新工科背景下光电材料与器件实验课程体系的创新与重构

祁亚军 江娟 张蕾

[摘 要] 实验课程教学是培养创新型卓越工程人才的重要手段。新工科人才培养需求和以工程认证为抓手的新工科专业建设对实验课程体系提出了新的要求。以湖北大学材料科学与工程专业为例，以工程教育认证的核心理念为导向，探讨了光电材料与器件专业方向实验课程体系建设的思路和方法，构建了分层次多模块的实验课程体系，并充分发挥信息技术优势，引入“虚实互补”实验体系平台;强化科教协同、产教融合，提升学生实践创新能力，以期建立目标导向的人才培养模式，促进学科发展和专业建设。

[关键词] 新工科;实验课程体系;虚实互补;科教融合

[基金项目] 2021年度教育部第一批协同育人项目“材料科学与工程专业学生工程实践能力提升与探索”（202101346002）

[作者简介] 祁亚军（1980—），男，湖北咸宁人，工学博士，湖北大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事铁电多铁性材料与器件研究;江 娟（1980—），女，湖北十堰人，工学博士，湖北大学材料科学与工程学院副教授，主要从事微波介质材料与器件研究;张 蕾（1981—），女，湖北枣阳人，工学博士，湖北大学材料科学与工程学院副教授，主要从事二维光电材料与器件研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）15-0021-04 [收稿日期] 2021-09-02

一、研究背景

随着全球经济转型和产业组织方式的转变，应对新时代技术革命，培养创新型卓越工程技术人才，是新时代高等院校工程教育改革的迫切要求。2017年2月以来，教育部先后召开新工科研讨会，分别形成的“复旦共识”“天大行动”“北京指南”标志着以新工科建设为主题的高等工程教育改革进入一个新的阶段[1，2]。坚持立德树人，以应对变化塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化创新型卓越工程人才，是新工科人才培养的新内涵[1-3]。新工科建设是以创新型、综合化、全周期、开放式工程人才培养为理念，全面践行“以学生為中心、产出导向教育（Outcome-Based Education， OBE）”的质量理念，因此，以成果导向的工程教育认证成为实践教学体系改革的重要抓手，在教师中深入贯彻OBE理念，重构实践课程体系，有助于推动工程技术人才培养质量的提升。

不同类型不同层次高校新工科建设的实践与探索各具特色。湖北大学材料科学与工程专业是湖北省一流专业建设点，以光电材料与器件为专业方向特色。新工科形势下，材料科学与工程专业立足湖北、面向中南、辐射全国，培养具有扎实自然科学、人文和社会科学基础，掌握光电功能材料领域的科学原理和工程应用的基本理论，具备研究、分析和解决光电功能材料合成与制备、设计与开发能力，具有创新意识和解决复杂工程问题能力的高素质卓越工程应用型人才。材料科学与工程专业具有很强的实践性，实验课程在培养学生的实践能力和创新能力、综合运用所学知识分析和解决复杂工程问题的能力上，特别是在培养学生探索材料构效关系、开发新材料和解决材料实际工程问题的综合素质和能力方面，发挥着举足轻重的作用。改革实验教学首先要认识到实验教学在工程能力培养中的双重功能，其既用以巩固验证理论知识，又具有培养学生解决复杂工程问题的勇气、方法、创新能力和其他综合素质的功能。目前，材料科学与工程专业实验课程体系存在实验教学体系单一、教学手段落后、教学内容陈旧等问题，难以激发学生深入学习的兴趣，亟待改革创新。

本文以湖北大学材料科学与工程专业的实验课程体系建设为例，在思想上切实贯彻OBE质量理念，重新构建光电材料与器件特色方向的实验课程体系，形成分层次多模块的实验课程体系，充分发挥信息技术优势，引入“虚实互补”实验体系平台，强化科教协同、产教融合，提升学生的实践创新能力，以期建立目标导向的人才培养模式，促进学科发展和专业建设。

二、实验课程体系存在的问题

1.我校材料科学与工程专业是在20世纪80年代铁电压电材料研究所科研工作的带动下开创和发展起来的。1992年招收第一批电子材料专业的本科生。2003年创办了材料物理专业。为推动新工科教育，满足大类本科人才培养改革的要求，2019年与无机非金属材料工程专业合并组建了材料科学与工程新工科专业。结合我校材料学科的发展，突出优势和特色，确定光电材料与器件方向为材料科学与工程专业的特色方向，相关的课程体系围绕该方向展开。此前的实验体系主要围绕电子材料的制备、性能测试等方面开设实验项目，缺乏能力培养的递进层次，学生自主创新性不足，不能满足新的培养计划和工程教育认证的要求，实验课程体系亟待重构。

2.实验内容陈旧，实验项目亟待更新。受实验条件限制，所涉及的实验对象、实验方案等工况过于简单，验证性实验所占比重过大，学生在实验过程中只是机械地完成规定动作，记录数据，套用现成的实验报告，而综合性、设计性、创新性的实验内容比重偏低，难以达到新工科背景下对卓越创新人才的实践训练要求。

3.教学手段单一，缺少师生互动。传统的实验教学以教师集中讲解实验过程、注意事项、实验操作要点为主，学生分组操作并记录实验数据，完成实验报告，在这一教学过程中学生处于被动学习状态，鲜有机会对实验过程中涉及的原理进行深入思考，不能对实验过程中出现的实验现象进行合理解释，更不能与实际工程问题相结合，提出解决问题的方案。

三、贯彻OBE理念，优化实验教学课程体系

材料科学与工程是研究材料的组成、结构、合成与制备、性质与使役性能等基本要素及其相互关系的科学，是一门涉及物理学、化学、计算科学、工程学和材料科学的综合型交叉学科。材料类专业作为一类数理与工程学交叉的学科，按照工程教育认证的要求，其实验课程体系包含物理学、化学、计算机操作、电工电子技术等公共基础实验，还包括材料科学基础实验、材料工程基础实验、材料测试与表征等专业基础实验，以及设计光电材料与器件专业方向的专业实验三个模块的实验课程体系。按照工程教育认证的要求，已经完善和修订了公共基础实验和专业基础实验课程体系，本文重点讨论专业实验课程体系。依据实验内容对毕业要求的支撑要点，专业实验又可构建验证性实验、综合性实验和设计性实验三个层次的实验教学体系。

1.在验证性实验层次，如光敏电阻特性实验、光敏二极管的特性测试等基础性实验，学生通过对实验方法、测试工具、基础操作方法等进行实践训练，验证基本定理、定律和结论等，夯实实践动手能力。此为第一个层次应获取的能力。

2.在掌握基本知识、基本技能的基础上，运用这些知识开展综合性实验，如LED光谱特性测试实验、场效应晶体管特性测试等，培养创新实践能力。此为第二个层次应获取的能力。

3.第三个层次，开发创新性设计性实验项目，培养学生解决复杂工程问题的能力，如光电材料与器件综合设计实验，从光电材料应用背景，材料成分、结构特性，性能优势，到材料制备工艺设计、性能测试，器件设计与制造封装及其工程应用综合评价等一整套的综合设计实验，该实验内容可以来源于教师的科研项目，教师提出工程应用的需求，学生自行设计并实现，通过科学规范的培养与训练，提高学生的创新意识和创新能力。通过这一层次实验教学内容的改革，有助于培养学生独立提出问题、分析问题和解决问题的能力，强化他们对基础知识的理解和综合应用能力，充分挖掘学生的创新潜能，调动学生的学习主动性和积极性，提高学生解决复杂工程问题的能力。

四、“虚实互补”构建实验教学新模式

充分发挥信息技术优势，构建虚拟场景，将虚拟仿真技术引入实验教学体系中，将理论教学和实验教学深度融合，实现理论教学形象化，“理论—仿真—实验”一体化，“虚实结合”常态化，有效地将现代信息技术融入传统实验教学，拓展实验教学内容的广度和深度，提升实验教学的质量和水平[4-7]。整合信息技术、创建虚拟学习环境、实现跨学科协同合作，依据“虚实结合、互为补充、能实不虚”的原则，充分发掘实验资源，开发新的实验项目，调整、优化实验内容。

本专业已建成材料分析测试虚拟仿真实验室，针对材料测试表征技术中涉及众多大型精密仪器设备的状况，我们采取“虚实结合”的模式，形成“理论—仿真—实验”一体化课程体系，既加深学生对理论知识的理解，也避免大型科研仪器设备的損坏。前期理论课程“材料现代表征技术”对材料结构测试的X射线衍射技术、电子显微技术、X光电子能谱技术等测试技术基本原理和仪器特点做全面细致的介绍，在测试实操前，进入虚拟仿真实验室，先对基本原理、操作流程、实验结果及操作失误所引起的结果进行虚拟呈现，加深对原理、操作步骤的理解，促进学生思考，提高学习效果。同时，依据不同的理论课程特点，开发不同层次的计算模拟实验，将抽象难懂的微观机制通过虚拟形象呈现，促进学生对理论知识的理解。如为使学生更加直观、全面地理解光电器件工作原理，构建虚拟光子、电子输运微观过程，通过动画形式呈现，促使学生将知识内化吸收，对其基本原理有更直观的理解，再结合实际的实验过程，通过实验参数的改变、测试数据的记录和分析，有效激发学生的学习兴趣，提升教学质量。进一步分类总结光电材料与器件应用中涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作及高成本、高消耗、大型或综合训练等的实验实训项目，开发众多综合、可靠、安全和经济的虚拟仿真实验项目，推动实验课程教学变革。

五、强化科教协同、产教融合，提升学生的实践创新能力

教学促进科研，科研反哺教学，通过科教融合和产教融合推动实验教学创新。发挥高校科技创新和科技服务的优势，鼓励、支持教师将科研最新成果和技术服务最新方案转化为实验课程教学内容或实验项目;发挥武汉光谷光电产业集群优势，强化校企合作，产教融合协同育人，将部分实验教学内容安排在学生的企业学习阶段，并建设企业实验教学指导教师队伍。此外，以“政产学研用”为出发点，形成一流的协同育人机制。通过设立创新人才培养实验基地、产教融合创新平台、联合研究实验室与合作研究中心等形式，组织参与政府和企业的科研项目，帮助企业解决技术难题，搭建“政产学研用”五位一体的协同培养多元平台;构建产业技术创新战略联盟，通过组建以企业为主导的多种形式的产学研用技术创新战略联盟，促进政产学研深度合作，推进高校与企业和科研院所的结合，以重大科研项目为载体组建研究基地和技术创新团队，形成“人才+项目”的培养模式。

结语

实验教学是新工科形势下培养创新型卓越工程人才的关键环节和重要手段。以工程教育认证为抓手，秉持“学生中心，产出导向，持续改进”的OBE理念，构建公共基础实验、专业基础实验及专业实验三个模块的实验课程体系。围绕培养学生实践动手能力、创新实践能力、解决复杂工程问题能力的要求，在专业实验体系中对应这三种能力的培养着重构建验证性实验、综合性实验和创新设计性实验三个层次的实验课程体系。同时，整合教育技术、创建虚拟学习环境、实现跨学科协同合作，“虚实互补”构建实验教学新模式;发挥科技创新和科技服务优势，强化科教协同、产教融合，提升学生的实践创新能力。实验课程体系的创新与重构，必将有助于提升卓越工程人才的质量。

参考文献

[1]教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[4]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

[5]路鹏程，李娜，王志平.航空复合材料科学与工程虚拟仿真实验建设教学研究[J].教育教学论坛，2021（25）：31-34.

[6]杜玉宝，孙淑强，亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016（17）：26-28.

[7]姚日晖，文尚胜，吴为敬，等.光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理，2017，34（3）：1-3+12.

Innovation and Re-construction of the Course System for Photoelectric Material and Device Experiment under the Background of New Engineering

QI Ya-jun， JIANG Juan， ZHANG Lei

（School of Materials Science and Engineering， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062， China）

Abstract： Experimental course teaching is an important means to train the innovative and excellent engineering talents. The demand of new engineering talent training and the construction of new engineering specialty focusing on engineering certification put forward new requirements for the experimental curriculum system. Taking the material science and engineering major of Hubei University as an example， guided by the core concept of engineering education certification， we discuss the ideas and methods of the construction of experimental curriculum system in the major of optoelectronic materials and devices， construct a hierarchical and multi module experimental curriculum system， make full use of the advantages of information technology， and introduce the “virtual and real complementary” experimental system platform. In addition， we also strengthen the coordination of science and education， the integration of industry and education， and improve students’ practical innovation ability， so as to achieve the goal-oriented talent training and promote discipline development and professional construction.

Key words： “emerging engineering education”; experimental curriculum system; virtual and real complementary; integration of scientific research and education