谈金属材料开放与创新实验平台的建设

李慧　彭秋明　王少飞　刘建华　杨猛

摘要：培养创新型人才是实验教学改革的重点，实验室是培养学生具有创新能力的最基础的教学环境。通过建立金属材料开放与创新实验平台，开展各种科技创新活动、项目式教学、专业技能比赛、学科竞赛、专业知识讲座和开设实验通识选修课，建立创新实验教师队伍，构建材料学院金属材料工程创新基地，进一步完善工程型人才教学培养模式。金属材料开放与创新实验平台的建立激发了学生的学习兴趣，提高了学生的动手能力，提高了教师的业务水平和素养，提高了仪器设备的使用率，学生取得了喜人的成绩，从而全面提高了学生的理论应用能力和工程实践创新能力，培养出了金属材料工程专业创新能力强、实践能力强的工程型创新人才，实现了人才培养战略。

关键词：金属材料;开放平台;创新实验;人才培养

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2020.11.042

中图分类号：G420.0                                 文獻标识码：A                                 文章编号：1671—1580（2020）11—0182—05

实验教学是随着时代进步而逐步发展和完善的，但目前还存在一些问题和不足，例如实验教学体系还不够完善，实验教学环节、教学方法存在不当等问题，它将制约大学生创新创业能力的培养，因此，对其进行改革十分必要。培养创新型人才是实验教学改革的重点，实验教学要引导学生主动思考问题，激发创造精神，开发创造潜力。实验室是培养学生具有创新能力的最基础的教学环境。

2013年6月，我国成为《华盛顿协议》签约成员。成果导向教育理念引导工程教育改革，这标志着具有国际实质等效的工程教育专业认证的帷幕在我国拉开。工程教育专业认证遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进。这些理念对引导和促进专业建设与教学改革、保障和提高工程教育人才培养质量至关重要。

一、平台建设的必要性

（一）建设背景

教育部先后出台了多个指导性文件，强调实践育人环节。文件指出，要切实改变重理论轻实践、重知识传授轻能力培养的观念，注重学思结合，注重知行统一，注重因材施教，以强化实践教学有关要求为重点，以创新实践育人方法途径为基础，以加强实践育人基地建设为依托，以加大实践育人经费投入为保障，积极调动整合社会各方面资源，形成实践育人合力，着力构建长效机制，努力推动高校实践育人工作取得新成效、开创新局面。[1]

实践教学是学校教学工作的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是学生获取、掌握知识的重要途径。增加实践教学比重，确保各类专业实践教学必要的学分（学时）。实践育人基地是开展实践育人工作的重要载体。要加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设。[2]

注重学思结合。倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习。激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境。适应经济社会发展和科技进步的要求。[3]

多数传统的实验教学，往往是实验课跟随理论课程走的模式，实验教学根据理论教学的进度安排。实验目的、方法、内容、步骤等都由教师事先制定，学生在实验教师规定的框架中沿着既定的方法完成实验课任务。这种被动实验，所有学生的实验结果基本是一样的。割裂了各个实验项目间的系统性、整体性和关联性，导致学生的实验知识面狭窄，对参与实验兴趣不高，不主动去思考，实验结果相近，实验报告雷同。这不利于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，影响提升学生的创新思维和实践动手能力。[4-5]

金属材料工程专业是实践性较强的专业，要求学生具备深厚的专业理论基础、较强的专业技能和解决问题的能力。为了适应社会发展的需要，高等院校就要培养出理论知识扎实、实践创新能力强的复合型人才。燕山大学材料学院金属材料工程专业正在准备专业认证，成果导向教育（OBE）教学模式也正在逐步深入开展。OBE要求学生通过具有挑战性的任务，如提出项目建议、完成项目策划、开展案例研究和进行口头报告等来展示他们的能力。这样的任务，能让学生展示思考、质疑、研究、决定和呈现的能力。针对金属材料工程专业学生毕业能力的要求，结合理论教学和实践教学提出建设金属材料开放与创新实验平台。

（二）条件优势

材料学院金属专业实验室实验用房面积1392m2，仪器设备数量774台套，仪器设备原值6751万元，有“国家级材料综合实验教学示范中心”和“亚稳材料制备技术与科学”国家重点实验室的科研条件做支撑。此外还有“金属产品工艺和性能优化控制”河北省重点实验室，河北省“材料类”应用型人才培养模式创新实验区和“冶金工程材料”河北省本科教育创新高地，还有燕山大学国家大学科技园、材料学国家重点学科、材料科学与工程一级学科博士学位授予点和材料科学与工程博士后科研流动站作为依托。此外还有“材料现代分析测试方法”“工程材料”和“材料科学基础”三门河北省级精品课程。本科生的“电子显微分析”课程推荐为国家级线下一流课程。

材料学院金属材料工程专业是国家级第三批高等学校特色专业，1958年从哈尔滨工业大学迁入，目前已有62年专业历史，已经为重型机械行业、冶金行业、汽车行业、石油行业等以及河北省输送了大量的高水平技术人才。金属材料工程专业有一支业务能力过硬、认真严谨、年轻化、专业化的实验教学团队。在学生培养模式、实验教学改革、师资队伍建设等方面进行了改革，以培养学生创新意识、创新能力和实践能力为主线。随着教学改革不断深入，实验室已经在开展一些二级项目、三级项目课程的教学改革尝试，开设了一些开放式创新性实验，受到了学生的普遍欢迎，取得了初步的学习效果。[6-7]上述良好的学术环境和科研实践条件为建立金属材料开放与创新实验平台奠定了坚实的基础。

二、平台建设的具体内容

（一）平台简介

本平台的建立旨在全面提高学生的专业知识综合运用能力、交流表达能力、动手能力、协调合作能力、独立解决问题能力、学习能力和创新能力。这些能力的培养是工程专业教育的中心环节，比单纯地学习知识更为重要。

金属材料开放与创新实验平台是建立在国家级材料综合实验教学示范中心基础上的。该平台给学生提供实验场地、实验设备和实验材料，开设一些综合实验项目，开放创新实验项目，开展一些科技创新活动、专业技能比赛、学科竞赛、专业知识讲座等。开放创新实验定位于综合训练层次，与科研、生产和社会实践相结合，具有创新性和探索性。实验项目难度高于本科生课程设置的实验项目，培养学生综合分析与解决问题的能力。运用开放与创新实验平台，给学生创造一个更好的实验环境和科研平台，也更有利于学生顺利完成毕业论文阶段的实验研究工作，使实验课教学、课外科技创新活动、毕业设计三位一体，相互促进，共同发展。

（二）培育方法

1.开展科技创新活动

《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》[2]指出，要创新教育教学方法，促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容，重点实验室、研究基地等向学生开放。支持本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队。

我们的大学生创新训练计划项目，每年立项一次，面向大二和大三年级的学生。学生以小组的形式立项，先设计实验方案，经审核利用课余时间进入实验室进行实验。开放与创新实验平台，实现时间上开放、空间上开放和实验内容的开放，利用学生已经掌握的专业理论知识，对感兴趣的专业问题进行研究，最后撰写课题结题报告。

科技创新活动有利于实现因材施教，解除了课堂上学时的制约，有利于学生非智力方面的素质培养。通过参加科研创新活动，形成了崇尚学习、思考、创新的气氛。[8]学生通过亲身实践，对科研和生产的各环节有所了解，加深了对创新的理解，增强了探索知識的动力和信心，创新能力得到了明显提高，也锻炼了学生的组织协调能力，培养了学生百折不挠的意志和严谨踏实、实事求是的作风。2016-2017年，材料学院大学生创新训练计划项目立项共85项，如表1所示。

2.开设项目式实验教学

《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》[1]强调要深化实践教学方法改革。实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键。各高校要把加强实践教学方法改革作为专业建设的重要内容，重点推行基于问题、基于项目、基于案例的教学方法和学习方法，加强综合性实践科目设计和应用。要加强大学生创新创业教育，支持学生开展研究性学习、创新性实验、创业计划和创业模拟活动。

以“材料专业综合实验”和“材料物理科学基础I”课程中的“热处理开放实验项目”教学为例。首先，学生自愿3-5人组成一组，自愿选取1个题目;第二，根据题目要求，学生查阅资料，制定出实验方案;第三，确定具体的热处理工艺参数，由教师审核并指导优化方案之后，完成热处理操作;第四，测试热处理后试样的力学性能，观察金相组织，拍摄金相组织照片;第五，结合热处理工艺参数、硬度值和金相组织，分析讨论材料的成分、工艺、组织和性能的之间的关系;第六，整理实验数据，撰写小论文形式的实验报告。总结实验结果与理论结论之间的差异，详细分析产生误差的原因，总结怎样才能减少实验误差;第七，学生答辩，教师进一步深入指导。

通过实验设计，优化前期的实验构思，提高学生独立思考、独立设计分析、寻求有效解决方法的能力，将理论知识和实践相结合，提高动手能力，从而培养学生综合分析能力、动手能力、解决问题的能力和创新能力。

3.开展专业技能比赛和学科竞赛

从2012年开始利用平台每年举办“材料杯”专业基本技能竞赛，主赛年级中70%的学生参加了比赛，呈现了学生参与覆盖面宽、竞赛水平高的特点。竞赛有助于激发学生探索材料科学的主动性与积极性，促进学生形成主动实践、勇于创新的优良学风。比赛面向材料类本科生举办涵盖金属材料、无机非金属材料、材料物理和高分子材料四个学科专业的训练和竞赛。具体包括：焊接、金相、岩相和高分子材料合成四个专项技能大赛。其中金相技能大赛还会评选出优秀学生参加国家级比赛。专业基本训练竞赛是积极探索一流本科教育的实践路径之一，旨在平衡专业基础知识、基本技能、实践能力之间的关系，是本科生早期参与科学研究和培养创新人才的重要途径。

4.开设专业知识讲座

平台每年都根据专业需要和不同年级的特点，开展专业知识讲座，如金相样品制备知识讲座、热处理的发展及应用讲座、金相显微技术的发展及应用讲座、扫描电子显微镜知识讲座、透射电子显微镜知识讲座以及透射电镜样品制备方法讲座等等。学生通过听讲座，可以拓宽知识面，掌握更多的专业知识，为社会培养优秀的工程技术人才。

5.开设实验通识选修课

通识教育已在高等教育中广泛开展。耶鲁大学校长理查·莱文先生在《大学的工作》中提到：“本科教育的核心是通识教育，是培养学生批判性独立思考的能力，并为终身学习打下基础。”通识教育的重点在于拓宽知识面，发散学生思维，跳出固有思维模式，提高判断力、创新能力、分析和解决问题的能力。[9]

我们利用平台的教学资源开设了一门实验类校级通识选修课“神秘的金属微观世界”。该实验课程选取生活中常用的金属材料，从制备金相样品开始，利用金相显微镜，观察金属材料微观组织，拍摄金相照片，分析显微组织。再结合电子显微镜照片，掌握金属材料微观组织和性能的关系，熟悉各种金属材料的特性与应用范围，了解金属材料的新知识和新应用。通识教育的意义在于，学生通过基本能力训练，提高全面素质，获得一个合理的能力结构。遨游、领略和感知其他学科的领域空间、思维方法、研究手段和基本知识，启发心智和萌生灵感。这门通识选修课程按照OBE教学理念，以能力为导向，开阔学生的学术视野，培养科学素养，拓宽知识面，达到不同学科不同专业之间知识的相互融合。

6.构建创新实验教师队伍

《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》[1]指出，要着力加强实践育人队伍建设。所有高校教师都负有实践育人的重要责任。各高校要制定完善教师实践育人的规定和政策，加大教师培训力度，不断提高教师实践育人水平。要配齐配强实验室人员，提升实验教学水平，统筹安排教师指导和参加学生社会实践活动。

在创新实验教学体系中，教师的教育教学起主导作用，具有创新实验教学能力的实验教师才能在传授知识与技能的同时培养学生的创新意识和创新能力。实验教师首先要提高自身综合素质，既要具备扎实的专业理论知识，又要有丰富的实践经验，还要掌握材料科学的发展方向，更多地从事科研服务工作和工程实践活动。[10]

提高实验教师素质有以下几个途径：提高学历;积极参加科研工作;老旧设备改造;不断学习新知识;参加业务培训;以老带新。目前我们实验室构建了一支年龄结构和学历结构合理、整体素质较高的实验教学师资队伍，如表2所示。每一位实验教师都结合岗位特点参与科研工作，积极参加学校举办的教学基本功比赛，去兄弟学校交流学习，也参加学校内部的实验教学观摩活动，老教师对青年教师做好传、帮、带。

三、平台建设成效

（一）激发了学生学习兴趣

通过设置开放创新实验项目，改变了学生在学习过程中的被动式学习形式，把过去的“要我做”，变成“我要做”，培养学生自主学习能力，提升其分析问题、解决问题的能力。

学生挑选自己感兴趣的项目，开展实验研究;学院组织学生开展多种专业技能竞赛活动。促使学生带着问题去汲取专业知识，激发学生学习专业课的兴趣，提高专业基本技能，为后续的科研工作打下良好基础。

（二）提高了学生动手能力

本平台通过系统设计增加的学生实践环节，实现了以学生为主体，充分发挥了学生的想象空间，培养了学生的独立思考能力、动手能力、实践创新能力和分析问题解决问题的能力，使学生具備材料的设计生产、检测使用、失效分析能力和表达交流能力，提高自主学习为主导的学习能力，改变了传统的实验课授课形式，发挥学生主观能动性。通过开放创新实验，使学生会学习、会应用、会创新，从而具备理论应用能力和工程实践创新能力。

（三）提高了教师业务水平和素养

教师是学生创新实践的引路人，在指导学生的过程中，教师不断学习新知识，了解学科发展动向，积累经验。教师之间交流、观摩，取长补短。教师不断改进教学方法，运用归纳法，以探索式、启发式、研讨式为主，激发学生的创新欲望，提高学生的创造性和主观能动性。实验教师根据创新实验需要，升级改造仪器设备，开发仪器设备的新功能。开设创新实验培养了教师团结协作、吃苦耐劳、不计名利、乐于奉献的品德，业务水平和素质都有提高。[11-13]

（四）提高了仪器设备使用率

实验室实行全天开放制度，仪器设备在保障实验教学需要的前提下，面向学生开放，实行开放式运行管理。学生通过仪器设备操作培训合格后，按自己的具体情况，自主选择实验时间和内容。学生可进行补充性实验，也可自带感兴趣的实验题目，方案经指导教师同意后进入实验室完成。仪器设备在晚间、周六和周日95%以上都处于工作状态，学生通宵做实验也屡见不鲜，充分利用了实验室的优质仪器设备资源，让学生开阔了眼界，提高了动手能力。

（五）学生取得的成绩

近些年利用开放创新平台，为学生开展形式多样的科技创新活动，有的大学生创新训练计划项目被评选为河北省级大创项目和国家级大创项目。其中，于淼、韦振等同学的《低碳贝氏体钢的超细化研究》，荣获2019年第四届河北大学生创新创业年会学术论文类特等奖。同时也指导和培训学生参加全国性各类学科竞赛，2017-2019年，获得全国比赛特等奖1次，一等奖7次，二等奖8项，三等奖2项。2017-2019年毕业生考研录取率和就业率如表3所示，从中可以看出，材料科学与工程学院毕业生考研录取率和就业率连续三年分别稳定在50%和94.57%以上，名列全校各专业首位。考取硕士研究生的学校多为211和985高校。有一些同学免试推荐到清华大学、浙江大学、天津大学、北京航空航天大学以及中科院金属研究所等全国知名高校和科研院所。从反馈信息得知，毕业生在继续深造的学校和工作岗位上都得到认可和好评。

四、结语

通过建立金属材料开放与创新实验平台，开展科技创新活动，开设项目式实验教学，开展专业技能比赛、学科竞赛，开设专业知识讲座，开设实验通识选修课等，可以激发学生学习兴趣，提高动手能力，逐步构建金属材料工程创新基地，提高教师业务水平和素养，提高仪器设备使用率，进一步完善工程型人才教育与教学培养模式，全面提高学生的理论应用能力和工程实践创新能力，培养出金属材料工程专业创新能力强、实践能力强的工程型创新人才。

[参考文献]

[1]教育部.教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见[EB/OL].（2012-01-10）[2020-04-10]. http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s6870/201209/xxgk_142870.html.

[2]教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[EB/OL]. （2012-03-16）[2020-04-10]. http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s6342/201301/xxgk_146673.html.

[3]教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年） [EB/OL].（2010-07-29）[2020-04-10]. http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/info_list/201407/xxgk_171904.html.

[4]吴海江，刘龙飞，唐果宁，等.金属材料工程专业综合创新实验教学改革研究[J].当代教育理论与实践，2013（07）.

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[6]吕英怀，崔慧敏，高振山，等.青年实验教师业务能力及素质的培养与提高措施[J].实验室研究与探索，2010（01）.

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[8]曲明贵，张瑞军，张福成，等.材料学科创新型人才培养的探索与实践[J].教学研究，2012（02）.

[9]刘子英，李琪微，刘思彤，等.基于创业理念的通识教育翻转课堂教学模式探析[J].理论观察，2019（06）.

[10]王勇，毕凤琴.金属材料工程专业综合开放型创新实验教学体系探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2009（01）.

[11]李慧，张静武，傅万堂，等.浅谈创新型人才培养途径[J].实验科学与技术，2010（06）.

[12]李慧，张静武.注重大学生的科研训练，培养创新能力[J].实验技术与管理，2002（02）.

[13]李慧，张静武，傅万堂，等.新形势下高校实验室发展的几点思考[J].中国现代教育装备，2010（07）.

[责任编辑：刘爱华]

Discussion on the Construction of Experimental Platform for Opening and Innovation of Metal Materials

LI Hui，PENG Qiuming，WANG Shaofei，LIU Jianhua，YANG Meng

（College of Materials Science and Engineering，Yanshan University/Material Comprehensive Experimental Teaching Demonstration Center/ State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Abstract： Cultivating innovative talents is the focus of experimental teaching reform， and laboratory is the most basic teaching environment for cultivating students innovative ability. Through the establishment of metal materials open and innovative experimental platform， carrying out various scientific and technological innovation activities， project teaching， professional skills competition， subject competition， professional knowledge lectures and the opening of experimental general elective courses， set up a team of innovative experimental teachers， build the material engineering innovation base of materials college， and further improve the teaching and training mode of engineering talents. The establishment of open and innovative experimental platform for metal materials has stimulated students interest in learning， improved students practical ability， improved teachers professional level and accomplishment， improved the utilization rate of instruments and equipment， and the students have achieved gratifying results. So as to improve the students theoretical application ability and engineering practice innovation ability， cultivate the engineering innovation talents with strong innovation ability and practical ability of metal material engineering specialty， and realize the talent training strategy.

Key words：metal materials;open platform;innovative experiment;talent training

收稿日期：2020—05—15

基金项目：国家自然科学基金项目（51771162）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2018GJJG082）。

作者简介：李    慧（1962—），女，辽宁盖州人，燕山大学材料科学与工程学院/国家级材料综合实验教学示范中心/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，正高级实验师，硕士。研究方向：金属材料显微分析和实验教学工作。

通讯作者：彭秋明（1979—），男，湖南双峰人，燕山大学材料科学与工程学院/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，教授，博士生导师，博士。研究方向：金属材料。

王少飞（1987—），男，河北承德人，燕山大学材料科学与工程学院，助理研究员，硕士。研究方向：高等教育教学管理工作。

刘建华（1963—），男，吉林省吉林市人，燕山大学材料科学与工程学院/国家级材料综合实验教学示范中心/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，高级实验师。研究方向：实验教学工作。

杨    猛（1986—），男，山西長治人，燕山大学材料科学与工程学院/国家级材料综合实验教学示范中心/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，实验师，博士在读。研究方向：实验教学工作。