新工科背景下光電材料與器件實驗課程體系的創新與重構

祁亞軍 江娟 張蕾

[摘 要] 實驗課程教學是培養創新型卓越工程人才的重要手段。新工科人才培養需求和以工程認證為抓手的新工科專業建設對實驗課程體系提出了新的要求。以湖北大學材料科學與工程專業為例，以工程教育認證的核心理念為導向，探討了光電材料與器件專業方向實驗課程體系建設的思路和方法，構建了分層次多模塊的實驗課程體系，并充分發揮信息技術優勢，引入“虛實互補”實驗體系平臺;強化科教協同、產教融合，提升學生實踐創新能力，以期建立目標導向的人才培養模式，促進學科發展和專業建設。

[關鍵詞] 新工科;實驗課程體系;虛實互補;科教融合

[基金項目] 2021年度教育部第一批協同育人項目“材料科學與工程專業學生工程實踐能力提升與探索”（202101346002）

[作者簡介] 祁亞軍（1980—），男，湖北咸寧人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，主要從事鐵電多鐵性材料與器件研究;江 娟（1980—），女，湖北十堰人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院副教授，主要從事微波介質材料與器件研究;張 蕾（1981—），女，湖北棗陽人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院副教授，主要從事二維光電材料與器件研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0021-04 [收稿日期] 2021-09-02

一、研究背景

隨著全球經濟轉型和產業組織方式的轉變，應對新時代技術革命，培養創新型卓越工程技術人才，是新時代高等院校工程教育改革的迫切要求。2017年2月以來，教育部先后召開新工科研討會，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一個新的階段[1，2]。堅持立德樹人，以應對變化塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養多元化創新型卓越工程人才，是新工科人才培養的新內涵[1-3]。新工科建設是以創新型、綜合化、全周期、開放式工程人才培養為理念，全面踐行“以學生為中心、產出導向教育（Outcome-Based Education， OBE）”的質量理念，因此，以成果導向的工程教育認證成為實踐教學體系改革的重要抓手，在教師中深入貫徹OBE理念，重構實踐課程體系，有助于推動工程技術人才培養質量的提升。

不同類型不同層次高校新工科建設的實踐與探索各具特色。湖北大學材料科學與工程專業是湖北省一流專業建設點，以光電材料與器件為專業方向特色。新工科形勢下，材料科學與工程專業立足湖北、面向中南、輻射全國，培養具有扎實自然科學、人文和社會科學基礎，掌握光電功能材料領域的科學原理和工程應用的基本理論，具備研究、分析和解決光電功能材料合成與制備、設計與開發能力，具有創新意識和解決復雜工程問題能力的高素質卓越工程應用型人才。材料科學與工程專業具有很強的實踐性，實驗課程在培養學生的實踐能力和創新能力、綜合運用所學知識分析和解決復雜工程問題的能力上，特別是在培養學生探索材料構效關系、開發新材料和解決材料實際工程問題的綜合素質和能力方面，發揮著舉足輕重的作用。改革實驗教學首先要認識到實驗教學在工程能力培養中的雙重功能，其既用以鞏固驗證理論知識，又具有培養學生解決復雜工程問題的勇氣、方法、創新能力和其他綜合素質的功能。目前，材料科學與工程專業實驗課程體系存在實驗教學體系單一、教學手段落后、教學內容陳舊等問題，難以激發學生深入學習的興趣，亟待改革創新。

本文以湖北大學材料科學與工程專業的實驗課程體系建設為例，在思想上切實貫徹OBE質量理念，重新構建光電材料與器件特色方向的實驗課程體系，形成分層次多模塊的實驗課程體系，充分發揮信息技術優勢，引入“虛實互補”實驗體系平臺，強化科教協同、產教融合，提升學生的實踐創新能力，以期建立目標導向的人才培養模式，促進學科發展和專業建設。

二、實驗課程體系存在的問題

1.我校材料科學與工程專業是在20世紀80年代鐵電壓電材料研究所科研工作的帶動下開創和發展起來的。1992年招收第一批電子材料專業的本科生。2003年創辦了材料物理專業。為推動新工科教育，滿足大類本科人才培養改革的要求，2019年與無機非金屬材料工程專業合并組建了材料科學與工程新工科專業。結合我校材料學科的發展，突出優勢和特色，確定光電材料與器件方向為材料科學與工程專業的特色方向，相關的課程體系圍繞該方向展開。此前的實驗體系主要圍繞電子材料的制備、性能測試等方面開設實驗項目，缺乏能力培養的遞進層次，學生自主創新性不足，不能滿足新的培養計劃和工程教育認證的要求，實驗課程體系亟待重構。

2.實驗內容陳舊，實驗項目亟待更新。受實驗條件限制，所涉及的實驗對象、實驗方案等工況過于簡單，驗證性實驗所占比重過大，學生在實驗過程中只是機械地完成規定動作，記錄數據，套用現成的實驗報告，而綜合性、設計性、創新性的實驗內容比重偏低，難以達到新工科背景下對卓越創新人才的實踐訓練要求。

3.教學手段單一，缺少師生互動。傳統的實驗教學以教師集中講解實驗過程、注意事項、實驗操作要點為主，學生分組操作并記錄實驗數據，完成實驗報告，在這一教學過程中學生處于被動學習狀態，鮮有機會對實驗過程中涉及的原理進行深入思考，不能對實驗過程中出現的實驗現象進行合理解釋，更不能與實際工程問題相結合，提出解決問題的方案。

三、貫徹OBE理念，優化實驗教學課程體系

材料科學與工程是研究材料的組成、結構、合成與制備、性質與使役性能等基本要素及其相互關系的科學，是一門涉及物理學、化學、計算科學、工程學和材料科學的綜合型交叉學科。材料類專業作為一類數理與工程學交叉的學科，按照工程教育認證的要求，其實驗課程體系包含物理學、化學、計算機操作、電工電子技術等公共基礎實驗，還包括材料科學基礎實驗、材料工程基礎實驗、材料測試與表征等專業基礎實驗，以及設計光電材料與器件專業方向的專業實驗三個模塊的實驗課程體系。按照工程教育認證的要求，已經完善和修訂了公共基礎實驗和專業基礎實驗課程體系，本文重點討論專業實驗課程體系。依據實驗內容對畢業要求的支撐要點，專業實驗又可構建驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三個層次的實驗教學體系。

1.在驗證性實驗層次，如光敏電阻特性實驗、光敏二極管的特性測試等基礎性實驗，學生通過對實驗方法、測試工具、基礎操作方法等進行實踐訓練，驗證基本定理、定律和結論等，夯實實踐動手能力。此為第一個層次應獲取的能力。

2.在掌握基本知識、基本技能的基礎上，運用這些知識開展綜合性實驗，如LED光譜特性測試實驗、場效應晶體管特性測試等，培養創新實踐能力。此為第二個層次應獲取的能力。

3.第三個層次，開發創新性設計性實驗項目，培養學生解決復雜工程問題的能力，如光電材料與器件綜合設計實驗，從光電材料應用背景，材料成分、結構特性，性能優勢，到材料制備工藝設計、性能測試，器件設計與制造封裝及其工程應用綜合評價等一整套的綜合設計實驗，該實驗內容可以來源于教師的科研項目，教師提出工程應用的需求，學生自行設計并實現，通過科學規范的培養與訓練，提高學生的創新意識和創新能力。通過這一層次實驗教學內容的改革，有助于培養學生獨立提出問題、分析問題和解決問題的能力，強化他們對基礎知識的理解和綜合應用能力，充分挖掘學生的創新潛能，調動學生的學習主動性和積極性，提高學生解決復雜工程問題的能力。

四、“虛實互補”構建實驗教學新模式

充分發揮信息技術優勢，構建虛擬場景，將虛擬仿真技術引入實驗教學體系中，將理論教學和實驗教學深度融合，實現理論教學形象化，“理論—仿真—實驗”一體化，“虛實結合”常態化，有效地將現代信息技術融入傳統實驗教學，拓展實驗教學內容的廣度和深度，提升實驗教學的質量和水平[4-7]。整合信息技術、創建虛擬學習環境、實現跨學科協同合作，依據“虛實結合、互為補充、能實不虛”的原則，充分發掘實驗資源，開發新的實驗項目，調整、優化實驗內容。

本專業已建成材料分析測試虛擬仿真實驗室，針對材料測試表征技術中涉及眾多大型精密儀器設備的狀況，我們采取“虛實結合”的模式，形成“理論—仿真—實驗”一體化課程體系，既加深學生對理論知識的理解，也避免大型科研儀器設備的損壞。前期理論課程“材料現代表征技術”對材料結構測試的X射線衍射技術、電子顯微技術、X光電子能譜技術等測試技術基本原理和儀器特點做全面細致的介紹，在測試實操前，進入虛擬仿真實驗室，先對基本原理、操作流程、實驗結果及操作失誤所引起的結果進行虛擬呈現，加深對原理、操作步驟的理解，促進學生思考，提高學習效果。同時，依據不同的理論課程特點，開發不同層次的計算模擬實驗，將抽象難懂的微觀機制通過虛擬形象呈現，促進學生對理論知識的理解。如為使學生更加直觀、全面地理解光電器件工作原理，構建虛擬光子、電子輸運微觀過程，通過動畫形式呈現，促使學生將知識內化吸收，對其基本原理有更直觀的理解，再結合實際的實驗過程，通過實驗參數的改變、測試數據的記錄和分析，有效激發學生的學習興趣，提升教學質量。進一步分類總結光電材料與器件應用中涉及高?；驑O端的環境，不可及或不可逆的操作及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等的實驗實訓項目，開發眾多綜合、可靠、安全和經濟的虛擬仿真實驗項目，推動實驗課程教學變革。

五、強化科教協同、產教融合，提升學生的實踐創新能力

教學促進科研，科研反哺教學，通過科教融合和產教融合推動實驗教學創新。發揮高?？萍紕撔潞涂萍挤盏膬瀯荩膭?、支持教師將科研最新成果和技術服務最新方案轉化為實驗課程教學內容或實驗項目;發揮武漢光谷光電產業集群優勢，強化校企合作，產教融合協同育人，將部分實驗教學內容安排在學生的企業學習階段，并建設企業實驗教學指導教師隊伍。此外，以“政產學研用”為出發點，形成一流的協同育人機制。通過設立創新人才培養實驗基地、產教融合創新平臺、聯合研究實驗室與合作研究中心等形式，組織參與政府和企業的科研項目，幫助企業解決技術難題，搭建“政產學研用”五位一體的協同培養多元平臺;構建產業技術創新戰略聯盟，通過組建以企業為主導的多種形式的產學研用技術創新戰略聯盟，促進政產學研深度合作，推進高校與企業和科研院所的結合，以重大科研項目為載體組建研究基地和技術創新團隊，形成“人才+項目”的培養模式。

結語

實驗教學是新工科形勢下培養創新型卓越工程人才的關鍵環節和重要手段。以工程教育認證為抓手，秉持“學生中心，產出導向，持續改進”的OBE理念，構建公共基礎實驗、專業基礎實驗及專業實驗三個模塊的實驗課程體系。圍繞培養學生實踐動手能力、創新實踐能力、解決復雜工程問題能力的要求，在專業實驗體系中對應這三種能力的培養著重構建驗證性實驗、綜合性實驗和創新設計性實驗三個層次的實驗課程體系。同時，整合教育技術、創建虛擬學習環境、實現跨學科協同合作，“虛實互補”構建實驗教學新模式;發揮科技創新和科技服務優勢，強化科教協同、產教融合，提升學生的實踐創新能力。實驗課程體系的創新與重構，必將有助于提升卓越工程人才的質量。

參考文獻

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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