新工科背景下材料类工程创新型人才培养创新实践体系建设

姬帅 刘忠军 刘艳明 刘文婷 雒设计

*项目来源：陕西高等教育教学改革研究重点项目“新工科背景下金属材料工程专业人才培养模式的构建与实践”（项目编号：21BZ041）；国家级科研创新训练计划项目“BPANN预测工具钢的冲击稳定性研究”（项目编号：202210705049）。

作者简介：雒设计，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.10.143

摘  要  新工科背景下，改革传统的材料类工程实践教学体系，对现有教学内容的框架、内部关系进行梳理+融合、重构+革新，构建“工程实践训练+非技术教学+学科竞赛+‘双创（创新创业）教育”组成的“四点一线”式新工科工程创新实践模式，探索在“理论基础学习+技能实践学习+综合创新训练+多学科交叉融合+国际创新实践+专业竞赛实践+创新创业实践”七层次之间采取“并联—串联”“平行—递进”“协调—统一”关系的综合研究型创新实践工程训练体系，有助于全面培养材料类学生的工程实践创新能力和解决复杂工程问题能力。

关键词  新工科；材料类专业；创新型人才；创新实践；工程实践训练；实践教学；“双创”教育

中图分类号：G642.42    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）10-0143-06

0  引言

随着科学技术发展的加快与人类社会发展日新月异，特别是在全球进入“互联网+”时代的当下，新一轮产业革命由蓄势待发已变成步入正轨，曾经的局域创新的按部就班、循规蹈矩已变成整体创新的勇往直前、标新立异。在全球市场的驱动下，各行各业科技创新变革的比例大幅度增加，全球科技创新趋势发展呈现出崭新的交错复杂的态势，在创新驱动的核心区域，各因素之间的交叉融合性更加明显地成为标识特征。

在新工科背景下，教育的目标发生明显变化，以成果为导向培养能力，把学生培养成卓越的工程创新型人才，已成为目前高等院校工程实践创新教学改革的新方向[1-4]。新时代创新型工程人才具备的能力必须符合新时代产业发展需求，同时通过创新实践可以引领产业发展方向。对于在校大学生而言，得到系统完善的变革创新的工程训练体系培养后，在个人修养、专业能力、综合素质等方面应展现：具备交叉融合的专业知识结构；拥有与时俱进的国际视野；展现顺应市场需求的实践创新能力；进入工作岗位后具备解决复杂工程问题的能力[5-9]。

西安石油大学材料类专业现有的工程训练实践教学体系的主体与之前的实践教学环节相比，虽然在某些局部进行了变革，但整体的模式并没有发生本质改变，目前依然以相对传统的训练模式为主体，即演示示范、案例临摹、设计训练、实验操作、组合拼装、分组讨论、设备维护、工况模拟、协作训练等方式，仍然采用并依托一定数量的工程训练项目，让学生了解工艺生产、工艺设计、缺陷分析、产品研发、质量监管、市场供求、后续服务等专业知识涉及的相关内容，以此来加强目的性教学，培养学生的工程能力。

由于上述一定数量的训练项目彼此之间的关联性、匹配性、衔接性并不是最优的，只是把培养过程机械地分解成不同阶段，对应培养不同能力，因此，通过上述训练模式，学生相对被动地获得可以迎合现代工业生产组织形式的专业知识及相关技能，能够解决固定的复杂工程问题，但整体相对缺乏创新能力，不具备引领行业发展的素质[10-12]。在新工科背景下，依据创新型工程人才培养目标，突出创新能力培养，工程实践培养模式发生重大变革，强调以学生为中心、以成果为导向，改变传统的相对被动的以传授知识为主体的培养模式，让学生善于分析及创新、具备解决复杂工程问题的能力变成新的培养核心，培养模式由被动变为主动，成果层面由知识转变为能力。重新审视变革后的培养过程，学生的学习成长历程能够凸显兴趣驱动性、协作互助性、国际前瞻性、能力提升性、素质拓展性，并能够体现与时俱进的全面协调发展性。

1 材料类创新人才培养模式+实践工程训练

课程体系

1.1  人才培养模式的思路变革

十年树木，百年树人。人才培养不能墨守成规、守常不变。在“互联网+”、大数据、物联网、“中国制造2025”驱动下，教育层面的变革将被深层次催发，面对新一轮的科技革命、产业变革，材料类工程训练人才培养目标发生根本性变化，在层面上凸显了升级，即要求学生由掌握专业知识之层面上升到具备解决复杂工程问题能力之层面。由知识到能力的提升，则更加突出以结构合理的专业知识为理论基础、以具备工程创新实践能力为培养导向、以体现分析工程问题系统的本质并提出解决方案的能力为成果目标。

在上述变革的驱动下，传统的材料类工程人才培养方案在整体上必须打破重构，体现不破不立。而创新实践课程作为上述变革的架构基础之一，必须依据新工科的发展需求来进行建构，其通过改革重建后能体现出产学研系统的完善，应以课程体系的多学科交叉融合、市场需求的“互联网+”、研发平台的智能信息为技术途径，根据材料类专业的特色及其在人类社会中扮演的角色，以先进材料、特殊加工、智能制造、安全管理、人文法规、绿色发展贯穿知识体系，形成符合OBE理念、凸显以能力为培养目标、遵照工程创新思维导向的工程实践创新型人才培养模式。

1.2  工程实践课程体系变革后的构建

教学科研创新研究团队针对学校材料类工程训练实践教学体系现状，在新工科背景下，同时在改革的新方向标指引下，努力实践创新改革，为了培养具有专业特色的卓越的工程创新型人才，在探索中构建“四点一线”式创新实践工程训练平台。“四点”即体现出整体过程中的四方位特色且彼此间存在内部紧密联系，“一线”则体现出整体环节过程变化的关联性、系统性、完整性。

上述平台对传统的工程实践教学环节依据新工科要求及市场需求进行“梳理+归类”“融合+重构”，在局部及整体上均进行变革创新且体现出逐层递进性，同时遵循高等教育的规律，通过变革后形成工程实践训练、非技术教学、学科竞赛、“双创”（创新创业）教育四个方面特色为支柱的创新实践工程训练平台。

1）工程实践训练。对传统的工程实践训练进行创新重构，变革后的工程训练平台包含“专业理论教学—专业技能教学—综合创新训练”三个区块，区块间呈现“学习—实践—创新”的内部关联与升级，同时符合马克思主义哲学的基本原理即“肯定—否定—否定之否定”，对事物的认知或能力的提升符合螺旋式变化规律。

2）非技术教学。非技术教学平台包括“多学科交叉融合—国际创新实践”两个区块，区块之间能够体现取长补短、与时俱进的特点，响应市场创新需求、顺应新一轮科技变革，同时区块间存在紧密的“递进—互补”关系。

3）学科竞赛。学科竞赛平台包含专业竞赛实践区块，由材料类专业“理论+技能+实践”方面的竞赛构成。该区块让学生接受同行竞争的历练，感受市场竞争淘汰驱动的机制。

4）“双创”（创新创业）教育。“双创”教育平台包含探索性通识课程、创新实践课程、创新创业大赛三个部分，并对三部分进行灵活组合构成创新创业实践区块。通识性课程摆脱专业的约束，依据学生进入社会后所需要的能力，着重培养学生的综合素质。依据能力目标在通识性课程领域进行创新探索，说明对学生进行创新型培养是针对性的、全方位的、完整性的。

在新工科背景下对“双创”教育的结构进行探索创新，以提高学生的创新能力为改革的目的，变革后的“双创”教育从结构上进行剖分，应包含基础性研究探索、应用性研究摸索、“双创”性实践研究三个区块，且区块之间关系紧密、内部穿插、相互影响，在能力培养方面呈现出逐层提升的趋势，整个教学活动应教学相长，师生一起在实践中研究、在探索中摸索，相互交流学习、携手共同进步。三个区块根据创新需求进行灵活组合，更加针对性地突出在实践中培养学生的能力。

由上述诸多区块进行前后串联，突出以学生为中心，以学生的视角形成一套“理论基础学习+技能实践学习+综合创新训练+多学科交叉融合+国际创新实践+专业竞赛实践+创新创业实践”七个模块之间采取“并联—串联”“平行—递进”“协调—统一”关系的综合研究型创新实践工程训练体系，教师起到伴随和监督的作用，同时注重过程性评价，丰富过程性考核方式，最终达成的标准建立在局部目标达成的基础上，把局部目标达成的标准进行提取组合，建立完整的全过程性评价标准。创新实践工程训练体系的结构示意图如图1所示。

打破传统的教育观念，将新工科的理念落在教育环节的实处，针对之前的实践教学体系进行重构，并在细节处进行革新。上述课程体系的建设突出以学生为中心，反向思维以学生具备的创新能力为建设目标，整个过程以内部驱动、成果导向、能力拓展、素质提高为成长模式，注重培养过程中的阶段性目标达成，强调系统的过程性评价及最终目标实现。以学生兴趣为主导、实践教学为主线、内部驱动为主因、个体参与为主动，突出全过程完整性的工程创新实践。

将多学科交叉融合模块定位为创新挑战性实践，教学科研创新团队通过调研及探讨后，将与材料类相关的社科、经管、环保、医药、安全、法律、人文等多学科知识与工程实践进行“汇通+融合”，同时强调课程思政，融入大国工匠精神，为非技术能力培养平台注入更多因素，为学生的综合素质提升打下基础。

国际创新实践模块为实践能力拓展，同时凸显国际化特点，通过专业背景相同的中外学生团队协作，围绕目前材料类领域的国际性热点问题进行探索及沟通交流，在专业背景相似的基础上进一步提高非技术能力的培养。

专业竞赛实践模块起到检验专业综合实践能力的作用，通过同行之间的对比、竞技、交流、借鉴、学习等，能让彼此取长补短，进一步提高综合能力；创新创业实践模块为目标产出环节，以竞赛项目为载体参加主题形式的活动，有利于激发学生的自主学习，能够锻炼学生对整体系统的把控能力，对解决复杂工程问题的能力培养具有聚焦作用。

课程目标结合任务与毕业要求的内涵观测点相一致，是在导向上、具体实践中突出体现培养学生的工程创新实践能力和非技术能力。

2  变革后的实践课程模块建设

在新工科背景下把学生培养成高素质的创新型工程人才，依据培养体系与能力实践之间的辩证关系，教学科研创新研究团队首先以建设研究型工程训练创新实践课程体系为改革的基础，突出以创新能力培养为核心，打破工程训练教学内容的框架后的二次“梳理+重构”，进而对内部关系的关联性进行“融合+革新”，最后在改革后的工程创新实践中融入思政元素、工程理论、工程法规、创新思维、创新方法、创业管理、环球视野以及历史文化等。通过如此建设，即“理论+实践”“研究+探索”“交流+学习”“竞争+协作”，实现从知识到能力、单一到多元、继承到创新、传统到现代的转化及升华。

2.1  “理论基础+技能实践+综合创新”的三区块

建设

依据符合新工科背景要求的创新型工程人才应具备的能力特征，在培养体系创新变革建设过程中，针对能力目标方面进行深入剖析，培养目标应包含认知能力、实践能力、创新能力三个方面，所以在创新实践课程体系创建方面应包含理论基础、技能实践、综合创新三个区块。其中，理论基础对应学生在知识层面的认知能力，包含学生在学习过程中的专业知识结构构建；技能实践对应认知层面基础之上的实践能力，包含学生通过系统训练后具备的解决复杂工程问题的能力；综合创新对应实践能力层面之上的创新能力，包含学生灵活变通地运用专业知识，针对性地实施实践环节，提升对实践过程中问题的深度认识，进而采取创新的方式更加高效地解决应对的问题。

通过上述过程来构成工程训练创新实践课程体系的实践基础，帮助学生在能力方面由知识层次上升到技能层次，后续再紧密衔接创新驱动训练，让学生的能力升华至创新层次，该三个区块搭建成学生工程实践能力培养的平台。

教学科研创新研究团队针对材料大类招生的现状，为了实现培养学生的创新能力目标，做了以下几方面的工作。

1）认识能力建设方面，工程训练创新实践课程理论基于材料科学基础、材料物理性能、固态相变原理、材料力学性能、材料制备技术等专业核心课程，学生通过学习材料制备加工过程中（传统加工、特殊制备、先进制造、智能生产等）内部组织演变的规律、制备加工后的性能呈现、直接或间接制备出高性能的材料等方面的专业知识，具备创新能力的基础即认知能力。

2）建设实践能力方面，工程训练创新实践课程技能基于上述理论课程的实验开展、设备操作、制备加工、性能测试等环节，并结合工程道德伦理知识、工程安全及质量管理、工程设计与制造标准及规范，以及应遵循的实践操作道德规范与责任，让学生主动参与工程实践教育的过程，能有系统思维、全局意识、工程责任，明确正确的价值观，树立健康的社会责任感和强烈的伦理道德意识。培养学生的实践技能是工程训练能力目标的重要手段之一，也是学生具备创新能力的必经阶段。通过系统“培训+训练”后，学生应该具备使用基本工具的能力、掌握常规工程材料的制备工艺能力、针对不同材料的特点选择合适的性能测试仪器的能力、其他非技术层面的专业业务能力。

以实践创新能力为培养目标，同时结合“认识能力+实践能力”培养的要求，根据材料学科的特色，基础技能项目应包含常规加工、特殊加工、先进制造和智能制造四个部分，且这四个部分存在明显的递进关系，学生必须逐层进行各个部分的基础训练“认知+实践”。团队在建设该部分过程中，根据材料类专业专业分流情况，让学生以自身兴趣任意选择不同部分中的实践项目，如图2所示，进而为创新能力培养打下基础。

综合创新训练模块为工程训练创新实践课程体系的提升版，是具备创新能力层面的必经阶段，同时通过三个不同区块的“串联—并联”组合，在培养创新能力的同时也有助于提升培养学生全方位的工程实践综合能力。突出以学生为中心、以项目为载体、以成果为导向、以创新能力培养为目标，让4～5名学生根据个人特点及承担不同角色来构成协作团队，采取创新的方式切入待解决问题系统，在过程中开展项目任务的创意设计与工艺优化，着重培养学生的工程实践创新能力和解决复杂工程问题的能力。创新能力培养依托上述创新训练项目，依据材料学科实践环节的性质类别分类，主要由材料制备模块搭建、材料成形环节建立、材料性能测试平台三部分构成。

2.2  创新变革后的多学科交叉融合模块建设

基于上述工程创新型人才实践体系，依据突出创新能力培养为目标，在第一层能力即认知能力培养方面，打下坚实基础。团队进行创新改革，通过多学科交叉融合模块建设来实施，依据新工科背景的需求有选择地将通识课程、专业课程进行合理的有机融合，并在课程体系建构方面进行改革创新，在专业课程过程中穿插有一定联系的通识课程，在阶段性考核过程中注重评价的多样性，帮助学生在接受工程训练创新实践的课程体系培养的同时能够扩充非技术性指标相关的知识。具体表现在将思政、人文、管理、医学、经济、安全、法律等多学科知识与工程实践进行融合，该模块通过创新改革后应成为学生在非技术能力方面培养的基础。

结合所在地方特色高校学科相对齐全且专业特色明显的优势，教学科研创新团队尝试开展多学科交叉融合的工程训练创新型人才培养模式探索与实践，开设金属陶瓷复合功能材料与增材制造（3D打印）融合、康复医学用器件与形状记忆性合金融合以及腐蚀防护技术与激光加工融合的相关专业课程。教师依据兴趣调研并激发学生主动参与上述过程，学生可以提升自己在先进制造、质量管理等方面的专业技术能力，在此基础上可以培养在艺术创作、医学常识和人文素养方面的非技术能力，最后为提升自己的综合工程实践创新能力打好基础。

2.3  创新变革后的国际创新实践模块建设

为了进一步提升学生在非技术性方面的能力，教学科研创新团队通过调研与探讨，认为增加建设国际创新实践模块，有助于帮助学生开阔自己通过工程训练创新实践课程体系培养后的视野，能够帮助学生提升使用国际通用语言进行学习、沟通、探讨的能力。团队在学校开展国际实践周，邀请多名留学生加入接受工程训练创新实践课程的学生当中，2名国外留学生与10名本国学生（按照1∶5的比例）搭建构成团队协作，进行为期四周的国际创新实践活动。通过线上交流，与日本的东北大学、东京工业大学、京都大学与新加坡南洋理工大学等材料科学与工程学院的学生进行沟通交流，彼此参与对方所在团队项目的讨论中，通过思想碰撞、相互借鉴，激发更多的创新思维，为后续的成果创新奠定基础。通过以团队项目任务为载体的国际创新实践活动，实现我国学生与国外学生在工程技术和不同文化等方面的交流，有助于培养学生“国际性交流+国际化团队协作”的能力，同时能够明显开阔学生的国际视野，了解学科前沿最新动态，明确自己肩上的使命，增强个人的专业竞争力，提升综合素质。

2.4  创新变革后的专业竞赛实践模块建设

在上述基础上构建专业竞赛实践模块，目的是用来检验工程训练创新实践课程体系对学生综合实践创新能力培养的效果，同时是创新能力培养的有效方式。依据OBE理念，在“认识能力+实践能力”培养的基础上，鼓励学生在专业学习过程中结合自己的专业兴趣制定在能力方面的发展规划，以兴趣为切入点有利于创新能力的培养。

通过在一定时期内让不同的成员之间相互协作，基于彼此熟悉和了解后构成的合作小组每个成员任务明确、小组整体工作效率良好。根据拟定参加某届某项专业竞赛的计划，同时依据大赛组委会提供的参赛要求，提供一项符合要求的参赛作品（论文、专利、成果转化等）。在作品完成之初，学生团队内部进行初步打磨，作品成形后主动联系指导教师，通过指导教师提供的创新训练科研平台，学生与教师共同打磨参赛作品。参赛作品要能够呈现符合大赛主题的专业方面的创新，作品展示中要求项目主持人及成员要阐述参赛作品的特色及创新点，该环节以专业竞赛实践的方式突出培养学生的工程实践创新能力。

2.5  创新变革后的创新创业实践模块建设

建设创新创业实践模块的目的是进一步明确工程训练创新实践课程体系的实践能力目标，突出以学生为中心，在自主学习的基础上依据成果导向，学生主观方面通过实践教学体系提升创新能力，教师在陪伴学生学习成长过程中努力做到因材施教，帮助学生依据自身特点提高解决复杂工程问题的能力。对创新创业实践模块进行改革创新探索，以学生具备解决复杂工程问题的能力作为培养核心，在选择培养方式及路径的过程中强调突出创新能力为参考依据。教学科研创新团队通过积极调研和探索后，构建“课程体系+赛制选拔+创新实践”三维立体化育人模式，该模式有助于学生通过提升创新能力的方式获得解决复杂工程问题的能力，可谓是“一举双得”。通过统计毕业生的调查问卷可知，该模式更有助于学生个性的发展，在提升学生创新能力的同时，基于扎实的专业知识结构，具备解决复杂工程问题的能力，根据工程教育专业认证的理念，学生均达成毕业要求中内涵观测点所对应的能力要求。

根据材料类专业的培养特色，对之前的课程体系依据能力目标进行创新构建，通过开课之前的调查问卷对学生的学习现状进行了解，有针对性地开设系列研究探索性通识课，帮助学生学习工程创新方法、质量管理、工程安全、创业管理等方面的理论，在课程中导入上述三个方面的典型案例，帮助学生建立创新创业方面的系统知识，培养学生的创新创业意识、科技孵化及创业运行能力。

突出以培养学生解决复杂工程问题的能力为成果目标，在传统的实践课程体系基础上进行变革，强调创新实践，将学科竞赛中的专业内容进行梳理，通过课程体系重构，在选修课程中开设与竞赛相关的专题讲座课程，通过多样的过程性考核（外文翻译、课后阅读、专题调研报告等）让学生掌握基本的创新理论、创业模式、技术革新和竞赛流程。根据竞赛方式，学生根据兴趣自愿组队，通过团队协作完成并提交相关的竞赛作品，进行作品展示和讲解，之后开展竞赛方案答辩，共同讨论方案的合理性和制造工艺优化的可行性；开展项目实施加工，要求学生综合考虑竞赛作品的进度管理、成本控制、环境保护、工艺优化、法律法规等方面，进而培养学生项目管理、可行性分析、成本控制、语言表达和创新创业等能力。

3 研究型创新能力培养实践课程体系全过程

评价标准的建立

全过程系统性评价，突出以学生为中心、顺应成果导向，遵循注重过程结果自然达成的客观规律，即不仅注重最后结果的考核，同时注重过程发展中阶段性的考核，强调“局部+阶段性”与“整体+完整性”的辩证统一关系，体现痕迹对照过程。根据新工科精神，对符合要求的研究型创新能力实践课程全过程评价标准进行详细剖析，上述评价标准必须包含工程创新实践能力、非技术能力和解决复杂工程问题能力三个方面，同时对于学生综合能力的培养应始终贯穿整个工程创新能力实践课程体系。根据能力培养目标所涉及的所有因素，进行针对性过程性考核，同时考核因素之间的关联性关系。研究型创新能力实践课程相适应的全过程评价标准如表1所示。该体系包含七个模块，其中专业理论基础模块占比12%、技能实践环节模块占比18%、综合创新训练模块占比20%、多学科交叉融合模块占比12%、国际创新实践模块占比8%、专业竞赛实践模块占比15%、创新创业实践模块占比15%。

4  结束语

在新工科背景下依据OBE理念培养工程创新型人才，教学科研创新研究团队探索创建以学生为中心的人才培养新模式，构建由“工程实践训练+非技术教学+学科竞赛+‘双创教育”组成的“四点一线”式新工科工程创新实践模式，形成以“理论+技能”为实践基础、“创新+创业”为实践目标的“理论基础学习+技能实践学习+综合创新训练+多学科交叉融合+国际创新实践+专业竞赛实践+创新创业实践”七层次递进式工程训练创新能力实践课程体系和研究型创新能力实践课程全过程评价标准，通过培养让学生拥有宽广的国际视野，具备较强的工程创新实践能力，同时具备解决复杂工程问题的能力。

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