面向新工科的材料類專業校內工程實踐場所構建

周耐根，唐建成，徐玉華，李樣生，甘祥來

（南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330031）

我國工程教育的規模位列全球第一，這為我國改革開放和現代化建設輸送了大批工程人才。但我國現行的工程教育是在傳統工業化過程中建立和發展起來的，工程教育的質量以及學生工程創新的能力卻不容樂觀。“大而不強、多而不精”一直是我國工程教育發展中的主要問題[1-2]。新工科教育理念的提出，開拓了工程教育改革新途徑[3]。其中綜合能力或工程創新能力就是新工科人才培養的核心要素之一，要求新工科背景下的學生具備的綜合能力包括應用所學知識解決實際工程問題，工程設計、創新創造創業能力，團隊、溝通交流和領導能力，終身學習能力以及專業所涉及的核心技能和職業態度等[3-4]。

高校內現有實驗室基本上按課程進行建設，不利于新工科人才綜合能力或工程創新能力的培養，因此有必要對現有的部分實驗室進行升級改造，構建一個良好的校內實踐場所，支撐新工科人才工程創新能力的培養，解決工程教育人才培養同生產和創新實踐脫節等問題。本文以南昌大學材料科學與工程學院的校內工程實踐場所構建為例進行探討。

1 傳統校內實驗室現狀

校內實驗室基本上因課程而建設，基礎課到專業課對應于基礎課實驗室和專業課實驗室。基礎課實驗室包括大學物理實驗室、大學化學實驗室、計算中心、電工電子實驗室、機械制圖實驗室等。專業課實驗室則又分為專業基礎課實驗室和專業方向課實驗室。各高校材料類各專業方向的基礎課實驗室大同小異，一般包括材料科學基礎實驗室、分析測試中心、材料性能學實驗室等。專業課實驗室則按照各專業方向的不同有所差異。如金屬材料方向則有熱處理實驗室、金屬熔煉實驗室等；而無機非金屬材料方向則建設陶瓷燒制實驗室、粉體實驗室等。這種附屬于課程的實驗室建設模式，可以較好地按照教學大綱滿足基礎課理論知識的實踐訓練，但同時存在以下不足：

（1）實驗室功能單一[5-6]。一個實驗室服務于某一門特定課程，安排上某一個或幾個特定實驗，實驗內容相對固定。這種模式下的實驗室難以讓學生從原料到制備再到性能測試上完整地理解材料的工藝并進行實踐，以至于學生在單科實踐課程上拿高分，卻在面對實際工程問題時一籌莫展。這也導致了工程教育培養的人才與國家重大工程建設、企業技術創新需求相脫節，不符合新工科對人才培養的要求。

（2）實驗室缺乏交流討論與主動學習的環境。傳統實驗室根據大綱要求配置實驗儀器和設備，實驗教學主要是在教師指導下開展演示性、驗證性實驗，少量綜合性或設計性實驗也是學生在課外設計好方案，再到實驗室進行驗證。這種模式決定了實驗教學以教師為中心，學生被動地跟著教師完成實驗內容，無法激發學生的學習興趣和工程創新思維，也不利于學生的團隊精神、交流合作等綜合能力的培養。

2 面向新工科的校內工程實踐場所的構建

在中國工程教育專業認證的 OBE（產出導向），CDIO（構思—設計—實施—運行）工程教育和“大工程觀”的理論指導下，學院對部分專業實驗室進行了升級改造。

2.1 按生產線模式重建校內工程實踐場所

按生產線模式改造原有的教室和工程實驗室，支持學生在實踐中學習產品、過程和系統的建造能力，漸近式地引導學生從設計到實踐實驗；突破傳統實驗室功能單一的不足，從硬件上體現實踐教學的系統性和完整性，注重工程本身的系統性和完整性。

圖1—圖3分別展示出了金屬材料、陶瓷、新能源材料與器件的實驗平臺結構。這些實驗室相同的特點是，在一個大的實踐空間內，沿空間的四周按生產線的模式布置了實踐所需的各類設備。金屬材料實驗平臺布置示意見圖 1，按原料設備—制備—熱處理—加工成形—性能測試區依次布置；陶瓷實驗平臺建設效果見圖 2，按粉磨配料—制樣—燒結的順序布置設備；新能源材料與器件實驗平臺見圖 3，按電極制片—電芯裝配—激活檢測的流程布置。

學生一進實驗室，就對材料的生產工藝有個完整的認識。同時，關于材料從原料到性能測試各環節的實踐均可以在一個實驗室內完成，增加了實踐的靈活性和系統性，也利于培養學生的“大工程觀”。

2.2 增設交流討論空間和相關設施

圖1 金屬材料實驗平臺布置示意圖

圖2 陶瓷實驗平臺建設效果圖

圖3 新能源材料與器件實驗平臺

在大實踐場所的中間，建設一個工作平臺，再配上網絡、電腦和多媒體展示等常見的其他設施，就在傳統實驗室內增設了一個學生構思、設計和交流的空間。工程實踐場所以學生為中心，并且易用、方便和具有互動性，讓學生體驗整個產品、過程或系統的生命周期。上述措施從硬件上保證新工科的實踐教學體系的實現。

3 面向新工科的校內工程實踐場所的效果

（1）有利于培養學生的“大工程觀”思想，以及與企業順利對接的工程實踐能力。“大工程觀”最早是由美國麻省理工學院工學院院長喬爾莫西斯提出的一種全新的工程教育理念[7-8]。其主要思想是未來工程師的培養要注重工程本身的系統性和完整性。“大工程觀”既包括宏大或復雜的工程視野、工程的多學科視野及其所需要的科學基礎素養，還包含相應的人文情懷及工程組織素養等[9]。按生產線模式構建的校內工程實踐場所包含了材料制備檢測的全套工藝流程，體現了工程系統性，方便了與企業生產進行對接。討論交流空間則非常利于學生的交流合作、工程組織素養的培養。全生產線、多功能、討論交流等為解決材料科學與工程領域中的復雜工程問題提供了支撐，一方面培養了學生宏大或復雜的工程視野、工程的多學科視野；另一方面也通過合作交流培養了學生的團隊精神和工程組織素養等。從硬件為“大工程觀”的人才培養提供了保證。

（2）有利于發揮學生的主觀能動性，培養學生的工程創新能力。為了更好地培養學生的工程創新能力，早在2004年Wallenburg基金會資助MIT和瑞典的幾所大學共同研究提出了CDIO工程教育模式[10-11]，并得到了國內外廣泛認可。這個以產品、過程和系統的構思、設計、實施、運行全生命周期為背景的教育理念，讓學生主動地、實踐性地通過課程之間具有有機聯系的方式學習和獲取工程能力[12]。并且，CDIO工程教育模式對實踐場所提出了一個概念模型，CDIO實踐場所的概念模型見圖 4[13]。升級改造后的實踐場所符合這個概念模型。每個實驗室的中心預留了工作平臺，可以完成構思和設計過程，實驗室四周配備的系統完整的實驗設備可以完成實施、運行過程。工作平臺中的網絡可以連接學校圖書館，提供學習資源；同時平臺提供的電腦和投影（或大屏幕電視）等為小組合作討論、交流提供了便利。加上實驗室開放共享的管理等，完全符合CDIO實踐場所需要的功能。

圖4 CDIO實踐場所的概念模型

中國工程教育專業認證協會提出 OBE（產出導向）理念和“以學生為中心”的思想[14-15]。這也是CDIO工程教育模式中反復強調的內容。而傳統實驗室適合“以教師為中心”的教學模式，難以讓學生根據自己想法要求實施實驗，不利于激發學生的主觀能動性和創新性。升級改造后的實踐場所，提供學生自由發揮的空間，實施自己想法的設備保障，和交流、討論、相互學習的條件。因此，升級改造后的實踐場所從硬件上保障了教與學模式的變革，從圍繞老師開展實驗實踐的模式改變為圍繞學生開展實驗實踐的模式，體現“以學生為中心”的理念。

我校材料科學與工程學院以工程實踐場所建設為主要內容之一的教學改革獲得了 2018年江西省教學成果獎。通過第三方機構（麥可思數據有限公司）評價發現，材料科學與工程專業的在校生對實踐教學的滿意度達到90%以上，近三屆畢業生的工程能力達成度均在90%左右。用人單位對本專業學生工程推理和解決復雜工程問題的能力滿意度也在90%左右。學生的一次就業率由2013年的78%提高到2019年的95%以上，位于學校和江西省其他高校前列。

4 結語

面向新工科的校內工程實踐場所符合CDIO教育模式下的實踐場所概念，也體現了中國工程教育工程認證的核心理念之一“以學生為中心”和“大工程觀”的思想，有利于解決學校工程實踐能力的培養與企業等用人單位的需求脫節的問題，以及材料類專業學生工程創新能力弱的問題。該工程實踐場所是對傳統材料類實驗室的一個有效補充和提高，既能滿足基本的實踐教學需要，又可以作為科研訓練項目、創新創業項目等訓練基地。