基于新工科的材料加工专业研究生培养模式探索

刘玲　马壮　朱皓麟　高丽红　柳彦博

［摘 要］如今，智能制造、大数据、云计算等新兴产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用。国家为此加大了新领域人才的培养力度，大力提倡发展“新工科”，培养能胜任这些新兴产业的人才。然而，材料加工专业传统的培养模式已滞后于时代变化，难以培养出新工科所需的人才。文章阐述了国内材料加工专业传统研究生教育存在的问题，并针对性地提出了新的研究生培养模式：通过取消专业课学分考核、聘用专门的理论课讲师、采用“线上+线下”教学模式、多导师协同培养、产学研结合、“模拟+实验+共享”的研究模式，推进材料加工专业优化升级，培养满足相关行业需求的新工科人才。

［关键词］新工科；材料加工；研究生；培养模式

［中图分类号］ G643 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0107-04

随着新一轮工业革命的到来，人工智能、大数据、物联网、云计算、5G通信技术等新興产业将对世界各国的未来发展起到至关重要的作用，国家对能引领这些领域的新型工科人才的需求日益增大。在这一背景下，2017年2月在复旦大学召开的高等工程教育发展战略研讨会达成“复旦共识”后，我国制定了“天大行动”“北京指南”和“成都宣言”，逐步形成了新工科的人才培养理念。

新工科主要指新兴产业的工科专业，既包括大数据、智能制造、云计算、人工智能、机器人等新兴工科专业，又包括对传统工科专业的升级改造。新工科强调学科的实用性、交叉性与综合性，强调从高校到社会、从理论到实践、从教育到应用。而材料加工作为支撑国民经济的传统工科专业之一，应在新工科的大背景下及时升级转型，满足国家对复合型人才的需求。但国内部分工科高校对材料加工专业研究生的培养仍然用传统的模式，长此以往，将会阻碍我国材料加工相关产业的发展。因此，如何对传统材料加工专业培养模式进行优化升级成为一个亟待解决的问题。

一、我国材料加工专业研究生教育现存的问题

（一）教学模式单一，内容陈旧冗杂

课堂教学作为材料加工专业研究生培养的重要环节，是研究生夯实科研基础的必由之路。然而，我国部分高校采取的教学模式过于单一，仍然采用“填鸭式”的教学模式。部分教师只顾完成学校交付的教学任务，全然不顾学生是否真正掌握相应知识、是否能够切实运用到以后的研究中去。在讲课方式上，授课教师仅仅是照本宣科地讲授讲义内容，与学生缺乏互动。此外，课程种类设置相对陈旧，必修课过多，选修课过少，所设课程也不一定适合每一个学生[1]。同时，许多内容不及时更新、缺乏趣味性，与领域内的国际前沿知识严重脱节[2]，以致学生失去学习兴趣。特别是铸造工程基础、锻造工程基础、焊接工程基础等课程的理论性较强、涵盖范围较广、内容较为零散，容易让学生失去学习兴趣。而学生对课程内容失去兴趣也导致授课教师逐渐失去讲课热情，最终形成学生缺乏兴趣、教师缺乏热情的恶性循环。究其原因，一方面，部分教师仅仅把课堂教学当成学校要求完成的一个硬性任务，只求不出现严重教学事故，并未把传授学生必要知识放在首位；另一方面，一些学生的学习动机只是为了凑足毕业要求的学分，对自身所选课程并无兴趣，上课时也不把注意力放在教师讲授的内容上，这在一定程度上影响了授课教师的教学热情。这种教学模式实则与本科教学无异，侧重于灌输而不注重输出。这不仅导致了研究生创新能力缺乏，而且使得学生在挖掘问题主动性、思考问题全面性、分析问题逻辑性、解决问题优化性等方面都有所欠缺[3]。

（二）教师身兼数职，分身乏术

目前，部分高校教师身兼数职，需要同时处理多项任务，材料加工专业的教师也不例外。他们不仅需要完成每年的科研考核任务，发表有一定含金量的SCI论文，要申报项目、申请基金、参加各类会议，甚至还需要到一线指导产品生产。此外，还需要完成学校安排的课堂教学任务。这就使得部分教师的工作重心有所偏移，对教学草草应付了事，学生也很难学到有用的知识。

（三）学科交叉力度不够

目前，许多高校的不同院系是独立运作的，因而许多研究生在整个求学期间只能和有相同专业背景的人接触，其导师往往也只是一个领域内的专家。国务院学位办的调研结果显示，70 %的博士生没有参与过跨学科项目[4]，这种情况在材料加工专业也存在。尽管材料加工在大众的认知里是以铸造、锻造、焊接等为基础的实践学科，但在新工科的大背景下，材料加工已不再是传统的实践学科。如今的材料加工已经与数字控制、仿真模拟乃至基于密度泛函的第一性原理计算相结合。这就要求从业人员既要掌握基本的专业知识、拥有一定的实践经验，又要熟悉电路信号、掌握一些国际主流的材料仿真软件，例如ANSYS，甚至还需要懂得如何对材料自身的力学、热学、光学等性能进行计算以提前预测所选材料适用于何种工况，为下一步实践提供理论指导。可见，材料加工已逐步发展为一个多学科结合的专业，涵盖了材料、电子信息、软件编程等专业的相关知识。然而，目前部分高校仍以传统的铸锻焊为框架来构建知识体系，这样学生只能学到单一学科的知识，在未来可能难以解决实际工作中出现的复杂问题。同时，长期处于单一学科环境里，容易导致思维僵化，阻碍创新能力的提高。因此，在研究生培养上应打破学科壁垒，促进相关学科相互交流，取长补短。不同思维的相互碰撞有利于创新想法的产生，也有利于相应领域的研究人员突破科研瓶颈，取得意想不到的成果。

（四）实践能力培养不足

就业困难是很多高校材料加工专业研究生毕业后面临的一大难题。材料加工是一门实践性极强的专业，如果学生在校学习期间花费较多时间掌握基本的实操技能，那在毕业时找到一份对口的工作并非难事。然而，现实却是许多毕业生很难找到与所学专业相符的工作。这与学校重视理论教育而忽略技能培养有关。部分高校的课程设置仍以理论教学为主，实践类课程占比较少，甚至没有[5]。而实践与理论的脱节导致许多研究生难以学以致用[6]。如冷冲压模具设计基础这门课，仅仅掌握模具设计的理论知识是不够的，因为在实际使用过程中需综合考虑各种因素，如进料余量、间距、形位公差等，这样才能使设计的模具符合应用工况。若没有实际操作过冲压机或见过其工作过程，就很难将所学理论应用到生产中。这样容易导致毕业生纸上谈兵，一旦涉及实际运用，就不知如何着手。学生实践能力不足，自然也就面临就业压力。尽管许多高校为学生安排了生产实习，让学生进入生产第一线去了解工艺过程，但实际情况却是一些设备齐全的大型企业仅让实习学生参观工厂车间，听接待的技术员进行工艺讲解，并不让学生亲自动手操作相关冲压或铸造设备。这就使得生产实习流于形式化，并没有真正提升学生的实践动手能力[7]。

（五）科研资源分配不均

在研究生教育里，最重要的一环便是进行科学研究。而科研资源则是保障研究工作顺利开展的关键，具体包括硬件设施和软件资源。然而，鉴于我国研究生教育尚处于起步阶段，且经费有限，只能重点分配给部分高校，让其先发展起来，从而带动其他高校发展。在这个过程中，对于不同的高校而言，科研经费的分配又会因学科院系的重要程度不同而有所倾斜，不可避免地存在科研资源分配不均的问题。材料加工在一些高校属于强项，分到的科研经费可能相对较多，而在并非强项的高校，情况就可能相反。这就出现一个奇怪的现象，在那些材料加工发展较好的高校，专业所需的科研设施，例如XRD、SEM、STEM等较为齐全，甚至重复购置，而专业发展相对落后的高校却设施陈旧甚至没有。不仅硬件设施如此，软件资源也是类似的情况。资金充沛的高校有能力购买科研软件的版权，例如Materials Studio、VASP等辅助材料计算的商业软件，方便师生使用，而资金不足的高校却无法做到。这种资源的不均衡严重阻碍了部分高校材料加工专业研究生的科研进展。

二、我国材料加工专业研究生培养新模式初探

（一）取缔专业课学分要求

学分制是材料加工专业研究生教育的一种模式，但过高的毕业学分要求往往使学生为了学分而学习，而非为了研究去补充知识。因此，建议不再将专业课纳入毕业学分要求，将毕业学分要求下调至修满基础课学分即可，也就是学生只需修够基础课及核心专业课的学分即可，例如高等数学、专业英语等。如果学校强制划定一个较高的毕业学分要求会导致很多学生为了凑学分而上课，而非因需要相关知识。这样对部分学生而言是一种时间的浪费，教师的教学目的不一定达到，而对于想选却没选上这门课的学生而言则是一种资源的浪费。因此，应取缔对专业课学分的硬性要求，让学生能够自由地选课、有更多自由的时间去学习对自己研究有帮助的知识。这样学生各取所需，教学资源也能得到充分的利用。

（二）聘用专门的理论课讲师

部分教师对课堂教学持敷衍态度，一部分原因是所需完成的任务过多，而材料加工专业的基础课程内容又过于繁杂，要想讲好需花费大量精力。如果聘用专业的理论课讲师来负责专业课堂的教学，则可以将具有较强科研能力的教师从繁重的教学任务中解放出来，让他们有更多的精力去进行研究。而专门负责授课的教师则可以全身心地投入课堂教学，这样一方面他们能有充足的时间建立知识间的逻辑联系，方便学生理解与掌握相关知识，例如不同焊接方法的优缺点及其适用工况、不同材料相关知识适应何种无损检测方法等；另一方面能够及时更新所在领域的最新研究成果与应用情况，方便学生了解专业的前沿动态，为学生毕业就业打下基础。

（三）“线上+线下”教学模式

实现这一模式的前提是不再将专业课纳入毕业学分要求。这样便打破了只能选修本学院开设的专业课的壁垒。学生可以根据自己的研究需要，利用空余时间在全校范围内选修其他院系对自己研究有帮助的课程，例如Python软件编程、数字电路信号等；而对于学校没有开设的课程，如对于材料加工有帮助的ANSYS仿真分析、材料第一性原理辅助计算等，则可以充分利用MOOC等国内外优质网课资源补充所需知识。很多时候学生的学习效果不佳是因为对相关知识没有需求，缺乏动力，从而应付了事，这是一种被动学习的状态。但若是因为需要而去学习，让课程为研究服务，化被动为主动，效果则会大不相同。这样一来，不仅实现了课程的实用性和优质教育资源的共享，而且有利于促进学科间的交叉融合。同时，取消专业课的学分要求，也就在一定程度上避免了不同院系乃至不同学校间学分互认带来的麻烦。此外，学生在根据研究需求自主选择学习内容的过程中也培养了自身的数据收集、归纳、分析与判断能力。要学什么、怎么去学，这些都需要学生对众多的资源进行整合，并从中筛选出最符合当前需求的知识。在这个终身学习的社会，需要的不是只会完成上级交代的任务的人，而是具有适应性、能够对信息进行分析判断的人。因此，在校期间就要培养学生这一能力，为其以后更快步入社会做铺垫。

（四）多导师团队协同培养

为弥补单一导师、单一学科培养带来的不足，可以组建多导师团队对材料加工专业研究生进行协同培养。团队成员可以是不同院系的导师，也可以是不同学校乃至国外高校的导师。不同学科的导师可以共同承接一些重大项目，让各自的研究生参与，导师根据专业特点安排不同的分工，并定期开展交流研讨会。对于研究生而言，他们能够接触到具有不同学科背景的导师，能够从不同的角度得到与课题有关的指点。这样，他们能将其他学科的知识与自己的课题相结合，从另一个角度去思考问题，有助于增强自身的创新意识。同时，导师来自不同院系意味着学生能获得多元化的信息，更有利于其制订契合自身兴趣、发展的培养和研究计划。例如，来自材料学院、软件学院、电子信息学院的教师可以组成联合团队，共同指导彼此的学生，材料加工的研究生除了可以获得本专业的相关指导，还能在编程能力上有所提升，對数控技术也能有进一步的理解，这对于解决就业可能遇到的材料数字化加工及性能预测等问题有很大帮助。

（五）产学研结合

高校的宗旨是进行科学研究、促进科技进步，研究成果需要向社会转化、服务于社会，培养的人才也需要向社会输送。对学生而言，高校是从学校迈向社会的培训阶段，学生进入社会所需要的技能一方面要在高校培养和锻炼，一方面则需要在用人单位进行培训和锻炼[8]。因此，新工科人才培养应当注重理论知识与工程实践相结合，培养工科学生解决实际工程问题的能力。“产学研结合”正是实现这一目标的好方法。通过高校、社会单位、科研机构等用人单位的相互合作，学生能更早地接触到相关领域的实际生产问题和科研问题，这有助于其实践和研究能力的提升，也有利于高校资源与社会资源的融合，实现成果共享，促进高校研究成果向社会企业转化，更快更好地服务于社会，同时也拓宽了科研经费渠道。因此，高校应针对产业岗位需求设置相应紧跟应用前沿的实践类课程，培养学生的实际应用能力[9]。此外，为提高工程教育的质量，可鼓励学生参与企业合作项目，让学生把在校学习的理论知识运用到企业的实际生产中，让学生真正接触一线工作。在这个过程中，可安排企业的技术员担任学生的临时导师，对其工作表现进行考核、评价并及时反馈给校内导师[10]。

（六）“模拟+实验+共享”研究模式

在教学过程中，不仅要重视学生对专业基础理论和经典方法的学习，而且要强化学生的方法论、数学建模、数据分析、软件技能等方面的实践能力。软件模拟是科学研究的一大利器，模拟结果可以为实验提供指导，实验可以对模拟进行验证，二者相互辅助，有助于科研成果更快实用化。但无论是模拟所需的软件，还是实验必备的仪器，由于涉及种类繁多，一所高校不可能配备齐全。因此，各高校及科研院所应联合筹建一个覆盖全国的科研软件及大型仪器共享平台，提供各类科研软件的下载服务以及软件使用培训和测试仪器的相关信息。这样，各高校可根据实际需求定期请专业人员到校开展讲座，以方便师生的研究。特别是XRD、SEM、STEM等仪器以及ANSYS、VASP等材料模拟计算软件，都是材料加工专业研究生从事科研活动不可或缺的，但并非所有高校都能配备齐全。因此，若能在各高校间形成这种“模拟+实验+共享”的研究模式，则既有助于各高校材料加工专业师生的研究工作，也有利于材料加工专业的升级转型。而且这一模式还可推广到其他专业。在现阶段无法均分经费的情况下，利用互联网时代的特点，建设全国高校科研设施及软件共享平台，提供闲置或使用频率较低的设施信息，让需要相关设施的其他高校研究人员可以就近使用。这样，既可以提高设施的利用率，避免资源浪费[11]，在一定程度上实现教育资源的近似均分，又可以实现高校间的合作共赢，为培养新工科人才提供强有力的技术支撑。

三、结语

随着大数据、云计算、人工智能、物联网、5G通信等新兴技术和产业不断进入大众生活，培养能胜任这些产业的新工科人才已是大势所趋。对于材料加工专业而言，传统的培养模式已很难将研究生培养成新兴产业的中流砥柱。因此，探索适合当下社会发展趋势的新型研究生培养模式势在必行。只有采用新模式对传统材料加工专业的研究生培养模式进行优化升级，才能培养出大批优秀的新工科人才，为我国在新一轮工业革命中抢占先机奠定基础。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 崔芳芳，陈兴明.从制度视角看我国高等教育发展的公平问题[J].现代交际，2011（6）：185-186.

[2］ 郭晓琴，关莉，张锐.国际化视野下研究生创新能力培养探索：以郑州航空工业管理学院材料类研究生为例[J].郑州航空工业管理学院学报（社会科学版），2020（1）：99-103.

[3］ 刘爽，张璐萍，田梗.基于国际化的学术型硕士研究生课程体系创新与实践[J].中国继续医学教育，2020（8）：5-9.

[4］ 朱琎，邓小乔，李效龙，等.“人工智能+新工科”背景下研究生创新能力培养模式研究[J].高教学刊，2019（21）：35-37.

[5］ 赵云鹏，林喆.新工科背景下化学工程专业学位研究生创新人才培养模式探索[J].山东化工，2019（12）：139-140.

[6］ 杨慧珍.新工科理念下基于产学研协同创新的硕士研究生培养模式探索[J].教育教学论坛，2020（6）：7-9.

[7］ 安国升，周兰，冯力，等.材料成型及控制工程專业生产实习现状分析与改革探索[J].大学教育，2020（10）：41-45，50.

[8］ 袁腾，陈翱，姜琼玲，等.粤港澳大湾区工科研究生联合培养模式探索与实践[J].实验技术与管理，2020（3）：20-24，39.

[9］ 易琦.新工科背景下研究生培养模式研究与改革[J].科教文汇（上旬刊），2018（3）：27-28.

[10］ 毛向阳，王章忠，赵秀明，等.新工科背景下传统专业金属材料工程产教融合教育的实践探索[J].大学教育，2020（12）：81-83.

[11］ 方志刚，郝晓亮，高云.“新工科”建设背景下高校研究生培养模式[J].中国冶金教育，2018（6）：39-40.

［责任编辑：李香莲］