型。最后粉体材料科学与工程和艺术设计专业的学生共同完成产品的后处理等后续工作。工程实训的主要工艺路线和涉及的专业如图1所示。实现多学科协同工程实训关键在于各专业间作好统筹配合和无缝衔接，因此从以下三方面开展工作：第一，各院系部或专业间建立协同对话机制，明确职责，确定专人负责本专业和学科的实训工作，定期开展围绕特定产品工艺流程的多学科教师研讨会，辩证性的完善和健全工程实训的教学大纲，组建团队，共同承担实训课程的教学任务。第二，依托学生社团和第二课堂，开展相关专业学生交流和跨学科的创新创业竞赛活动，培养学生团队合作意识，提升实践教学效果。第三，针对各个专业学生中存在的专业基础差异。在工程实训前期的课程中，重点加强那些基础薄弱学生的专业知识的教学。在工程实训中，将专业成绩好、操作能力强的学生与基础成绩差、操作能力弱的学生组成小组，形成“强-弱”组合，充分利用能力强、基础牢的优生的示范和带动作用来顺利完成工程实训。

图1 3D打印制备尼龙基产品的工艺流程和涉及学科的示意图

2 产品导向的协同工程实训教学效果

产品导向的材料专业多学科协同工程实训教学突出的特点是以培养学生解决实际问题的能力为出发点，以产品为导向，制定具体可行的工艺路线，按照实际生产模式为标准，以完成最终的产品为落脚点，多学科协同教学的教学模式。具有以下优点。

2.1 有利于落实应用型教学目标

应用型本科教学要以体现时代精神和社会发展要求的人才观、质量观和教育观为先导，以在新的高等教育形势下构建满足和适应经济与社会发展需要的新的学科方向，培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质应用型人才。应用型高校教学要研判产业对人才的需求，建立产业需求与人才培养的协调机制。通过积极调研产业变革发展，研判企业人才需求，剖析相关产业对人才需求的知识结构、能力需求、工程实践和素质素养等因素来制定教学目标和教学内容。教学内容应充分考量产业的现实需求，只有这样才能正真做到应用型的教学[8]。基于此，在本科实践教学中引入以产品为导向的工程实训，从而使本科教学紧跟前沿科学技术和产业发展动态。其优点在于培养学生基础专业知识的同时，突出了应用型工科高等院校的办学定位，唤醒学生学习的内驱力，加强学生工程实践能力的培养，使其既具有丰富的理论基础，又具备动手实践能力和应用能力，切实夯实了应用型人才培养质量。真正做到突出理论基础、强化实践技能和培养创新思维的多层次人才培养目标[9]。安徽某高校粉体与材料科学专业在实践教学培养阶段一直采用基于产品导向的多学科协同工程实训教学，学生在校学习期间就接受了大量产品研发、工艺设计和设备选型等方面的实践学习和锻炼，极大地提高了学生的动手和创新能力。毕业后的学生得到用人单位的一致好评。如在浙江一火科技股份有限公司和安徽大地熊新材料股份有限公司工作的学生，由于在校期间接受产品导向的工程实训实践锻炼，熟悉并掌握产品研发的工艺流程和相关设备的操作，工作几年后就从技术研发人被提拔为企业研发主管。

2.2 有助于提升学生的多学科协同能力

在应用型本科院校的教学中，工程实训课程体系以专业方向课为主线，注重实践教学环节，加强理论课中专业技能的专业知识的教育，坚持理论教学与实验、实习和实训紧密结合。在强调培养学生基础宽厚、适用性强的基础上，加强各学科、专业间的横向联系，打通各学科和各专业间的知识壁垒。以课程模块化建设为抓手，拓宽学生的知识视野，促进其知识交叉融合，构建结构化和网络化的知识体系[10]。产品导向的协同工程实训，通过指导学生综合运用多学科知识和各种现有的工具来分析和解决实际工程项目中遇到的问题，发挥个体优势，补足短板，加强其解决实际工程问题的工程实践能力和独立工作能力，促进学生自主学习能力的不断提高[11]。安徽某高校粉体与材料科学专业通过产品导向的工程实训带动作用，组织本专业和其他相关专业的学生积极参与各种类型的第二课堂活动，学生获得了多项国家级和省级的大学生创新创业训练项目和大学生创客实验室建设项目，如国家级的大学生创新创业训练项目“石墨烯基复合粉体可控合成及催化性能研究”和省级“绿色电催化材料创客实验室”等；在“挑战杯”大学生课外学生作品竞赛中也屡获殊荣，相关团队申报的“3D打印金属/复合材料制备”作品获得第七届“挑战杯·中国联通”安徽省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖等。此举既有助本专业学生交叉学科协同能力的培养，也大大提升了学生对专业的认同感和荣誉感。

2.3 有利于拓宽教师教学和科研水平

产品导向的协同工程实训这一实践教学环节会涉及到多个专业，相应地对教师的素质提出了更高的要求。很难想象只具有单一专业知识储备和毫无相关企业实践经验的教师可以完全胜任这项教学工作。因此，工程实训这一教学环节需要不同专业背景和实践经验的教师相互协同配合完成，并且这种深度合作是以产品为导向，突破不同学科之间的专业壁垒，从而促使教师在教学方法运用、教学组织形式、课程内容设计和教学策略运用等多个方面持续改进，不断提高教学团队教学水平，进而协同完成整个实践教学环节[12]。安徽某高校从学校出发，整合学校相关的优势学科，如材料和电子和计算机等建成校级“功能纳米涂料助剂”研发中心。研发中心里的老师利用各自的专业优势，取长补短，协同致力于各种功能纳米涂料助剂的研发，如与德国毕克化学达成多项涂料纳米助剂的研发项目。此举极大地提高了教师的产学研水平。此外，通过实施跨专业协同实践教学，有效达成师资力量的多元优势互补，进而有利于提升地方本科院校办学实力和核心竞争力，有效地推动专业教育教学改革和学校转型升级。

3 开展产品导向协同工程实训的教学建议

当前，应用型高等教育培养学生的能力包括：学习能力、综合分析能力、科学思维能力、规划能力、人际协调能力、创新能力、实践能力、执行能力和专业技能[13]。实行产品导向的工程实训教学，有利于强化学生多学科协同能力的培养。但传统的教学是基于单一教师对单一学科学生进行简单的填鸭式教学，所以基于产品导向的多学科协同工程实训教学在培养学生多学科协同能力具体实施过程面临诸多问题。根据目前基于产品导向的材料类专业多学科协同工程实训的教学现状，对多学科协同教学提出以下建议。

3.1 夯实产品导向的协同工程实训教学内容

在对产品导向的多学科协同工程实训教学模式研究的基础上，本着服务地方社会经济发展为出发点，对学校周边产业需求和毕业生目标就业岗位需求进行充分调研，有效契合学校办学定位和专业特色，确定工程实训的目标产品，提出合适的多学科协同教学内容和方案。在课程方面除了开设传统的专业课外，还要加开针对其它专业学生的辅助性专业课，帮助学生认识产品生产过程中涉及的其它专业性知识，拓宽学生的知识面，激活学生在交叉学科学习过程中的创新潜能。针对“产品导向”固有的缺点：过于集中产品导向，容易导致学生所学的内容过窄，知识面不够宽，对于此产品之外的知识缺乏理解，对学生将来的就业与知识面极其不利。因此，在实施以产品为导向的材料类多学科协同工程实训教学过程中一定要结合本专业定位和专业方向，合理的选择产品的类型，不能过窄也不能过宽。另外在产品设计、工艺流程的设计和优化方面也需与市场紧密结合，不断更新和优化其实验参数和工艺路线。

安徽某高校粉体材料科学与工程专业根据专业的定位和目标，结合相关企业产品，积极拓展工程实训的产品类型和优化相关的工艺流程。目前工程实训产品如表1所示，涉及到常见的3D打印用常见的聚合物粉-尼龙粉体和无机矿物粉-碳酸钙粉体，以及在此基础衍生出尼龙基和碳酸钙基复合粉体，此类产品都具有广阔的应用领域和销售市场。这种以产品为导向的材料类专业多学科协同工程实训，极大的调动了学生学习的主动性，培养了他们的创新能力。另外也有助于不同专业教师间的教学交流以及教师和企业之间的产学研合作。

表1 安徽某高校粉体材料科学专业工程实训产品一览表

3.2 构建多学科协同教学工程实训平台

在调研学校相关专业工程实训教学方案和内容的基础上，分级建设多学科协同教学的校级和院级工程实训平台。其目的是有效整合以前零散的教学资源，为教师和学生协同“教与学”搭建更合适的实践教学平台。以产品工序为单位，建立可组装的模块式的实训基地，引进企业的6S管理标准，以企业的标准要求教师和学生。实训平台建设可从以下三个方面考虑：一是明确产品导向的多学科协同教学工程实训平台的建设原则。该平台以实现各种功能化的产品为目标，以材料专业学生为主体，能够满足不同专业和不同层次学生的工程实训教学要求。实训平台产品的生产设备和工艺流程，应紧跟国内和国际企业生产实际，使得学生真正意义上了解并掌握具体工艺路线，进而培养更多的具有工程实践和创新能力的优秀工科人才，进一步提升实践教学质量[14]。二是优化实训平台的师资队伍。建立合理灵活的教师聘任制度，优化平台里教师队伍的专业结构和职称结构，开展多种形式的企业培训和挂职锻炼，培养有经验的“双师”和“双能”型的实训指导教师。建立科学合理的教师评价和奖励机制，使得为实训平台贡献大的教师得到更大的回报，充分调动他们的积极性和主动性[15]。三是制定合理可行的实训平台实践教学体系。基于粉体材料产品设计和生产过程，以目标粉体产品为教学对象，按照粉体制备、粉体分级、粉体改性、粉体成型和粉体产品后处理等各个工序逐步实施，通过完成典型粉体产品从设计、生产和销售等全过程的实训，使学生理解理论知识在各环节中的应用，提高其动手和项目操作的能力。基于此，安徽某高校粉体材料科学专业建立了校级“功能纳米涂料助剂研发”和院级“增材制造与粉体技术”两个工程实训中心，极大地满足了艺术设计、粉体材料科学与工程、计算机科学与技术和机械设计等专业学生工程实训的需求。

此外多专业协同教学的工程实训平台还可以利用校企、校地共建实训基地，依托校企和校地合作协同教学，共建协同育人的人才培养方案。在专业实践课程的教学中，与企业建立合作联盟，聘请有经验的企业工程师在实践教学中担当企业导师，携手校内教师共同指导学生完成工程实训，打造一支校内与校外的“双导师”实践教学队伍，切实保障工程实训实践教学质量。通过上述措施可以建立学校与企业的资源共享与互动，真正做到实训平台就是生产基地，以企业的现实需求作为学生的培养标准[15-16]。这样能有效化解学生的知识结构与企业需求的矛盾，使得学生做到学以致用，并且企业和毕业生双向收益，切实做到为各行业输送更多合格的应用型人才。

4 结语

当前，随着新工科建设和高水平双一流大学建设的深入推进，高校特别是地方应用型高校对学生多学科协同能力培养提出了更高的要求。在实践教学中，工程实训是要实现专业知识的学习要适应工程实践的要求为目标，为毕业生进入企业打好基础。结合应用型高校工程实训中工程实践能力培养存在的问题，探究一种基于产品导向的多学科协同工程实训教学模式，即本着服务区域产业的出发点，通过调研，以某种产品为研究对象，分解其生产工艺，不同专业工程实训针对某一环节开展。以安徽某学院粉体与材料科学专业的工程实训为例，着重阐述了此种工程实训的实施步骤和内容。采用此种实践教学模式，有利于提高教师教学与科研水平、提升学生多学科协同能力和落实应用型教学目标。最后从构建基于多专业协同教学的工程实训平台和协同教学内容开发两方面解决这一教学模式变化带来的矛盾。总之，产品导向的多专业协同工程实训教学可解决目前工程实训题目陈旧、缺乏创新、学生缺乏兴趣和同实际生产脱节的等诸多问题，进一步融合各专业的专业知识从而形成解决复杂工程问题的合力来解决具体产品生产工艺各环节中遇到的难题，有利于学生多学科协同能力培养，从而提高应用型高校人才培养的质量。