面向新工科的卓越材料工程师实践教学体系改革与探索

2019-09-10宋强胡亚茹杨源尚晋谦郭进平肖国庆

高教学刊 2019年4期

宋强胡亚茹杨源尚晋谦郭进平肖国庆

摘要：实践教学环节是工科专业教学体系中的重要组成部分，发挥重要作用。在卓越工程师教育培养计划和工程教育专业认证的基础上，聚焦新工科建设要求，分析了材料专业实践教学环节的现状与问题，通过多元化组建实践教学师资队伍，现有实践教学环节和模式优化调整，以实际课题任务为依托的专业实验课程设置，顶岗毕业实习和设计，外部资金支持保障等方面，构建了面向新工科建设的卓越材料工程师实践教学体系。

关键词：新工科；材料类专业；卓越工程师教育培养计划；实践教学体系

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

我国工程教育在过去60年取得了巨大的成就，特别是改革开放40年来，培养了大批工程技术人才，支撑了连续30年的经济高速增长。我国拥有世界上最大规模的工程教育[1]。教育部数据显示，2016年工科类本科在校生538万人，毕业生123万人，工科在校生约占高等教育在校生总数的三分之一[2]。虽然毕业生在数量上满足了新产业发展需要，但在质量上却存在毕业生能力和企业实际需求匹配度较低的问题。在卓越工程师计划和工程教育专业认证背景下，多数高校的工程教育日益注重培养学生解决“复杂技术问题”的能力，其能力高低的检验标准是学术标准，即在学术方面是否存在创新[3]。然而，这些毕业生一旦步入社会，遇到实践问题时往往很难提出有效的解决方案，难以适应传统材料转型升级的发展要求。

2017年吳爱华等发表在《高等工程教育研究》的《加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济》一文，正式提出“新工科”概念[4]。2017年2月以来，教育部先后在复旦大学、天津大学召开新工科研讨会，分别形成的“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”标志着以新工科建设为主题的高等工程教育改革进入到一个新的阶段[5]。新工科以工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系为内涵[6，7]，既包括新兴工科专业，也包括传统工科专业的升级改造[8]。

西安建筑科技大学材料科学与工程专业在2006年教育部本科教学评估取得优秀成绩的基础上，2010年入选“卓越工程师培养计划”，2015年通过工程教育专业认证。论文在“新工科建设”背景下，以西安建筑科技大学材料专业实践教学体系构建为例，探索了实践教学环节共性问题和我校材料专业特性问题解决途径，构建了新工科背景下的材料科学与工程专业实践教学体系。

一、卓越材料工程师培养实践教学环节问题分析

（一）师生利益冲突严重，工科教育“泛科学化”，教师的工程素养欠缺

当前工科专业教师的主要利益在于如何做出高层次的科研成果，如何快速晋升。学生的根本利益在于在学校所学的知识、能力能否满足步入社会后工作竞争的需要。作为教工工作积极性和主动性的指挥棒——教工晋升考核体制导致工科教学存在严重的“泛科学化”倾向[9]。目前大多数工科院校对教师、教辅考核体系只注重论文、科研项目、课堂教学，基本不重视实践教学。教师、教辅必须将主要时间倾注在学术水平提升上，基本忽略了自身工程实践能力的训练和培养，对参与实践性教学环节热情不高。同时，随着材料科学的快速深入发展导致教师必须在非常狭窄的学术领域开展深入、细致的科学研究，这使得教师在知识结构上必须专门化、深入化，间接限制了教师自身实践能力拓展。以上两个方面间接导致了教师所指导的学生实践能力差等问题。这与工程教育专业认证“产出导向”、“以学生为中心”核心理念[10]相背离。

（二）传统实践教学模式已不适应现代工程设计的实际需求

材料科学与工程作为一门传统工科学科，在科学理论、工程应用、装备仪器、标准规范等方面已经形成了相对成熟的系统体系，当前的课堂和实践教学主要围绕经典理论和实验展开。而教师承担的各种课题是这些理论和方法的精细化运用，学生后续深造和就业后需要精细化运用这些理论和方法。因此存在教师传授的和自身使用的，学生当前学习的和将来需要的存在严重脱节。

毕业设计为例，毕业设计作为本科教育最为重要的实践教学环节，是对大学生综合素质与工程实践能力的全面考察，也是大学生从大学课程向未来工作的过渡。然而当前大多数材料类专业依然沿袭传统的毕业设计教学模式，仅仅考虑技术、规范，严重脱离了企业的生产实际，只涉及本专业的内容或虽对交叉学科知识有所涉猎但涉及很浅，甚至毕业设计内容陈旧，有时直接“从资料到报告，从图纸到图纸”，不能满足现代工程对多学科交叉的工程实际、多视角思维能力的要求，难以实现毕业设计的过渡性、综合性、实践性和探索性[11，12]。现代工程是复杂的系统，要求由经济、法律、技术、环境、工程和管理知识集成，从而实现最优材料生产管理，单一材料科学与工程专业的毕业设计或毕业论文则难以实现这一目标。传统毕业设计是以科学和技术视角考查学生的专业能力，很少以社会、环境、经济和法律等多学科视角训练学生思考和解决问题的能力。

造成这一问题的主要原因是实践教学模式已经不能满足现代企业对人才的要求。德国巴伐利亚职教师资培训中心推行的以实际工作任务为教学目标的专业教学方法，改变了这种传统陈旧的实训教学模式[13]。无论从教学的内容和形式，还是教学方法和手段，都有一定的新意。如何将本科生的实践教学环节与教师的科研课题紧密联系，本科生参与课题后能否避免“打杂”角色等问题都需要探索和实践。

（三）学生的专业课程知识与实践教学结合不够，理论联系实际不足

认识实习、课程设计、生产实习、毕业设计作为集中实践环节，既是前期所学理论知识的总检验，又是专业课程知识的实践集中运用。新工科建设和工程教育专业认证要求学生运用专业课程理论知识分析、解决复杂工程问题，培养工程实践能力。然而先修专业课程庞杂，涉及物理、化学、机械、工程等众多领域，加之生产实习内容本身又是一个系统工程[14]，从而增加了理论知识与工程实践结合的难度（即使学生有意识地结合这两个方面，这种结合也是模糊的、不准确的或对结合后的结果不确定的），学生自身很难从中已学理论知识中选择出正确、合适的切入点与工程问题结合[15]。

（四）实践教学中信息（知识）不对称，教师传递的知识数量、质量基本不受监督和控制。同时，在实践教学过程中知识传递的时间、地点、对象不固定，造成学生接收的知识数量不全面、质量不均衡

在传统教学模式中，存在教师和学生之间知识非对称现象，教师处于占据知识的主动优势，而学生处于知识的被动劣势。造成知识不对称的原因有两方面：1. 教师知识集大于学生的知识集；2. 公共信息不及时、不主动公开[16]。这种信息不对称造成了只强调教的环节而忽略学的环节，学生被动接受，缺乏主动性，最终导致不利于学生的智力和创造力开发，不利于培养学生创新能力的形成和创造性人才的成长，不利于实现师生的实践教学中的互动，不利于对学生进行科学公平的考核[17，18]。

（五）缺乏激励学生创新实践的开放管理机制

一是教学内容设置上，缺乏拓展性实践教学，不注重对学生在实验基础上发散型思维的培养和引导[19]；现有实践教学仅仅作为理论教学的补充，浮于形式，内容陈旧，难以开展先进材料相关的技术实践，少有开放性结果的实验激发学生的兴趣和思维模式。二是实验设备缺乏对学生的开放式管理，学生难以根据自身需要自主开展实验。受限于当前的实验室管理制度、实验仪器数量、实验场地接纳能力、实践经费有限等因素，当前的实验设备学生较难实现开放式管理[20]。三是传统材料行业存在高溫、粉尘、噪音等特点[15]，出于对学生和仪器安全考虑，稍有难度或使用先进测试手段的实验倾向于演示性、验证性开展，学生实践能力难以提升。

二、卓越材料工程师培养实践教学体系改革思路

围绕工程教育专业认证培养目标，遵循新工科实践教育体系与实践平台构建要求，针对专业课程与生产实习结合不足等形势和问题，项目组以实践课程体系化、实践能力培养规范化、学科交叉训练题目实际化、师资队伍多元化为目标，综合考虑卓越工程师培养的实践要求。以卓越工程师班“单独”招生为契机，深化卓越工程师班实践教学培养体系改革，实现科学、工程、应用三方向实践教学深度融合；以“卓越工程师实践教学助学基金”投入为支撑，从行业领军专家授课、指导入手，有机结合校内教师“工程实践”要求，建设“理论和实践兼修”的师资队伍；以毕业生就业领域为导向，形成学生就业领域-教师科研课题-企业工程实际相接近的校外毕业设计培养模式；以学校现有竞赛、科研训练和社会实践平台为依托，指导教师科研课题为导向，加大课程外实践成果奖励力度，提升学生开展课程外实践效果。最终构建课程内实践和课程外实践互为补充和拓展的面向新工科的卓越材料工程师实践教学体系。在强调实践教学体系构建的同时，注重实践应用，在一到两届生产实习课程上实践探索应用，反馈修订实践教学体系，以期最终在全专业推广应用。项目总体建设思路见图1。

三、卓越材料工程师培养实践教学体系改革举措

（一）多元化组建了“理论和实践兼修”的师资队伍

教师队伍是持续提高实践教学水平的关键，优化的师资队伍不仅能够提升实践教学的专业覆盖面，而且也能保证多层次实践课程的顺利实施。为保证卓越工程师班实践教学环节的高质量实施，专门抽调材料科学，材料工程和材料应用三个方向具有丰富教学经验的教师组成“材料卓越虚拟教研室”强化卓越工程师班的教学效果。

在学校对教师专业技术职务晋升中工程实践要求的基础上，项目探索内部发掘和外部聘用的方式建立具有实践经验的校内外“双师”队伍。院内发动具有丰富工程实践经验的教师承担卓越材料工程师的课程建设、指导本科生毕业设计；校外聘任一批具有现代企业实践经验的行业领军专家讲授、指导专业课程和实验，同时聘请一部分大型、知名企业的高级工程师承担工程教育和校外实践教学工作，建立了行业领军专家和校外实践教学指导教师聘任、资助办法。

（二）行业领军专家互动授课提升了师生学科兴趣，拓展了师生视野，了解了学科前沿

通过诸如《工艺设计概论》等一些具有实际操作性质的课程，和《材料工程进展》等学科前沿课程邀请“全国工程设计大师”蔡玉良，江苏省颗粒学会理事长叶旭初，丰田（澳大利亚）数据首席科学家程国坚等国内外知名教授就材料工程创新，材料工程大数据等学科前沿以及经验感悟、敬业精神等职业素养开展讲授和交流，以增强学生工程创新能力，引导学生树立正确的理想信念。

（三）优化调整实践教学课程体系，实验课程嵌入实际科研项目

材料专业学生以学习材料科学与工程的基础理论、材料生产工艺及设备的基础知识，掌握其组成、结构与性能的关系为主要任务，以具有新材料开发、材料生产制备、材料应用管理的能力为主要培养目标，并在材料科学、材料应用、材料工程三个方向上各有侧重。为适应新工科建设要求，教研室大幅度修订卓越工程师培养计划和课程方案，打通材料科学、材料应用、材料工程三个方向的专业课程，优化了3个方向专业课程和课程设计内容，提出了全面、完整、详实的，可支撑工程教育专业认证和新工科学生实践能力要求的实践教学方案，着力培养宽口径，厚基础，强能力，高素质拔尖人才。

在专业课程实验和工艺设计方面，结合现有“材料卓越虚拟教研室”教师科研课题与所授课程实践教学任务，鼓励“国家重点研发计划”、“国家自然科学基金”等省级以上科研课题组吸纳本科生，课题组指导前瞻性实验和运用先进测试手段的实验，进一步修订卓越工程师班部分专业课程实验，强化卓越工程师班的实践教学，探索经典实验与课题实验的融合，激发学生学术兴趣、活化知识联结、激发创新意识，形成了以具体科研任务为依托，嵌入基础理论知识的校内实验教学模式。在生产实习和认识实习方面，针对材料科学，材料工程和材料应用三个方向具体情况，建立不同方向实习内容差异化，实习时长、实习模式、考核方式的规范化和标准化制度。

（四）依托外部资金支持，加大实践教学环节经费投入，改善教学效果

西安建筑科技大学材料学院现有校外企业捐助的 “卓越工程师实践教学助学基金”等奖（助）学基金6项，基金每年资助 40万元，支持材料科学与工程专业卓越工程师班本科生实践能力的培养和提升。这些基金中最早运作时间从2001年，最短运作时间也满一年。多年来校院两级教学组织，精心组织，成立专门的基金管理机构，编制基金管理办法，严格执行捐助协议和基金管理办法，探索资金在实践教学环节使用途径，切实保障专项资金用好、用到位、用到实处。初步改观了因实践教学经费捉襟见肘导致的现场实践时间过短、师生不满意、实践效果不理想的问题。以奖（助）学金为依托，强化科研训练平台、学科竞赛平台和社会实践平台功能。通过企业奖学金（助）的投入，树立专业标杆性学生，以榜样的力量引导、激励低年级学生。

以毕业设计为例，学院每年生均投入3000元与新疆凯盛建材设计院，山东建筑材料工业设计研究院等8家单位开展了卓越材料工程师校外顶岗毕业设计，取得了较好的效果。后续如何深化合作方式，拓展合作企业，降低投入成本等方面开展进一步的优化，让学生有机会到企业第一线了解产品、工艺和行业，开拓了学生的视野，激活了学生的思维，也让新工科人才培养体系更具针对性和有效性。

（五）长期、稳定的实习实训基地建设保证了多个实践教学环节顺利开展

经过多年的积累和维护，材料科学与矿资学院以科研攻关、技术服务等方面为切入点，本着诚信互利的原则，为企业解决技术难题，提高了本专业在企业中的影响力，材料科学与工程学院已与多家材料学科相关企业建立了产学研合作基地（陕西尧柏特种水泥工程中心、陕西声威建材（集团）工程中心、北京新奥混凝土工程技术中心，莱钢集团固废资源利用工程中心），与企业形成了长期的、密切的多渠道、多层面校企合作关系，确保了生产实习、认识实习等实践教学环节的正常化、制度化和规范化。

（六）一系列制度建设有效保障了实践教学环节有序开展

实施涵盖整个毕业实习和毕业设计的校外顶岗实习和设计细化、可实施、能考核的工作细则，制定了行业领军专家和校外实践教学指导教师遴选、聘任办法，编制了“卓越工程师实践教学助学基金”等6个奖助学金在卓越工程师实践教学环节的资助奖励办法。这些办法的实施从制度上保障了各个实践教学环节有序、高效、稳定开展。

四、结束语

实践教学是衡量学生理论基础、实践动手能力和解决问题综合水平的标尺，既是专业课程知识的实践运用，又是所学专业课程知识的检验。为契合工程教育专业认证和新工科建设要求，从师资队伍建设入手，借助多个奖助学金平台，紧密联系教工科研课题与学生专业课程实验，提升学生理论知识与生产实践相结合的能力和学生解决复杂工程问题的能力，增强学生实践实习的主动性和参与性。构建有利于大学生成人、成才的人才实践教学培养体系，探索了培养“有创意、能创新、善创业”的卓越材料工程师的有效路径。

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