党的二十大精神指引航空航天类教学的实践探索

2024-04-18宋树丰刘锋胡宁

高教学刊 2024年38期

宋树丰刘锋胡宁

摘要：新工科建设是应对新一轮科技革命和产业变革、推动我国新经济发展、布局未来战略竞争、加快我国高等教育改革创新而提出的我国工程教育改革方向。黨的二十大精神对航空航天类教学提出了新要求，在总结分析航空航天工程材料课程教学的现状与问题的基础上，通过知识模块化、实践项目化的教学内容改革，以学生为中心、强化能力培养的教学方法改革，探索“四位一体”的航空航天工程材料教学实践，努力培养德才兼备的航空航天工程高层次人才。

关键词：新工科;四位一体;航空航天;教学内容;教学方法

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）S2-0027-04

Abstract： The construction of Emerging Engineering Education（3E） is the direction of China's engineering education reform that answers the new round of scientific and technological revolution and industrial reform， promotes new economy development， plans future strategic competition， and accelerates our higher education reform and innovation. To respond the spirit of the 20th National Congress of the CPC， the undergraduate teaching of aerospace specialties faces new challenge， this paper analyzes the current situation and problems of aerospace engineering material courses， and proposes four integrated teaching content and methodology reforms for the aerospace engineering material courses， viz.modularization of knowledge， projectization of practical experiments， student centering， and reinforcement of ability training， cultivating high-level talents in aerospace engineering with both moral integrity and talent.

Keywords： emerging engineering education; four integrated reforms; aerospace engineering; teaching content; teaching methodology

经过改革开放40年来的不懈拼搏，我国建成了全球规模最大的工程教育体系。面对世界经济的快速发展，工程科技的不断进步，为推动工程教育改革创新，2017年，“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1-3]，构成了新工科建设的“三部曲”，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径，启动新工科建设，加快培养新兴领域工程技术人才，主动布局未来战略必争之地，提升国家硬实力和国际竞争力，新工科建设具有深远的战略意义[4]。党的二十大报告指出：“深入实施人才强国战略。培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计。”《孙子·谋攻篇》曰：“知己知彼，百战不殆;不知彼而知己，一胜一负;不知彼，不知己，每战必殆。”作为一名高校教师，践行新工科战略，深入学习贯彻党的二十大精神，努力为国家培养卓越人才，需要做到知己知彼，“彼”即新工科的理念内涵，“己”即教师的教育教学实践。

一新工科理念的内涵

新工科理念的内涵可以从以下方面来理解[5-6]。

（一）理念新：面向未来、谋划未来、引领未来、收获未来

理念是实践的先导，新工科建设更强调主动迎接新一轮科技革命与产业变革。习近平总书记2021年5月28日在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科协第十次全国代表大会上指出，“当前，新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，科学研究范式正在发生深刻变革，学科交叉融合不断发展，科学技术和经济社会发展加速渗透融合”。新工科建设要求主动迎接新一轮科技革命与产业变革，创新进取，推动高等教育改革，在未来战略必争之地储备人才，抢占制高点。

（二）要求新：探索创新型、综合化、全周期、开放式的人才培养理念

新工科人才的特征在于：掌握基础理论与专业知识、强大的自学与实践能力、创造创新与批评的品质、合作精神、家国情怀等。周远清[7]曾对人才培养模式的含义作出论述，人才培养模式本质上是人才的培养目标和培养规格以及实现这些培养目标的方法或手段。具体的人才培养目标和规格已经难以适应新工科人才的特征，必须探索创新型、综合化、全周期、开放式的人才培养新理念。

（三）质量理念新：以学生为中心、以结果为导向、持续质量改进

坚持以学生为中心，要从传统的“教什么、怎么教、教得怎么样”转变到“学什么、怎么学、学得怎么样”，强调学生的主体地位，培养学生全面发展，实现从以“教”为中心向以“学”为中心的转变，使教育教学改革成果惠及全体学生。坚持以结果为导向，强调教育质量，根据“产出”倒推和设计教学内容和教学方法。坚持持续质量改进，建立“政策响应-发现问题-改进”的持续质量改进循环机制。

二航空航天工程材料课程教学的现状与问题

工程材料是高等院校机类专业的一门专业必修基础课，涉及机械、能源动力、材料等專业领域，也可作为高等职业技术院校、高等专科院校相关专业教材和有关工程技术人员参考知识[8]。航空航天工程材料是在工程材料的基础上开展起来的航空航天学院的一门专业基础课。随着新工科建设的推进，结合教学实践，航空航天工程材料存在的问题日益凸显，概括起来就是：固守经典，缺乏改革。

（一）课程体系经典传统

课程内容主要包括材料的成分、结构、组织、性能及其影响因素等基本理论，以及金属材料、高分子材料、陶瓷材料、碳材料等常用工程材料及应用。涉及纯金属的结晶、二元合金相结构及合金、碳钢和铸铁、金属热处理与表面处理、金属材料的力学性能及塑性变形、有色金属及合金等金属材料基础知识，以及特种陶瓷工艺学、结构陶瓷、功能陶瓷、陶瓷基复合材料等陶瓷材料基础知识，又涵盖工程塑料、合成纤维及应用、特种合成橡胶等高分子材料基础知识，以及碳材料简介、碳纤维、碳/碳复合材料、新型纳米碳材料等新型碳材料基础知识。教学内容广，知识点多[9]。课程体系沿用了清华大学出版社出版的朱张校、姚可夫主编的《工程材料（第5版）》（2011年），该教材是在郑明新教授主编的《工程材料（第1版）》（1983年）基础上完善起来的。课程体系经典而传统，工程材料，特别是航空航天领域工程材料的发展变化和新工科的需求变化在教材中难以体现。

（二）培养模式经典传统

航空航天工程材料作为一门技术基础课，除了理论知识广，与工程亦结合紧密，这是其自身的特色所在，因此，该门课程除了32学时的理论教学，还包括一周的综合实践教学。实践教学中往往强调与理论教学的相呼应，但却忽视了让全体学生利用这一宝贵的综合实践周“有效”接触科技前沿中的工程材料的教育;实践教学评价单一，往往是以学生完成一份实验报告而结束，学生云里雾里，只知其一不知其二，难以契合全产业链所需求的从研发、设计、生产、销售到管理、服务的多元化人才结构[10];教学方式通常为“满堂灌”，忽视学生的主体地位。

（三）缺乏改革理性和勇气

《工程材料（第5版）》作为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材、国家级精品课程教材、北京高等教育教学成果二等奖、清华大学优秀教材特等奖，我们习惯了将“经典”拿来用，面对教学过程中出现的问题，缺乏了改革和创新的理性和勇气。新工科建设如火如荼，时不我待，迫切需要探索航空航天工程材料课程体系的重构和教学内容、教学方法的改革，践行新工科理念。

三航空航天工程材料教学内容改革

航空航天工程材料课程教学以党的二十大精神为指引，需要根据科技进展、航空航天专业特色和社会发展的要求，不断优化教学内容，逐步实现教学内容的现代化。经典的工程材料教学内容范围广、知识点多，在学生学时有限的前提下，如何设计“加减法”，改革教学内容，提升航空航天工程材料与航空航天类专业的关联度，凸显航空航天工程材料的前沿性，尤为重要。

在教学实践中，如图1所示，可以从以下两方面进行思考。

（一）知识模块化

教师不再固守工程材料知识结构的连续性不放，通过调整知识结构，增删教学内容，适应航空航天类新工科专业的培养目标，形成以学生为中心、以结果为导向的教育模式。将航空航天工程材料课程设置为“经典模块”“空天模块”“前沿模块”。“经典模块”涉及工程材料的成分、结构、组织、性能及其影响因素等基本理论和基本规律的经典知识。“空天模块”涉及金属材料、陶瓷材料、高分子材料以及复合材料等主要工程材料在航空航天领域的研究和应用。“前沿模块”涉及金属材料、陶瓷材料、高分子材料等主要工程材料的代表性前沿科技和进展。

例如，在“纯金属的结晶”章节中，纯金属容易形成树枝状晶体，其原因在于：晶核长大过程中有潜热放出，晶体尖角处散热速度快，成为伸入液体中的晶枝;同时，尖角处缺陷多，从液体中转移过来的原子容易在这些地方固定，有利于晶体的长大而获得树枝晶。这是在“经典模块”中讲授的知识点。结合笔者的科研背景，电化学电池储能技术在航空航天、电动汽车等新兴领域有着重要的应用，经过30来年的发展，传统锂离子电池已经达到其技术极限，难以满足新兴领域的快速发展，新材料、新技术的研究轰轰烈烈;金属锂，一种纯金属作为锂电池负极材料，由于超高的比容量，被寄予厚望，金属枝晶的问题是其面临的最关键的问题之一，得到了学术界和产业界的普遍关注[11]。可将金属锂的枝晶问题引入到“前沿模块”中，使学生了解金属锂的应用背景、枝晶的产生机制、抑制策略和机制等前沿科学研究进展。

例如，在“金属材料及其合金”这一章中，涉及纯金属的结晶、二元合金相结构及合金、碳钢和铸铁、金属热处理与表面处理、金属材料的力学性能及塑性变形、有色金属及合金6节内容，教学内容几乎都是黑色金属，有色金属的教学内容非常薄弱，黑色金属在工程实际中发挥着重要作用，但在航空航天领域中，铝合金、镁合金、钛合金等有色金属由于其自身性质和性能，发挥着至关重要的作用[12]，结合航空航天专业特色，在金属材料这一章中，除了在“经典模块”中讲授黑色金属等经典知识，更应增加空天模块，讲授航空航天中的有色金属材料及其应用。与黑色金属的知识结构不同，有色金属的知识更为发散，研究进展也更为迅速。针对有色金属材料这些独特的特点，课程可以设置成有色金属与航空航天的开放课程，将学生分成若干小组，将有色金属按照材料体系分成若干类，每小组选择一类材料，课下进行材料调研、文献检索、制作PPT，课上进行报告，其他小组则进行提问与评分，以此作为平时成绩之一。这种开放课的教学方式，可以大大促进学生的学习积极性，加强学生对有色金属的认识，特别是对有色金属在航空航天领域的最新研究进展加深了解，增强学生对本专业的热爱。

在航空航天工程材料教学实践中，既包含经典理论知识，又包含能够反映学生所读航空航天类专业实际问题的案例，又包含典型工程材料的前沿研究，实现教学内容与工科专业学习、科学研究相融相通，使学生切实感受到所学专业的魅力、所学知识的益处、知识交叉的乐趣，从而达到习近平总书记提出的建设具有突出技术创新能力、善于解决复杂工程问题的工程师队伍的要求。

（二）实践项目化

以结果为导向，设计综合实践教学内容，围绕着航空航天领域和科技前沿，设置实践主题，按照“项目”管理的方式，指导学生调研学术文献，弄清楚所选综合实践的研究意义、研究背景、研究目标、研究内容、研究方案和预期结果等，在完成实践报告的基础上，并作“实践项目”结题汇报，从而达到培养全产业链所需的多元化人才要求。

四航空航天工程材料教学方法改革

除了课程教学内容的变革，还需要教学方法变革，如图1所示。

（一）角色转换，以学生为中心

唐代韩愈说：“师者，所以传道受业解惑也”。什么是好老师？习近平总书记认为，好老师没有统一的模式，可以各有千秋、各显身手，但有一些共同的、必不可少的特质。他在不同场合勉励教师，甘当“铺路石”，做學生的“引路人”，要做“四有”好老师，要做“大先生”。互联网时代，使学生集中注意力听讲，提起兴趣学习，越来越奢侈。教师需要从传统的知识灌输者转变成导师，引导学生主动学习，培养学生的终身学习能力。从传统的灌输课堂向对话课堂转变。

例如，将学生分割成若干学习小组，在课堂教学过程中，教师进行设问，学习小组不同成员进行解答，直到这一问题被这一小组解答完毕。通过短视频等导入教学情境，激发学生好奇心，提高学生学习兴趣。设置“开放研讨”环节，以问题为导向，让学习小组调研汇报金属材料、陶瓷材料、高分子材料等工程材料在航空航天工程领域中的研究和应用，报告内容需要涉及课程讲解的至少2个知识点，结束后，其他小组提问，并打分，作为平时成绩之一。通过这种“开放研讨”的模式，学生深刻感受到所学理论知识在航空航天工程领域中的实际应用，提高学生的学习主动性，通过文献调研、PPT制作、PPT汇报、设问及回答等环节锻炼了学生的学习能力、逻辑思维能力、应用能力、协作能力，提升教学质量。

（二）强化能力培养，加强创新实践，深化本研融合

创新能力是对未来卓越工程人才的重要要求，不仅要教授学生理论知识，更应强化学生创新能力。在教学实践中，通过“前沿模块”提升学生对前沿科技的兴趣，激发学生的创新研究兴趣，利用重庆大学大学生科研训练计划和交叉创新创业平台，鼓励学生参与，使本科生从切身的科研实践中体验到科技前沿，懂得科学研究既“尖端”又“近人”，培养学生的创新潜力。通过研究生协助指导本科生科研，深化本研融合，协同发展。

五教学效果

通过上述“四位一体”的教学内容和教学方法的探索，航空航天工程材料课程教学得到了显著提升，图2是2022年重庆大学航空航天学院工程力学专业学生航空航天工程材料课程的期末综合成绩。综合成绩由70%的考试成绩、30%的平时成绩构成，由结果可知，90分以上的同学占比27.5%，80～90分的同学占比62.9%，没有同学的综合成绩低于70分，说明了通过该教学实践，极大促进了学生的学习积极性。另外，值得一提的是，在该课程教学过程以及教学结束后，班级有9名同学申请作者为指导教师，获批了2个重庆大学第十四届大学生科研训练计划（SRTP）项目、1个市级大学生创新创业训练计划项目，并于2023年顺利通过结题验收。

六结束语

中国已成为全球最大经济体，面对新一轮科技革命与产业变革，迫切需要加快德才兼备的高层次人才培养，高等教育创新改革恰逢其会。面向未来、探索未来、塑造未来，新工科建设方兴未艾，高等教育教学改革不可能一挥而就，但是，在党的二十大精神指引下，一线教师同心协力，通过不断的研究-探索-实践-改进，新工科建设将有力促进我国高等教育创新变革。

参考文献：

[1] 新工科建设复旦共识[EB/OL].[2017-07-02].http：//www.moe.edu. cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2] 新工科建设行动路线（“天大行动”）[EB/OL].[2017-07-02].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3] 新工科建设指南（“北京指南”）[EB/OL].[2017-07-02].http：//www.sohu.com/a/148435914_267106.

[4] 张大良.新工科建设的六个问题导向[N].光明日报，2017-04-18（13）.

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[10] 沈利民，李海生，王艳飞，等.线上线下混合式实践教学与评价体系构建——以过程装备与控制工程专业“生产实习”为例[J].工业和信息化教育，2021（7）：73-77.

[11] 赵辰孜，袁洪，卢洋，等.固态金属锂负极界面研究进展[J].化工进展，2021（40）：4986-4997.