面向新工科的卓越材料工程師實踐教學體系改革與探索

宋強 胡亞茹 楊源 尚晉謙 郭進平 肖國慶

摘 要：實踐教學環節是工科專業教學體系中的重要組成部分，發揮重要作用。在卓越工程師教育培養計劃和工程教育專業認證的基礎上，聚焦新工科建設要求，分析了材料專業實踐教學環節的現狀與問題，通過多元化組建實踐教學師資隊伍，現有實踐教學環節和模式優化調整，以實際課題任務為依托的專業實驗課程設置，頂崗畢業實習和設計，外部資金支持保障等方面，構建了面向新工科建設的卓越材料工程師實踐教學體系。

關鍵詞：新工科；材料類專業；卓越工程師教育培養計劃；實踐教學體系

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）04-0144-04

Abstract： Practice teaching is a significant constitute， and plays an important role in the teaching system of engineering majors.On the basis of the certification of excellent engineer education and engineering education， focusing on the requirements of new engineering construction， analyzing the status quo and problems of the practical teaching links of materials， through the diversified formation of practical teaching staff， the existing practical teaching links and mode optimization The adjustment， the professional experimental curriculum based on the actual task， the postgraduate graduation internship and design， and the external financial support guarantee， etc.， built a practical teaching system for excellent materials engineers for the new engineering construction.

Keywords： emerging engineering； material major； outstanding engineers education training plan； practice teaching system

引言

我國工程教育在過去60年取得了巨大的成就，特別是改革開放40年來，培養了大批工程技術人才，支撐了連續30年的經濟高速增長。我國擁有世界上最大規模的工程教育[1]。教育部數據顯示，2016年工科類本科在校生538萬人，畢業生123萬人，工科在校生約占高等教育在校生總數的三分之一[2]。雖然畢業生在數量上滿足了新產業發展需要，但在質量上卻存在畢業生能力和企業實際需求匹配度較低的問題。在卓越工程師計劃和工程教育專業認證背景下，多數高校的工程教育日益注重培養學生解決“復雜技術問題”的能力，其能力高低的檢驗標準是學術標準，即在學術方面是否存在創新[3]。然而，這些畢業生一旦步入社會，遇到實踐問題時往往很難提出有效的解決方案，難以適應傳統材料轉型升級的發展要求。

2017年吳愛華等發表在《高等工程教育研究》的《加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟》一文，正式提出“新工科”概念[4]。2017年2月以來，教育部先后在復旦大學、天津大學召開新工科研討會，分別形成的“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”標志著以新工科建設為主題的高等工程教育改革進入到一個新的階段[5]。新工科以工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系為內涵[6，7]，既包括新興工科專業，也包括傳統工科專業的升級改造[8]。

西安建筑科技大學材料科學與工程專業在2006年教育部本科教學評估取得優秀成績的基礎上，2010年入選“卓越工程師培養計劃”，2015年通過工程教育專業認證。論文在“新工科建設”背景下，以西安建筑科技大學材料專業實踐教學體系構建為例，探索了實踐教學環節共性問題和我校材料專業特性問題解決途徑，構建了新工科背景下的材料科學與工程專業實踐教學體系。

一、卓越材料工程師培養實踐教學環節問題分析

（一）師生利益沖突嚴重，工科教育“泛科學化”，教師的工程素養欠缺

當前工科專業教師的主要利益在于如何做出高層次的科研成果，如何快速晉升。學生的根本利益在于在學校所學的知識、能力能否滿足步入社會后工作競爭的需要。作為教工工作積極性和主動性的指揮棒——教工晉升考核體制導致工科教學存在嚴重的“泛科學化”傾向[9]。目前大多數工科院校對教師、教輔考核體系只注重論文、科研項目、課堂教學，基本不重視實踐教學。教師、教輔必須將主要時間傾注在學術水平提升上，基本忽略了自身工程實踐能力的訓練和培養，對參與實踐性教學環節熱情不高。同時，隨著材料科學的快速深入發展導致教師必須在非常狹窄的學術領域開展深入、細致的科學研究，這使得教師在知識結構上必須專門化、深入化，間接限制了教師自身實踐能力拓展。以上兩個方面間接導致了教師所指導的學生實踐能力差等問題。這與工程教育專業認證“產出導向”、“以學生為中心”核心理念[10]相背離。

（二）傳統實踐教學模式已不適應現代工程設計的實際需求

材料科學與工程作為一門傳統工科學科，在科學理論、工程應用、裝備儀器、標準規范等方面已經形成了相對成熟的系統體系，當前的課堂和實踐教學主要圍繞經典理論和實驗展開。而教師承擔的各種課題是這些理論和方法的精細化運用，學生后續深造和就業后需要精細化運用這些理論和方法。因此存在教師傳授的和自身使用的，學生當前學習的和將來需要的存在嚴重脫節。

畢業設計為例，畢業設計作為本科教育最為重要的實踐教學環節，是對大學生綜合素質與工程實踐能力的全面考察，也是大學生從大學課程向未來工作的過渡。然而當前大多數材料類專業依然沿襲傳統的畢業設計教學模式，僅僅考慮技術、規范，嚴重脫離了企業的生產實際，只涉及本專業的內容或雖對交叉學科知識有所涉獵但涉及很淺，甚至畢業設計內容陳舊，有時直接“從資料到報告，從圖紙到圖紙”，不能滿足現代工程對多學科交叉的工程實際、多視角思維能力的要求，難以實現畢業設計的過渡性、綜合性、實踐性和探索性[11，12]。現代工程是復雜的系統，要求由經濟、法律、技術、環境、工程和管理知識集成，從而實現最優材料生產管理，單一材料科學與工程專業的畢業設計或畢業論文則難以實現這一目標。傳統畢業設計是以科學和技術視角考查學生的專業能力，很少以社會、環境、經濟和法律等多學科視角訓練學生思考和解決問題的能力。

造成這一問題的主要原因是實踐教學模式已經不能滿足現代企業對人才的要求。德國巴伐利亞職教師資培訓中心推行的以實際工作任務為教學目標的專業教學方法，改變了這種傳統陳舊的實訓教學模式[13]。無論從教學的內容和形式，還是教學方法和手段， 都有一定的新意。如何將本科生的實踐教學環節與教師的科研課題緊密聯系，本科生參與課題后能否避免“打雜”角色等問題都需要探索和實踐。

（三）學生的專業課程知識與實踐教學結合不夠，理論聯系實際不足

認識實習、課程設計、生產實習、畢業設計作為集中實踐環節，既是前期所學理論知識的總檢驗，又是專業課程知識的實踐集中運用。新工科建設和工程教育專業認證要求學生運用專業課程理論知識分析、解決復雜工程問題，培養工程實踐能力。然而先修專業課程龐雜，涉及物理、化學、機械、工程等眾多領域，加之生產實習內容本身又是一個系統工程[14]，從而增加了理論知識與工程實踐結合的難度（即使學生有意識地結合這兩個方面，這種結合也是模糊的、不準確的或對結合后的結果不確定的），學生自身很難從中已學理論知識中選擇出正確、合適的切入點與工程問題結合[15]。

（四）實踐教學中信息（知識）不對稱，教師傳遞的知識數量、質量基本不受監督和控制。同時，在實踐教學過程中知識傳遞的時間、地點、對象不固定，造成學生接收的知識數量不全面、質量不均衡

在傳統教學模式中，存在教師和學生之間知識非對稱現象，教師處于占據知識的主動優勢，而學生處于知識的被動劣勢。造成知識不對稱的原因有兩方面：1. 教師知識集大于學生的知識集；2. 公共信息不及時、不主動公開[16]。這種信息不對稱造成了只強調教的環節而忽略學的環節，學生被動接受， 缺乏主動性，最終導致不利于學生的智力和創造力開發，不利于培養學生創新能力的形成和創造性人才的成長，不利于實現師生的實踐教學中的互動，不利于對學生進行科學公平的考核[17，18]。

（五）缺乏激勵學生創新實踐的開放管理機制

一是教學內容設置上，缺乏拓展性實踐教學，不注重對學生在實驗基礎上發散型思維的培養和引導[19]；現有實踐教學僅僅作為理論教學的補充，浮于形式，內容陳舊，難以開展先進材料相關的技術實踐，少有開放性結果的實驗激發學生的興趣和思維模式。二是實驗設備缺乏對學生的開放式管理，學生難以根據自身需要自主開展實驗。受限于當前的實驗室管理制度、實驗儀器數量、實驗場地接納能力、實踐經費有限等因素，當前的實驗設備學生較難實現開放式管理[20]。三是傳統材料行業存在高溫、粉塵、噪音等特點[15]，出于對學生和儀器安全考慮，稍有難度或使用先進測試手段的實驗傾向于演示性、驗證性開展，學生實踐能力難以提升。

二、卓越材料工程師培養實踐教學體系改革思路

圍繞工程教育專業認證培養目標，遵循新工科實踐教育體系與實踐平臺構建要求，針對專業課程與生產實習結合不足等形勢和問題，項目組以實踐課程體系化、實踐能力培養規范化、學科交叉訓練題目實際化、師資隊伍多元化為目標，綜合考慮卓越工程師培養的實踐要求。以卓越工程師班“單獨”招生為契機，深化卓越工程師班實踐教學培養體系改革，實現科學、工程、應用三方向實踐教學深度融合；以“卓越工程師實踐教學助學基金”投入為支撐，從行業領軍專家授課、指導入手，有機結合校內教師“工程實踐”要求，建設“理論和實踐兼修”的師資隊伍；以畢業生就業領域為導向，形成學生就業領域-教師科研課題-企業工程實際相接近的校外畢業設計培養模式；以學校現有競賽、科研訓練和社會實踐平臺為依托，指導教師科研課題為導向，加大課程外實踐成果獎勵力度，提升學生開展課程外實踐效果。最終構建課程內實踐和課程外實踐互為補充和拓展的面向新工科的卓越材料工程師實踐教學體系。在強調實踐教學體系構建的同時，注重實踐應用，在一到兩屆生產實習課程上實踐探索應用，反饋修訂實踐教學體系，以期最終在全專業推廣應用。項目總體建設思路見圖1。

三、卓越材料工程師培養實踐教學體系改革舉措

（一）多元化組建了“理論和實踐兼修”的師資隊伍

教師隊伍是持續提高實踐教學水平的關鍵，優化的師資隊伍不僅能夠提升實踐教學的專業覆蓋面，而且也能保證多層次實踐課程的順利實施。為保證卓越工程師班實踐教學環節的高質量實施，專門抽調材料科學，材料工程和材料應用三個方向具有豐富教學經驗的教師組成“材料卓越虛擬教研室”強化卓越工程師班的教學效果。

在學校對教師專業技術職務晉升中工程實踐要求的基礎上，項目探索內部發掘和外部聘用的方式建立具有實踐經驗的校內外“雙師”隊伍。院內發動具有豐富工程實踐經驗的教師承擔卓越材料工程師的課程建設、指導本科生畢業設計；校外聘任一批具有現代企業實踐經驗的行業領軍專家講授、指導專業課程和實驗，同時聘請一部分大型、知名企業的高級工程師承擔工程教育和校外實踐教學工作，建立了行業領軍專家和校外實踐教學指導教師聘任、資助辦法。

（二）行業領軍專家互動授課提升了師生學科興趣，拓展了師生視野，了解了學科前沿

通過諸如《工藝設計概論》等一些具有實際操作性質的課程，和《材料工程進展》等學科前沿課程邀請“全國工程設計大師”蔡玉良，江蘇省顆粒學會理事長葉旭初，豐田（澳大利亞）數據首席科學家程國堅等國內外知名教授就材料工程創新，材料工程大數據等學科前沿以及經驗感悟、敬業精神等職業素養開展講授和交流，以增強學生工程創新能力，引導學生樹立正確的理想信念。

（三）優化調整實踐教學課程體系，實驗課程嵌入實際科研項目

材料專業學生以學習材料科學與工程的基礎理論、材料生產工藝及設備的基礎知識，掌握其組成、結構與性能的關系為主要任務，以具有新材料開發、材料生產制備、材料應用管理的能力為主要培養目標，并在材料科學、材料應用、材料工程三個方向上各有側重。為適應新工科建設要求，教研室大幅度修訂卓越工程師培養計劃和課程方案，打通材料科學、材料應用、材料工程三個方向的專業課程，優化了3個方向專業課程和課程設計內容，提出了全面、完整、詳實的，可支撐工程教育專業認證和新工科學生實踐能力要求的實踐教學方案，著力培養寬口徑，厚基礎，強能力，高素質拔尖人才。

在專業課程實驗和工藝設計方面，結合現有“材料卓越虛擬教研室”教師科研課題與所授課程實踐教學任務，鼓勵“國家重點研發計劃”、“國家自然科學基金”等省級以上科研課題組吸納本科生，課題組指導前瞻性實驗和運用先進測試手段的實驗，進一步修訂卓越工程師班部分專業課程實驗，強化卓越工程師班的實踐教學，探索經典實驗與課題實驗的融合，激發學生學術興趣、活化知識聯結、激發創新意識，形成了以具體科研任務為依托，嵌入基礎理論知識的校內實驗教學模式。在生產實習和認識實習方面，針對材料科學，材料工程和材料應用三個方向具體情況，建立不同方向實習內容差異化，實習時長、實習模式、考核方式的規范化和標準化制度。

（四）依托外部資金支持，加大實踐教學環節經費投入，改善教學效果

西安建筑科技大學材料學院現有校外企業捐助的 “卓越工程師實踐教學助學基金”等獎（助）學基金6項，基金每年資助 40萬元，支持材料科學與工程專業卓越工程師班本科生實踐能力的培養和提升。這些基金中最早運作時間從2001年，最短運作時間也滿一年。多年來校院兩級教學組織，精心組織，成立專門的基金管理機構，編制基金管理辦法，嚴格執行捐助協議和基金管理辦法，探索資金在實踐教學環節使用途徑，切實保障專項資金用好、用到位、用到實處。初步改觀了因實踐教學經費捉襟見肘導致的現場實踐時間過短、師生不滿意、實踐效果不理想的問題。以獎（助）學金為依托，強化科研訓練平臺、學科競賽平臺和社會實踐平臺功能。通過企業獎學金（助）的投入，樹立專業標桿性學生，以榜樣的力量引導、激勵低年級學生。

以畢業設計為例，學院每年生均投入3000元與新疆凱盛建材設計院，山東建筑材料工業設計研究院等8家單位開展了卓越材料工程師校外頂崗畢業設計，取得了較好的效果。后續如何深化合作方式，拓展合作企業，降低投入成本等方面開展進一步的優化，讓學生有機會到企業第一線了解產品、工藝和行業，開拓了學生的視野，激活了學生的思維，也讓新工科人才培養體系更具針對性和有效性。

（五）長期、穩定的實習實訓基地建設保證了多個實踐教學環節順利開展

經過多年的積累和維護，材料科學與礦資學院以科研攻關、技術服務等方面為切入點，本著誠信互利的原則，為企業解決技術難題，提高了本專業在企業中的影響力，材料科學與工程學院已與多家材料學科相關企業建立了產學研合作基地（陜西堯柏特種水泥工程中心、陜西聲威建材（集團）工程中心、北京新奧混凝土工程技術中心，萊鋼集團固廢資源利用工程中心），與企業形成了長期的、密切的多渠道、多層面校企合作關系，確保了生產實習、認識實習等實踐教學環節的正常化、制度化和規范化。

（六）一系列制度建設有效保障了實踐教學環節有序開展

實施涵蓋整個畢業實習和畢業設計的校外頂崗實習和設計細化、可實施、能考核的工作細則，制定了行業領軍專家和校外實踐教學指導教師遴選、聘任辦法，編制了“卓越工程師實踐教學助學基金”等6個獎助學金在卓越工程師實踐教學環節的資助獎勵辦法。這些辦法的實施從制度上保障了各個實踐教學環節有序、高效、穩定開展。

四、結束語

實踐教學是衡量學生理論基礎、實踐動手能力和解決問題綜合水平的標尺，既是專業課程知識的實踐運用，又是所學專業課程知識的檢驗。為契合工程教育專業認證和新工科建設要求，從師資隊伍建設入手，借助多個獎助學金平臺，緊密聯系教工科研課題與學生專業課程實驗，提升學生理論知識與生產實踐相結合的能力和學生解決復雜工程問題的能力，增強學生實踐實習的主動性和參與性。構建有利于大學生成人、成才的人才實踐教學培養體系，探索了培養“有創意、能創新、善創業”的卓越材料工程師的有效路徑。

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