“新工科”背景下的材料科學與工程專業教學改革探討

田 真 王曉敏

（1.中北大學 材料科學與工程學院 山西太原 030051；2.太原原理工大學 材料科學與工程學院 山西太原 030024）

材料科學與工程是我國高?，F有的傳統工科專業，主要涉及材料的微觀性能與宏觀性能之間的關系，以及材料的本征特性在其他領域的應用。近年來，隨著新一輪科技革命和產業變革的加速進行，迫切地需要培養具有科技創新力的工程人才，為我國產業發展提供支持。因此，教育部適時地提出了“新工科”建設。在這樣的背景下，“新工科”建設已成為高等工程教育發展戰略研討的重點課題。材料科學與工程的發展對材料的更新換代起著引領作用，借助“新工科”的發展機遇，對高等學校培養模式進行探討，實現教學水平的提高，加強創新人才培養目標，對培養高質量專業人才有著不可替代的作用[1]。因此，合理構建和開發材料科學與工程專業課程，改善培養目標、課程體系、教學資源，在改革和實踐中，不斷地創新和豐富內容，有助于培養多學科交叉、創新應用能力強、多元化發展的新工科人才。

一、材料科學與工程專業現狀

教學理念方面，大學生的課堂模式多以知識說教的形式編排進行基礎課程或專業課程，復雜的理論知識體系缺少層次感和系統性，使得學生難以掌握。此外，學生缺乏配套的實踐指導，單憑理論知識，難以對專業性強的課程有深層次的理解。大多數學生更希望教師采用理論知識與實踐相結合的教學模式，而不僅僅是單純的理論課堂。

內容設置方面，目前的課程設置以基礎課程為主，大多數的課時用在了對基礎理論知識的解釋，而對材料的前沿技術缺乏關注與教學，致使學生的學術視野沒有得到拓展。此外，課堂內容的設計也缺乏創新性，主要表現為課程內容陳舊、教學理念與行業最新發展不匹配，課堂教學模式缺乏創新性。這并不符合“新工科”背景下創新型人才的培養模式。

教學方法方面，就目前的調查情況來看，我國大部分高校的材料科學與工程專業，仍采用傳統的按部就班的教學方法，對所有學生進行無差別培養。雖然這種方法具有一定的普適性，使學生較為容易接受。但對一些有專業偏好的學生來說，這種教學方法不利于其創新意識和發散思維的培養。目前，我國高校的創新訓練主要體現在畢業設計部分，其他教學部分的創新培養存在嚴重不足[2]。

二、材料科學與工程專業教學改革路線

高校應采用科學、合理的方法，清晰明確材料科學與工程專業的定位，對工程人才進行分類層次培養，開展有針對性的大學生教育。定時開展材料科學前沿講座，讓學生能夠及時地了解材料最新發展動態。同時，目前材料相關領域的發展瓶頸也要面向本科生進行普及，培養學生們對相關的問題的興趣，優化培養與誘導相結合的教學模式。根據學生的興趣，培養他們的職業規劃能力，從多方面讓學生充分地了解該專業的就業情況和市場供需關系，同時從開展多層次教學，針對不同職業規劃的學生進行不同方案的培養，在注重教學特色的基礎下，摸索更合理的教改路線。

以教學內容為基礎，以創新為主要任務，多種舉措全面實施，優化專業的創新意識，培養學生的獨立探索能力。采用多種人才培養模式，構建全新的課程教育體系和人才培養模式。著重培養學生的實踐能力，加強實踐課程教育，讓學生能及時地將所學知識用于實踐。開展校園實驗室，培養學生動手能力。積極推行校企合作，鼓勵學生進行校外實踐，增加學生對相關行業理解與認知，為以后與社會接軌奠定基礎。

三、基于OBE理念的材料科學與工程專業教學改革措施

OBE（Outcome Based Education）是基于成果導向的教育模式，以學生學習產出驅動整個課程活動和評價教學?；贠BE理念的材料科學與工程專業的教改，應以材料工程的知識結構為出發點，教學內容和教學方法與之相呼應，以學生的學習效果為導向，注重評價達成度，如圖1所示，具體內容如下。

圖1 基于OBE理念的材料科學與工程專業教學改革設計

（1）成果導向的課程體系優化

為了更好地契合我國高校教育的發展現狀，材料科學與工程專業要進行課程設計和專業優化，建立更加完善的大學生課程體系。針對目前我國高校本科生教育而言，增開一系列的研討課、創新實踐課、研修班等，避免傳統的“填鴨式輸出”教學模式。同時，將這種創新創業意識整合到人才培養方案中，貫穿整個培養全過程。在理論與實踐中教學中，不斷地誘導學生的創新能力，提升學生的發散思維和獨立自主能力，為以后從事相關事業奠定實踐基礎[3]。材料科學與工程專業課程設置應秉承多樣性和系統性的原則，不能只教授單一的專業知識，還應融入一些社會科學、自然科學和人文科學，有利于全面地提升工程人才的綜合素質，增加學生對社會問題的處理能力。只有理論知識而缺乏實踐技能的工程人才不是人才培養的目標，也并非進行教學改革的初衷。同時，以材料科學與工程前沿技術為基礎，融入實際工程問題，開設創新思維相關課程，增強培養學生的批判性、創新性和邏輯性思維。此外，在材料科學與工程專業相關課程教改實施期間，應充分依托教學研究型大學人才培養目標：選拔高層次拔尖人才進行培養的同時，注重具有專業特長和創新精神的優秀人才的培養。教學研究型大學大多數是省屬大學，以山西省屬重點大學中北大學為例，在科研發展和人才培養方面的主體對象是本省學生，在進行教改的同時，要考慮山西轉型發展，為山西經濟發展服務的目的。

新型工程人才的培養還須與科學研究相結合。材料科學與工程是強勢的科研學科，在實施教改過程中，應充分地利用這一優質資源。以無機非金屬材料工程專業課程為例：“無機材料現代測試方法”一直是無機非金屬材料工程專業的專業必修課程，其中包含了諸多儀器設備的原理、用途介紹，以及多學科知識匯總。因此，該課程較為枯燥，容易使學生失去學習興趣。與此同時，隨著材料測試手段的迅速發展、不斷更新，“無機材料現代測試方法”的知識更迭十分迅速，如同步輻射X射線吸收譜技術可以得到吸收原子的電子結構，包括價態、對稱性、軌道占據等信息；同步輻射X射線衍射技術可以獲得樣品內電子密度起伏，研究樣品內缺陷和顆粒的尺寸、形狀及其分布；球差校正透射電子顯微鏡可以觀察到無機納米材料的微觀原子排布，微區結構和元素分布信息等。然而，新的測試技術尚未列入書本或教材中，這就需要授課老師在調研文獻的基礎上，及時地去更新自己的專業知識，將前沿的、高端的測試方法與手段介紹給學生，幫助學生拓寬視野，真正做到知識來源于教材又不僅僅局限于教材。再如，筆者將自己的研究課題（碳基新能源高功率儲能材料）引入課堂，鼓勵材料科學與工程專業的本科生進入課題組進行科研，通過相對專業的科研訓練和教學指導，提高學生的綜合能力。以講解無機材料性能中無機材料電導知識為例，在課堂授課過程中，講解影響無機材料電子電導的因素的同時，引入筆者所研究的石墨烯材料，讓學生分析石墨烯電子電導高的原因，了解石墨烯材料的應用，達到將理論知識與實際科研應用相結合的目的。此外，指導對相關研究方向感興趣的學生進行文獻調研，然后進行石墨烯相關材料制備的實驗設計，實施實驗，引導學生結合科研項目進行創新性研究項目。學生在進行科研的過程中，可以通過掃描電子顯微鏡觀察石墨烯的微觀形貌，通過電子透射電鏡觀察石墨烯的原子排列、邊緣缺陷，通過電化學工作站進行電化學性能的探究，進而理解微觀結構與性能的構效關系，幫助學生更好地掌握無機材料性能的相關知識。學生在科研與教學結合學習模式中，能夠增強學生主動探究無機材料性能的意識，使學生能夠真正地運用無機非金屬材料工程的基本原理，并通過文獻研究等方法獲取必要相關知識，分析無機非金屬材料等領域的相關復雜工程問題。這一舉措，不僅能夠拓展本科生的學術視野和知識面，而且還能夠激發學生參與科學研究的熱情，符合“新工科”背景下培養學生解決實際問題的能力目標，能夠更好地培養“新工科”所需的智能類專業人才。此外，積極舉辦參與材料領域相關的高水平學術交流會議、賽事以及相關活動，增加與行業的接觸機會，在學術討論中來探討行業發展方向，開闊學生眼界，加深學生對專業領域的深層次理解。

（2）強化以學生為中心的實踐教學模式

在校內外舉辦豐富的學科競賽，增加學生的創新能力。在參加競賽過程中，涉及作品構思、材料制備以及最后的展示過程，有利于培養學生的統籌能力、獨立思考能力、邏輯思維和專業實踐能力。此外，競賽的選題也應以接近實際工程為主，以解決實際問題為培養目標，這與工程教育培養方針相一致。例如，中國大學生創新創業大賽就是一個成功的舉辦案例。學生通過參與此類項目，不僅可以增強對材料科學與相關學科知識的理解，而且還可以增加學生對現有知識應用的能力和高效的知識轉化能力。除此之外，校企合作也是培養學生實踐技能和知識創新的有效方法。校企合作形成產學結合，優勢互補，有利于創新型人才的培養，擴展了學生的培養模式。加強學校與企業各部分之間的合作，創造一條完善的人才培養模式。同時，讓企業走進校園，讓企業中的高級人才定期去學校進行學術報告，增加學生對企業、社會生產、相關行業的理解，為學生以后的創業就業提供指導思路。

（3）多元培養模式保障培養目標達成

采取課內與課外融合、線上與線下結合、虛擬仿真與實驗協同的教學方式。在課堂講授的教學模式基礎上，加入具有可視性、具體性和互動性強的仿真平臺，使枯燥的教學內容向實踐內容轉化。從多個維度出發，面向材料科學與工程專業本科生傳授相關知識點。例如，太原理工大學材料科學與工程學院搭建的液態成型工藝技術虛擬仿真平臺。通過演示性實驗，學生對軟件操作過程進行了解，將學生進行分組，各組指定一個鑄件（如汽車發動機、油缸、斗齒等），讓各組學生分工協作，確定工藝，進行模擬計算（可到實驗室直接操作模擬軟件或通過網上預約、提交計算任務的方式完成），并根據模擬計算結果對原工藝進行優化，形成實驗報告，培養了學生構建三維實體、利用信息技術工具對復雜工程問題進行模擬與預測的能力。仿真虛擬平臺的引入，有助于提高課堂的互動性，能夠有效提升學生的主動學習的能力，從而提高教學質量。此外，探索創新創業的人才培養模式，進一步實現多元培養體系。增加對學生畢業設計的過程考核，使學生對專業的意義得到深層次理解，提高學生的自主思考和創新創造能力。增加全程導師，帶領學生進行課題調研，積極地引導學生對相關課題進行自主探索，定期組織交流討論，積極構建學生實驗實踐平臺，豐富其實驗實踐路徑，保障課程教學目標的達成。

綜上所述，材料科學與工程是一門實踐性和綜合性很強的學科，在經濟和科技迅速發展的現時代社會中，不斷地更新培養理念，提高教育理念，跟緊時代步伐，與國際相接軌，引領學生了解最新行業發展情況，為輸出高質量的，具有專業特色的新型工程人才提供強大的基礎保障。