新工科背景下材料科学与工程专业实践教学研究

郑玉船，李瑞锋，李长江

（黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山245041）

2017年2月，教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》，内容涉及到工程教育改革创新的理论和思路、人才培养的新模式和教育教学的新质量等方面，其目的是为了实现既能满足当前经济社会急需，又能面向未来发展的新型工程科技人才的培养[1]。基于此，我们需要更新传统的教育教学理念和模式，构建工程应用型人才培养体系和实施方案，促进教育教学质量的提升[2-4]。众所周知工程应用能力的培养离不开实践教学，学生在课程实践过程中才有更多的机会融会贯通所学知识、培养积极的创新意识和团队协作意识、提升发现和解决问题的能力等综合素养，有助于增强毕业生的就业率，适应社会对现代化应用型人才的需求。因此，在新工科背景下实践教学要给予应有的地位，理论只有与实践相结合才能相辅相成，实现两者的良性互动和创新，提升人才培养质量。

1 构建实践教学体系

材料科学与工程专业始建于2012年。近几年来，在专业建设和发展过程中，我们对省内外的兄弟院校和黄山市及周边相关企业进行了调研。结合学校的办学定位，积极谋划专业建设和人才培养目标定位。新工科背景下的应用型人才培养对实践教学提出了新要求，需要加强实践教学平台建设、“双能型”师资建设、实践教学体系构建和成绩评价等[5]。

对实验性很强的材料专业而言，实践教学对培养高素质的应用型工程技术人才显得更为重要。因此，在材料专业的建设过程中，要以培养工程应用型人才的教育理念积极推进实践教学的建设。另外，要保证实践教学能够顺利开展，就得提供必须的实践场所和仪器设备。在学校的统筹安排下，材料专业目前已建有材料制备、材料成型、材料力学性能、材料物理性能以及材料综合实验室，并采购了配套的仪器设备，确保实践教学的顺利实施。在基于学院已有的基础实验室、虚拟仿真实验室、工程实训中心和分析测试平台，材料专业主要从实验、实训、设计、实习、创新创业和毕业论文（设计）6个方面搭建实践教学环节。目前已经构建了“三位一体”的金字塔型实践教学体系，形成从验证性、设计性、综合性和创新性的“逐层递进，互为补充”的实践教学模式，如图1所示。

图1 “三位一体”的金字塔型实践教学体系

其中，设计性实践主要包括专业课程设计、工艺流程设计、毕业设计以及在综合和创新性实践中融入的设计环节。创新性实践主要包括大学生创新创业训练计划项目、学科竞赛、开放实验室项目、导师的科研项目以及毕业论文。下面以金相实验、虚拟仿真和工程实训为例探讨其在应用型人才培养方面所起的作用。

2 金相实验教学

《材料科学基础》《材料现代研究方法》和《材料力学性能》这3门专业课程结束之后，在专业实验中设置了金相实验。在项目内容上，考虑到有的企业送样测试时用的是细线材，为了让学生掌握这种类型材料的金相样品制备，我们添加了金相镶嵌机的使用教学。通过该实验，学生可以掌握金相样品的制备、金相组织的观察和分析以及金相显微镜的成像原理、构造和使用。为了让学生能够将金相组织与材料性能紧密联系起来，更深入地了解金相组织测定的用途和意义以及材料科学与工程的组成、制备、结构和性能之间的关联，添加了两项材料力学性能测试即硬度和拉伸实验，如图2所示。

图2 金相实验实施过程

金相实验和硬度测试要求每位同学独立完成，拉伸实验由每一小组（3人/组，计4组）共同完成。这种综合性实验的安排，其目的在于：（1）学生在完成金相实验的基础上，进一步认识到金相组织的变化对金属材料硬度和拉伸性能指标（如抗拉强度σb，屈服点σs）的影响，从而将不同课程的理论知识点整合在一起，让学生意识到所学课程不是绝对独立的个体，彼此之间有着环环相扣的关系，有益于培养学生跨学科思维能力和实践能力；（2）实验课的开设主要是为巩固理论知识、培养学生工程实践和创新能力服务的，不能为了实验而实验。在新工科的背景下，更要充分考虑到专业实践对学生应用型能力的培养的作用，因此在实验项目的设计上要融入综合性、设计性和创新性的理念，在实施过程中教师要积极地引导学生去分析和解决问题，培养学生的综合应用能力和创新能力。

3 虚拟仿真教学

1989年，William Wolf提出虚拟实验室的概念。教育部于2013年开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，并于2015年批准了100个虚拟仿真实验教学中心为国家级虚拟仿真实验教学中心。虚拟仿真教学有其突出的优势：（1）非现场操作，对于高危环境下的作业，可以避免意外事故的发生，但其又可真实还原接近现场操作的效果；（2）教学成本较低，机动灵活，可重复操作；（3）无污染，可实现绿色环保实践教学等。因此，虚拟仿真教学已成为实践教学中的重要组成部分。

材料专业基于学校搭建的省级虚拟仿真实验室，开设了虚拟仿真课程。该课程由6个化工单元和1个工艺仿真组成。每个项目主要包括开车、停车和故障处理3个子项目，而每个子项目又由若干模块组成。学生分组进入实验室后，在客户端打开软件登录，按序完成各项操作。根据质量评分系统，软件将实时反馈学生的操作成绩到教师端。在此过程中，教师可以随时掌握各位同学的仿真进度和成绩。每个项目要求学生独立完成，在个别仿真子项目上允许学生讨论。在学生讨论无果的情况下，指导老师将会引导学生去解决仿真过程中出现的问题。

总结最近几届学生的仿真实训教学，可以看出该实践课程产生的影响主要在以下几个方面：（1）可以巩固学生所学化工方面的理论知识，掌握各生产装置的工艺流程和基本原理以及分散控制系统；（2）通过理论和虚拟实践相结合培养学生化工单元的基本操作技能，掌握化工仪表和自动化，进而增强实践能力，为以后走上生产岗位打下基础；（3）培养学生认真、务实和严谨的工作态度，虽然是仿真，但必须要按照质量要求完成操作；（4）学生的主动性和积极性得到充分的调动，乐于师生互动探讨问题；（5）可以锻炼学生的分析问题和解决问题的能力，进而培养学生的创新能力。

4 工程实训教学

利用工程实训中心，材料专业开设了工程实训课程，该课程由5个实训项目组成。学生分组进入实训中心，再分为若干小组，然后按照要求完成实训指标。下面以传热过程综合实训为例展示实训流程，如图3所示。

图3 工程实训实施过程

相对虚拟仿真实践教学，工程实训教学可以在应用型人才培养方面发挥积极作用。（1）让学生接触并体验工业生产的真实场景，通过不同的实训项目，学生可以学习和掌握不同岗位的技能，培养安全生产意识和提升工程实践能力；（2）本例中学生可以掌握总传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素（如换热器的构造、传热介质的并流和逆流以及多个换热器的串联或并联）的理解，进而引导同学们思考寒冷天气供暖换热器的设计，还有企业中反应釜加热介质的选择等；（3）培养学生安全意识、严格遵守操作规程以及节能、环保的生产意识；（4）小组操作时，可以培养同学们的合作和协调能力，共同完成实训指标。在单人解决异常现象时，需要每个同学能够独立思考去解决出现的问题，培养学生的突发事件应急处置能力。

5 结语

在专业建设中，要充分利用已有的教学资源为人才培养服务。在新工科背景下，实践教学体系的构建、实践项目的设计和实施要为培养应用型人才服务。本文以材料科学与工程专业实践教学体系构建和实施为例，探索实践教学对学生工程实践能力、创新能力和综合运用能力等方面的培养，以增强毕业生的就业力，适应社会对现代化应用型人才的需求。