校企合作模式下金属材料工程专业“工程范式”实践教学改革探索

范永哲，武建军，李世杰，马瑞娜，杜 安，赵 雪，何 珺

（河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300401）

当前，世界正处在新一轮科技革命和产业变革加速进行时期，我国经济发展也正处于结构调整和转型升级阶段。国外高等教育从注重技术应用的“技术范式”转换为注重科学研究的“科学范式”，现又转换成为注重实践的“工程范式”[1]。在这种产业变革和教育变革的大背景下，2017年教育部提出了将“新工科”建设作为新时期国家推进高等教育改革的新战略，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界整合能力，以满足新技术、新业态、新产业为特点的新经济发展需求。这些能力的培养和夯实都与高校实践教学环节息息相关[2]。

河北工业大学金属材料工程专业的培养目标是立足京津冀、面向全国，培养具有一定的人文社会科学素养、深厚的自然科学基础，掌握材料科学基本理论和材料研究与测试的基本方法，掌握金属材料的制备、加工与产品质量分析等工程方面的基础知识和基本技能，具备较强工程意识、工程设计与实践能力高素质专门人才。该专业是一个实践性很强的本科专业。学生的工程能力、创新思维能力是他们毕业以后能够独立完成某项工程任务的重要保障。本文针对河北工业大学金属材料工程专业实践教学中存在的问题，结合“工程范式”教学目标，探索了本专业实践教学改革方法。

1 实践教学存在的不足

1.1 实践教学内容不完善，缺少综合性实验和课程设计

我校金属材料工程专业实践教学包括工程训练、机械设计、专业课实验教学、认识实习、生产实习与毕业论文（设计）等。目前，实验教学大多数是设置在专业课教学中在实验室完成，实习是学生参与企业生产的一种实践教学形式；毕业论文是学生参与教师的科研项目，独立完成实验及撰写论文。

我校金属材料工程专业实验教学主要是指材料科学基础、相变原理及工艺、现代材料分析方法、金属材料学、材料力学性能、材料物理性能等相关专业课里设置的实验，例如《铁碳合金平衡组织观察》、《钢的热处理组织观察》等。通过这些课程实验，学生们学会了利用显微镜识别金属材料的微观组织，掌握了一些材料性能测试方法等。但是，专业课实验教学内容依附于各自的专业课教学大纲，实验课形式以验证型实验为主，形式单一，缺少设计性、综合性实验。因此，实践教学内容中缺少将这些专业实验课串联起来，培养学生解决实际金属材料工程问题综合能力的实践教学环节。实践教学内容中缺少综合型实验及课程设计内容。因为综合性实验及课程设计是针对金属材料实际工程问题，培养学生利用所学金属材料理论知识，分析工程问题、解决工程问题能力的重要途径。

我校金属材料工程专业下设金属材料方向、钢铁冶金方向和复合材料方向，大多数毕业生从事与本专业三个方向相关的工作。由于目前三个方向的实验课程教学缺少综合型及交叉学科的相关实验教学内容，影响了学生在相关专业的工作岗位上的实际操作技能。调查研究表明大多数学生认为大学实践教学应该涉及到交叉学科内容。如果实践教学的内容不完善，将影响学生在相关专业领域的就业前景，从而降低就业率。

1.2 实践教学质量不高，学生缺乏积极性、主动性

金属材料工程专业实验教学中，简单的验证性实验教学内容缺乏新意和创意，缺乏对学生综合能力的训练，忽略了与实际生产中工程问题的联系。学生只需按照实验指导书中规定的实验步骤进行操作、观察和记录实验结果。学生在整个实验过程主要是被动参与，缺少主动思考和分析[3]。对于这种验证性的实验，学生会缺乏积极性和主动性，他们的创新思维能力得不到锻炼，实验教学质量有待提高。

金属材料工程专业实习环节中，认识实习安排在第四学期专业课开始前进行，生产实习安排在第六学期专业课结束后进行。无论认识实习还是生产实习，实习企业主要涉及钢铁冶金、金属制品、热处理等企业。这些企业基于安全、效益、保密等方面考虑，不允许学生参与实际操作，学生只能参观简单的操作流程，不能了解生产内容的实际工艺及相关参数。大多数情况下，学生对实习的感觉就是走马观花。因此，到企业中参加实习，学生得不到参与及动手操作的机会，无法锻炼解决实际工程问题的能力，缺乏对今后就业岗位上所需能力的培养。学生对实习环节同样缺乏积极性、主动性。

1.3 实践教学队伍素质有待提高，缺乏培训、考核和奖励制度

专职的实践教师队伍不稳定，实践教学老师少。有解决工程问题经验和能力的教师都身兼繁重的教学和科研工作，没有时间和精力去专注实践教学创新。青年教师基本都是出校门又入校门，直接从学生到老师，缺乏在生产和研发第一线的锻炼，缺少解决工程问题的实践经验。同时，学校也缺乏针对青年教师实践教学能力的岗前培训制度，致使青年教师几乎不具备实践教学能力。

1.4 实践教学硬件条件有待改善，缺少系统建设

实践教学中的实验教学是培养学生动手能力的教学环境，是实践与理论相联系的教学环节。实践教学需要有一定的场地和设备支持。随着学生人数的增加，对设备及老师提出新的挑战。实践教学资金投入不够，缺乏必要的教学仪器和设备，学生实验就需要分批次进行。如果批次人数太多，达不到预期的实践效果；批次人数减少，大大增加了教师的工作量。现有的实验室仪器设备缺乏统一的调配和管理，资源利用率低。

实践教学中的进厂实习是学生接收实践教学的重要环节。缺乏深度的校企合作模式，缺少稳定的实习基地建设。本专业实习对口的钢铁冶金企业、金属制品企业由于生产任务紧，厂内的高温设备、重型设备、旋转设备较多，企业考虑生产效益和学生在厂内的安全，不愿意接受学生进厂实习。即使企业同意进厂实习，学生也是走马观花式的参观实习，形式单一，实习教学效果差。

实践教学中的毕业论文（设计）过程，同样因为公共平台实验设备尤其是检测设备台套数不足，学生需要排队等候实验。由于时间限制，学生不能正确分析实验数据的合理性和重现性，影响毕业论文中实验结果分析部分的质量，从而影响毕业论文的总体质量。

2 实践教学改革措施

2.1 完善实践教学体系，增设综合性和设计性环节

完善的实践教学体系及教学内容有利于全面培养学生针对工程问题的创新性思维能力、分析问题和解决问题的能力。研究表明高等院校课程实验教学内容应包括验证型实验、综合型实验及设计型实验[4]。验证型实验是学生通过实验验证教科书上的某种理论，学生的实验结果只要与教材中的结果一致即可。综合型实验和设计型实验是学生从解决某个实际工程问题出发，依据所学的理论知识，设计实验方案，利用实验室仪器设备进行实验，分析实验结果，培养学生分析工程问题和解决工程问题的综合能力。

我校金属材料工程专业从2016级开始，针对金属材料方向、钢铁冶金方向、复合材料方向增加了金属材料综合实验、钢铁冶金综合实验和复合材料综合实验。综合性实验课程的培养目标是使学生能够综合运用本专业工程基础知识和专业知识，对金属材料的选择或设计、加工工艺与参数、检测等技术问题进行方案设计，并能够将创新方法与工具应用于技术问题解决方案的确定；使学生能够基于科学原理并采用科学方法，针对金属材料相关领域复杂工程问题制定实验方案并进行实验；使学生能够了解多学科技术背景和技术特点，能够在多学科背景下的团队中承担团队成员以及团队负责人角色，能够按照需求承担相应任务。

金属材料综合实验的课程目标是：通过对选择材料进行不同的热处理，然后对不同热处理的组织结构进行分析观察，并对其硬度进行检测，使学生综合了解材料成分-工艺-组织-性能之间的关系，指导学生从微观本质去认识材料，并使学生掌握相关设备与热处理工艺的操作技能，全面培养学生综合运用专业知识的能力、动手能力、分析和解决问题的能力，从事材料研究与开发的能力以及创新精神。

钢铁冶金综合实验的课程目标是：使学生在钢铁材料的成份设计、感应炉炼钢、淬透性测定、产品性能测定过程的基本训练。针对金属材料复杂工程问题，能够制定合理解决方案，并进行金属材料的显微组织和性能的实验验证，分析与解释数据，能够进行综合理论分析、文献研究和实验数据，得到合理有效的结论。从而使学生获得综合运用理论和技术手段进行金属材料设计、开发与研究的能力。

复合材料综合实验的课程目标是：通过制备多孔金属支架、聚合物/多孔金属复合支架以及对多孔金属支架和复合支架显微组织观察和性能测定，使学生掌握多孔金属支架和新型复合支架材料的制备工艺，熟悉多孔金属和复合支架的显微组织，明确孔隙率对复合支架性能的影响规律。通过本实验，还要使学生掌握相关设备的操作技能，全面培养学生综合运用专业知识的能力、动手能力、分析和解决问题的能力，从事材料研究与开发的能力以及创新精神。

实践教学体系中增加金属材料课程设计，旨在通过一个典型零部件金属材料成分选择或设计、热处理工艺设计、生产流程设计的过程训练，加强学生对整个设计过程及各阶段所需知识的理解和认识，使学生熟悉材料和工艺设计的一般过程和要求；培养学生利用各种技术资料、综合运用所学专业课程的理论知识和基本技能独立完成一般材料及工艺设计的能力。围绕材料组织－性能－制备三者之间的关系，着重突出材料设计方法及理论的系统性应用；培养学生的工程意识和分析、解决实际问题的能力，为后续课程以及今后从事相关工作奠定设计知识和能力的基础。

2.2 加强校企合作，丰富实践教学形式

以现有专业课程实验内容为基础，结合产业需求更新和提高实验室教学创新实践功能。例如在钢铁冶金方向的专业课程实验中，为了使学生了解钢铁冶金产品在冶金企业中常用的热处理方法、高倍缺陷分析、低倍缺陷分析和力学性能测试方法，根据冶金企业对不同类型钢材现用的分析、测试方法调整实验内容，提高钢铁冶金方向的实验教学质量。

生产实习是工科院校大学生实践课的重要组成部分，是提高学生实践能力的有效途径之一。通过生产实习，不仅可以提高学生分析问题与解决问题的能力，加深对所学专业知识的理解，而且还为学生毕业后快速适应工作岗位的要求积累初步经验[5-7]。我校金属材料工程专业本科生实习环节采用校企合作模式联合建立行业内的工程技术中心、产业技术研究院、重点实验室等平台。以此为依托，高校的专业教师可参与到企业的技术攻关、新产品开发过程中，既为企业提供技术支持，又将高校的技术进行转化，同时提高校企双方参与的积极性。高校利用企业先进的生产装备、多样化的产品工艺和成熟的生产经验培养适应新经济形式下的工程技术人才。通过校企双赢的合作模式，实现稳定高水平的校外实习实践基地建设。

我校与天津君诚管道实业有限公司签订了校企战略合作协议，联合申请了天津市环保管道涂镀工程技术中心，建立了金属材料工程专业实践教学基地。君诚公司与我校签订了5项横向技术委托开发合同，金属材料专业的专业教师帮助企业解决实际工程技术难题。专业教师将这些企业工程问题引入本科生实践教学的毕业论文（设计）环节中，锻炼了学生运用综合知识解决复杂工程技术问题的能力，为学生毕业后进入企业工作打下了良好的基础，实现了高校人才培养与企业人才需求的无缝对接。专业教师在参与企业横向课题研究的同时，培养了自身的针对工程问题的分析能力和解决能力，提高了自身的实践教学水平。这样的校企合作形式促进了我校金属材料工程专业的实践教学师资队伍建设。君诚公司借助我校金属材料的科研力量解决了多项企业技术难题，在校企合作的实践教学活动中也向师生宣传了企业文化和企业实力，扩大了企业影响力，因此，君诚公司对我校的金属材料工程专业实习教学和校外实习基地建设积极性大大提高，给与了大量人力和物力的支持。

我校与天津市热处理研究所有限公司建立了长期稳定的校企合作关系。尤其是在金属材料工程专业“卓越工程师教育培养计划”人才培养中，热处理研究所的工程师讲授金属材料工程卓越工程师班的热处理工艺实习与设计和热工仪表与设备课程设计两门实践性课程，课堂教学结合现场讲授企业生产中采用的热处理工艺，如真空淬火、调质、渗碳、渗氮等的设计规范，及实现这些工艺的热工仪表和设备的原理和设计规范。这种校企合作的教学模式充分利用了企业生产中的实践经验，将工程案例引入实践教学中，培养了学生依据专业理论知识分析、解决实际工程问题的能力，实现了“工程范式”的实践教学。

2.3 建立实践教学综合考评和反馈机制

传统的评价体系主要考评学生在实践教学中的学习效果，缺乏对学生人才素质和工程素养的考核，不能满足新工科建设中培养大学生创新精神和跨界整合能力的要求。采用专业技能与专业素质并重的评价体系，除考评个人能力外，还考评学生的团队合作能力、沟通能力和创新能力。考评方式从教师单方评价转为企业导师参与评价、学生互评相结合的评价方式，变单方考评为综合考评。企业导师参与考评可更好地加强企业在实践教学中的参与性，能够更有效、更有针对性地对企业实习环节进行改进，获得更加理想的实践教学效果。完善合理的实践教学综合考评和反馈机制也有利于提高学生的积极性和主动性。

2.4 增加设备投入，细化实验室管理制度

由于实践教学课时量增加，形式多样化，实践教学需要大量的金属材料工程专业设备作为硬件支撑。学院教学中心的平台设备基本能满足专业基础课如材料科学基础、相变原理、金属材料学的随堂实验。对于新增的综合实验、课程设计这些实践环节中所需的设计性、综合性实验设备，要增加设备投入、提高台套数量，从而满足设计性、综合性实践教学需求。

细化实验室管理制度，实行实验设备网上预约制度，实现实验室设备全天候对学生开放，既提高了设备利用率，又满足学生进行设计性、综合性实验的灵活性需求。采用校企合作模式，充分利用企业研发、测试平台和设备，满足学校实践教学需求。例如金属材料工程专业卓越工程师班的热处理工艺实习与设计和热工仪表与设备两门实践课程，就是利用天津市热处理研究所有限公司的设备完成的教学内容。

3 结语

我校金属材料与工程专业采取的校企合作模式的“工程范式”实践教学改革取得了显著成效。通过采取完善实践教学体系，丰富实践教学形式，建立实践教学综合考评和反馈机制等措施，使学生能够综合运用本专业工程基础知识和专业知识，对金属材料的选择或设计、加工工艺与参数、检测等工程问题进行技术分析、技术论证和方案确定，实现金属材料工程专业的“工程范式”实践教学，使该专业学生具备解决实际工程问题的能力，具备创新、创业能力和跨界整合能力，满足我国“新工科”建设的战略要求。