基于新工科需求的多层次实践教学体系探索

沟引宁，直 妍，柴林江

(重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054)

为适应经济发展、新一轮科技革命和产业变革，为支撑科技创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月开始，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”[1]“天大行动”[2]和“北京指南”[3]，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[4-6]。新工科专业[7-9]是以智能化、可控化的方式对材料类、电器类、化工类、土木类、机械类等传统工科类专业的转型升级，不同于传统的工科人才，未来新兴产业、行业发展需要的是工程实践能力强，并且具备较强创新意识和创新能力的高素质复合型人才[10-11]。

重庆理工大学材料科学与工程专业是重庆市本科高校的一流专业，担负着为地方产业培养创新型高素质工程应用型人才的任务。面对新兴产业和新经济的新要求，以该专业为例探索新的实践教学体系、更新教学内容、创新实践教学模式和方法、完善实践教学支撑保障体系，以适应新工科人才培养的需要，是目前迫在眉睫的工作[12-13]。

1 材料专业实践教学体系的状况

重庆理工大学材料科学与工程专业的定位是为社会培养高素质工程应用型人才，因此对学生创新意识以及工程实践能力的培养一直是我们关注的重点。经过2011、2015人才培养方案修订，该校材料科学与工程专业目前已经构建了“多层次、渐进式”的实践教学体系[14]，整合、优化了实验内容，加大了综合实验比例[15]，增加了专业技能大赛的组织与实施[16]，在较大程度上调动了学生参加科研实践和创新活动的积极性、主动性。但是，随着新兴产业的普及，以及传统工业的升级改造，目前的实践教学在教学目标、体系设计、实践内容、教学方法、实践资源配置、教学质量评价等方面已不能适应“新工科”发展的要求。存在的问题主要表现在以下几方面。

1)实践教学目标与“新工科”背景下新技术、新产业发展对毕业生的要求有差距，现行培养方案中各实践教学的教学目标与新兴产业和新经济的需求不能精准对接，不利于学生工程素养和创新思维的培养。

2)实践教学体系不完善，不能满足“新工科”对材料类学生知识和能力的新要求。目前的实践教学体系加强了对学生工程实践能力的培养，但对学生在学科交叉能力、创新意识、综合能力方面的培养存在不足。

3)实践教学内容与“新工科”教学理念脱节。专业基础实验中，验证性实验较多，设计性实验数量不足，限于学校实践教学经费投入的不足，与新技术、新产业相匹配的相关设备不足，实践教学内容稍显传统、陈旧，与行业发展相比相对滞后。

4)实践教学方法陈旧，方式单一，不能充分调动学生的积极性和参与度，不利于学生实际操作能力和解决问题能力的提升，不符合培养高素质“新工科”人才的培养目标。目前的实践教学课程中，教师采用“讲授法”和“演示法”居多，导致学生在实践教学环节积极性不高、参与度较低，严重影响了实践教学的效果，学生的工程实践能力也不能得到有效提高。

5)实践教学支撑保障体系有待进一步加强和完善。学生工程实践能力的提升和创新意识的形成离不开完善的校内外实践教学基地建设和科学的管理、考核、评价机制。但目前的实践教学现状却令人担忧，于企业而言，经济效益是第一需求，学生实习会扰乱其正常的生产秩序，进而影响其经济效益。考虑到安全、效益等因素，大多企业对大量学生深入生产现场进行工程实践和学习是抗拒的，高校与实践基地的合作层次相对较低，没有通过相应渠道达到深度融合，合作具有不稳定性[16]，不能长期保持，学生实习以参观、观摩为主，不利于学生工程实践和创新能力的提升。另外，高校实践教学教师的实践能力不足也导致了对学生实践环节指导、考核、评价等环节存在不足，也在一定程度上限制了学生实践能力和创新意识的培养。

2 “新工科”背景下重庆理工大学材料专业实践教学体系构建与改革

针对以上问题，重庆理工大学材料科学与工程专业在2019培养方案制订过程中，经过深入企业、行业以及兄弟院校调研，基于“新工科”建设和工程教育认证背景，开展了实践教学改革与探索。

1)高校和企业深度融合，共同制订符合“新工科”人才培养要求的实践教学目标和实践教学能力要求。

企业是生产实践的第一现场，掌握着行业内技术发展的状况及未来发展趋势，知晓目前以及未来行业发展的人才需求。为了实现以产业需求为导向，推动“新工科”传统专业改造，我院在制订2019人才培养方案时，教学系不但深入企业、行业进行深度调研，而且邀请企业、行业协同高校共同制订符合新产业需求的人才培养目标和实践教学目标。

根据新的材料专业人才培养目标和12条工程教育专业认证毕业要求，以下 5 方面的能力培养是高校实践教学环节的目标：认知能力、分析问题能力、解决问题能力、沟通能力、人文素养[17]。认知能力、分析问题能力、解决问题能力为专业技能要求，能力要求由易到难，从基础能力依次递进到综合能力的提升。沟通能力、人文素养是对学生社会综合素质的要求。这5个方面的能力和工程认证 12 条毕业要求相对应[17]。因此在修订2019人才培养方案时，根据新工科发展对人才及能力培养的新需求，与行业、企业一起，对各个层次实践教学目标进行了修订和更新。

2)改革传统的实践教学体系，构建适应“新工科”专业发展需要的“多层次、递进式、创新性、系统化、跨学科、开放式”的实践教学体系。

以新工科及工程教育提出的实践能力培养目标为导向，重新整合和设计材料专业实践能力培养体系，通过4个模块构建适应新工科发展的“多层次、递进式、创新性、系统化、开放式”的实践教学体系，如图1所示。①学科基础实践模块。主要目的是培养材料专业学生对学科基础科目相关的实践能力，将基础学科与工程技术进行有机融合，使学生具备扎实的专业基础实践技能，为后续专业课的学习奠定基础。主要包括大学物理、电工与电子技术、机械制图等方面的实验环节的教学。②学科专业实践模块。旨在通过专业实践能力的培养强化学生的专业工程背景，培养工程意识和工程素养。主要包括材料专业基础实验、专业方向特色实验、材料综合实验课程。③工程实训实践模块。旨在通过真实的工程实践环境，使学生由课本知识升华到工程实践应用。主要由企业认识实习、校内工程训练和企业生产实习、校内专业课课程设计等环节构成。④创新创业实践模块。由素质拓展实践、材料创新实验、科研立项、毕业论文、全国大学生金相技能大赛、全国大学生热处理创新创业大赛等各类专业竞赛、创新创业训练等实践环节组成。以“工程性、系统性、综合性、创新性”为视角，充分利用重庆市装备制造、汽车、电子信息、绿色建材等产业优势，充分利用重庆理工大学材料科学与工程专业一流学科和专业的优势，充分利用该校其他专业和院系的优秀教学成果，进行跨学科实践能力培养的探索和创新创业素养的培养。积极开展创业项目训练，聘请创业成功的企业家与专业教师共同担任导师，对学生的创业项目进行指导，全面提升学生的创新创业能力。

图1 “多层次、递进式、创新性、系统化、跨学科、开放式”的实践教学体系

“多层次、递进式、创新性、系统化、跨学科、开放式”实践教学体系对学生工程实践能力培养的支撑如图2所示。通过构建新的实践教学体系并在实践过程中认真实施，强化学生的认知能力，提升学生分析和解决问题的能力，培养学生的创新意识，并在各项综合实践活动中培养学生跨学科学习能力、沟通协调能力和团队协作能力，从而实现其工程实践能力的提升和人文素养的养成。

图2 新构建的实践教学体系对学工程实践能力培养的支撑

3)对接产业和行业需求，更新实践教学内容。

“新工科”建设的目标是培养具有较强创新精神和工程实践能力的应用型专门人才，而要培养这样的人才，就必须主动对接地方经济发展需要和企业技术创新要求，把握行业人才需求方向。为适应重庆材料相关行业和新兴产业需求，我们结合新构建的实践教学体系，在专业实践模块的各项教学中，及时更新了实践教学内容，去除一些比较老的传统实验项目，增加了设计性、综合性实验的开设，加强实践环节与行业发展的有机联系，结合教师科研和企业技术发展引入典型的与教学内容相关的新型工程案例。比如新增物理气相沉积制备薄膜及其性能表征、多弧离子镀制备薄膜、激光表面改性技术、3D打印增材制造等新技术实验项目及内容，加强电镀工艺在5G产品的应用等符合新产业发展的实践内容。以“新工科”建设及工程教育认证为契机，紧密结合企业、行业发展需求，培养具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需求的应用型和技术技能型人才，并以学科前沿、产业和技术最新发展动态调整教学内容。

4)革新实践教学方法，让实践课堂活起来，提升学生的学习效率，培养创新性思维。

摒弃原来“灌输式”的教学模式，采用任务驱动、问题驱动、情景模拟、案例分析、小组交流讨论等多种方式，激发学生自主学习兴趣以及自主探究兴趣，加强学生实践环节的参与度。利用生产现场视频学习、动画辅助、虚拟仿真等多种“互联网+”教学新模式，变抽象为具体，提升学生的学习效率。贯彻“教师主导-学生主体”的教学原则，凸显学生的主体地位，使学生在学习的同时，向“问题发掘”-“工程应用”-“自主创新”方向延伸。在授课学时不断缩减的大环境下，将“有限的体验实验教学”拓展成为“无限的虚拟实验教学”，充分利用学院虚拟实验教学中心，针对难于在实验室实施的生产线实况，开展虚拟仿真实验，让学生虚拟仿真体验生产现场，加强工程体验。通过虚拟仿真与实体实验的有机结合、校内实训与校外实践的有机结合、校企联合培养、邀请企业专家到校参与专业课堂教学等手段和措施，提升学生实践学习兴趣和参与度，加强创新思维与创新能力的培养，从而提升学生工程实践能力和工程意识。

5)完善实践教学支撑保障体系。

健全的实践教学支撑保障体系是确保实践教学正常有序推进的保障，也是提高学生培养质量的有力保障。重庆理工大学材料科学与工程学院(以下简称“材料学院”)通过开放共享的校内实践教学平台、积极搭建校外产学研实践教学基地、加强全国性专业赛事及创新创业大赛参加力度，加强实践教学师资队伍建设等措施不断完善材料专业实践教学支撑保障体系。

①保障学生核心专业能力提升的校内开放实践平台。材料学院有汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室、重庆市制动摩擦材料协同创新中心、重庆市轻合金工程技术研究中心表面工程分中心、重庆市材料科学与工程实验教学示范中心、重庆市高端装备技术协同创新中心、材料类专业CAD特性重庆市人才培养模式创新试验区、重庆理工大学材料分析测试中心等实验和实践教学平台。同时，搭建了虚拟仿真教学平台和材料基础实验网上实践教学平台，通过网上预约的形式向学生共享开放，有力地保障了“新工科”人才核心专业能力培养的需求。

②保障综合工程实践能力提升的校企合作实践基地。为改变学生实习走马观花、流于形式、实习基地不稳定的现状，材料学院主动出击，与重庆市相关行业学会/协会紧密结合，与重庆建设工业(集团)有限责任公司、重庆金世利航空材料有限公司、重庆长安汽车股份有限公司、重庆秋田齿轮有限责任公司、中山三民金属处理有限公司等企业深入合作，共建稳定的校外实习基地，落实产教深度融合，校企合作，协同育人，保障学生企业实习质量，提升学生的工程实践能力。

③保障创新思维及创业能力形成的“教-学-赛”一体化实践教学新模式。在学生大三、大四阶段，积极开展材料创新实验、科研训练以及创新创业训练。依托雄厚的师资力量、突出的科学研究优势，一方面以科研项目和科研成果带动教学改革，并吸纳学生做科研助手以提高其实践动手能力和创新能力；另一方面，鼓励指导教师指导学生积极参加创新创业训练及各类校级、市级、国家级比赛，以赛促教，以赛促学，以赛促训，以赛促用，学赛结合，训用结合，促进校际交流，激发学生学习的自主性、积极性和创新意识。学校在开展综合实践训练的基础上，积极组织开展校级“金相技能大赛”，以大赛为推力，增强学生学习积极性、主动性，提高实践动手能力，强化学生专业技能。同时积极组织学生参加全国金相技能大赛、全国热处理创新创业大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、“创青春”大学生创业大赛、全国3D数字工业设计大赛等专业赛事来培养学生的创新精神和创新创业能力。

④加强实践教学的师资队伍建设。实践教学教师具有丰富的实践经验是培养符合“新工科”要求的复合型应用型人才的有力保障。为了提高教师的实践经验及能力，材料学院聘请知名企业的工程技术精英担任兼职教授，并对实践教学教师实行“一搭一”，建立专兼职相结合的师资队伍。定期选派中青年教师到企业进行挂职锻炼，提升其工程实践经验，并开展创新性研究及指导。鼓励实践教学教师参加国家、行业举办的各类与本专业实践技能相关的培训、会议交流等活动，同时聘请重庆材料相关企业内具有丰富实践经验的技术人员参与专业课堂、进行技术讲座、案例探讨，以及共同指导学生的创新创业实践，从而建立学生的工程意识，提升学生的工程实践能力。

3 结语

实践教学是培养高素质复合型新工科人才的重要教学环节。“新工科”作为一种崭新的教育理念，它的出现赋予了实践教学环节新的历史使命。面对新兴产业和新经济的新要求，探索新的实践教学体系，是目前新工科人才培养的迫切需要。地方高校要主动对接地方经济发展需要和企业、行业的技术创新要求，把握行业人才需求方向，在行业、企业共同参与下，通过顶层设计，构建“多层次、递进式、创新性、系统化、跨学科、开放式”的实践教学体系，明确不同层次实践教学的目标，及时更新教学内容，革新教学手段，建立健全实践教学支撑保障体系，这样才能为地方产业、为社会培养出与时俱进，符合行业发展需求的高素质应用型新工科创新人才。