新工科背景下材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)研究

鄭玉船，李瑞鋒，李長(zhǎng)江

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041）

2017年2月，教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，內(nèi)容涉及到工程教育改革創(chuàng)新的理論和思路、人才培養(yǎng)的新模式和教育教學(xué)的新質(zhì)量等方面，其目的是為了實(shí)現(xiàn)既能滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)急需，又能面向未來(lái)發(fā)展的新型工程科技人才的培養(yǎng)[1]。基于此，我們需要更新傳統(tǒng)的教育教學(xué)理念和模式，構(gòu)建工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系和實(shí)施方案，促進(jìn)教育教學(xué)質(zhì)量的提升[2-4]。眾所周知工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)離不開實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生在課程實(shí)踐過(guò)程中才有更多的機(jī)會(huì)融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)積極的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)、提升發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力等綜合素養(yǎng)，有助于增強(qiáng)畢業(yè)生的就業(yè)率，適應(yīng)社會(huì)對(duì)現(xiàn)代化應(yīng)用型人才的需求。因此，在新工科背景下實(shí)踐教學(xué)要給予應(yīng)有的地位，理論只有與實(shí)踐相結(jié)合才能相輔相成，實(shí)現(xiàn)兩者的良性互動(dòng)和創(chuàng)新，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系

材料科學(xué)與工程專業(yè)始建于2012年。近幾年來(lái)，在專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，我們對(duì)省內(nèi)外的兄弟院校和黃山市及周邊相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了調(diào)研。結(jié)合學(xué)校的辦學(xué)定位，積極謀劃專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)目標(biāo)定位。新工科背景下的應(yīng)用型人才培養(yǎng)對(duì)實(shí)踐教學(xué)提出了新要求，需要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、“雙能型”師資建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建和成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)等[5]。

對(duì)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的材料專業(yè)而言，實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型工程技術(shù)人才顯得更為重要。因此，在材料專業(yè)的建設(shè)過(guò)程中，要以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的教育理念積極推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)。另外，要保證實(shí)踐教學(xué)能夠順利開展，就得提供必須的實(shí)踐場(chǎng)所和儀器設(shè)備。在學(xué)校的統(tǒng)籌安排下，材料專業(yè)目前已建有材料制備、材料成型、材料力學(xué)性能、材料物理性能以及材料綜合實(shí)驗(yàn)室，并采購(gòu)了配套的儀器設(shè)備，確保實(shí)踐教學(xué)的順利實(shí)施。在基于學(xué)院已有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)訓(xùn)中心和分析測(cè)試平臺(tái)，材料專業(yè)主要從實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）6個(gè)方面搭建實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前已經(jīng)構(gòu)建了“三位一體”的金字塔型實(shí)踐教學(xué)體系，形成從驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性的“逐層遞進(jìn)，互為補(bǔ)充”的實(shí)踐教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 “三位一體”的金字塔型實(shí)踐教學(xué)體系

其中，設(shè)計(jì)性實(shí)踐主要包括專業(yè)課程設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及在綜合和創(chuàng)新性實(shí)踐中融入的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。創(chuàng)新性實(shí)踐主要包括大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、導(dǎo)師的科研項(xiàng)目以及畢業(yè)論文。下面以金相實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真和工程實(shí)訓(xùn)為例探討其在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面所起的作用。

2 金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《材料現(xiàn)代研究方法》和《材料力學(xué)性能》這3門專業(yè)課程結(jié)束之后，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了金相實(shí)驗(yàn)。在項(xiàng)目?jī)?nèi)容上，考慮到有的企業(yè)送樣測(cè)試時(shí)用的是細(xì)線材，為了讓學(xué)生掌握這種類型材料的金相樣品制備，我們添加了金相鑲嵌機(jī)的使用教學(xué)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握金相樣品的制備、金相組織的觀察和分析以及金相顯微鏡的成像原理、構(gòu)造和使用。為了讓學(xué)生能夠?qū)⒔鹣嘟M織與材料性能緊密聯(lián)系起來(lái)，更深入地了解金相組織測(cè)定的用途和意義以及材料科學(xué)與工程的組成、制備、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)聯(lián)，添加了兩項(xiàng)材料力學(xué)性能測(cè)試即硬度和拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 金相實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

金相實(shí)驗(yàn)和硬度測(cè)試要求每位同學(xué)獨(dú)立完成，拉伸實(shí)驗(yàn)由每一小組（3人/組，計(jì)4組）共同完成。這種綜合性實(shí)驗(yàn)的安排，其目的在于：（1）學(xué)生在完成金相實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到金相組織的變化對(duì)金屬材料硬度和拉伸性能指標(biāo)（如抗拉強(qiáng)度σb，屈服點(diǎn)σs）的影響，從而將不同課程的理論知識(shí)點(diǎn)整合在一起，讓學(xué)生意識(shí)到所學(xué)課程不是絕對(duì)獨(dú)立的個(gè)體，彼此之間有著環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系，有益于培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維能力和實(shí)踐能力；（2）實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)主要是為鞏固理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力服務(wù)的，不能為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)。在新工科的背景下，更要充分考慮到專業(yè)實(shí)踐對(duì)學(xué)生應(yīng)用型能力的培養(yǎng)的作用，因此在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)上要融入綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的理念，在實(shí)施過(guò)程中教師要積極地引導(dǎo)學(xué)生去分析和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

3 虛擬仿真教學(xué)

1989年，William Wolf提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念。教育部于2013年開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，并于2015年批準(zhǔn)了100個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。虛擬仿真教學(xué)有其突出的優(yōu)勢(shì)：（1）非現(xiàn)場(chǎng)操作，對(duì)于高危環(huán)境下的作業(yè)，可以避免意外事故的發(fā)生，但其又可真實(shí)還原接近現(xiàn)場(chǎng)操作的效果；（2）教學(xué)成本較低，機(jī)動(dòng)靈活，可重復(fù)操作；（3）無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保實(shí)踐教學(xué)等。因此，虛擬仿真教學(xué)已成為實(shí)踐教學(xué)中的重要組成部分。

材料專業(yè)基于學(xué)校搭建的省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了虛擬仿真課程。該課程由6個(gè)化工單元和1個(gè)工藝仿真組成。每個(gè)項(xiàng)目主要包括開車、停車和故障處理3個(gè)子項(xiàng)目，而每個(gè)子項(xiàng)目又由若干模塊組成。學(xué)生分組進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，在客戶端打開軟件登錄，按序完成各項(xiàng)操作。根據(jù)質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)，軟件將實(shí)時(shí)反饋學(xué)生的操作成績(jī)到教師端。在此過(guò)程中，教師可以隨時(shí)掌握各位同學(xué)的仿真進(jìn)度和成績(jī)。每個(gè)項(xiàng)目要求學(xué)生獨(dú)立完成，在個(gè)別仿真子項(xiàng)目上允許學(xué)生討論。在學(xué)生討論無(wú)果的情況下，指導(dǎo)老師將會(huì)引導(dǎo)學(xué)生去解決仿真過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

總結(jié)最近幾屆學(xué)生的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以看出該實(shí)踐課程產(chǎn)生的影響主要在以下幾個(gè)方面：（1）可以鞏固學(xué)生所學(xué)化工方面的理論知識(shí)，掌握各生產(chǎn)裝置的工藝流程和基本原理以及分散控制系統(tǒng)；（2）通過(guò)理論和虛擬實(shí)踐相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生化工單元的基本操作技能，掌握化工儀表和自動(dòng)化，進(jìn)而增強(qiáng)實(shí)踐能力，為以后走上生產(chǎn)崗位打下基礎(chǔ)；（3）培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、務(wù)實(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，雖然是仿真，但必須要按照質(zhì)量要求完成操作；（4）學(xué)生的主動(dòng)性和積極性得到充分的調(diào)動(dòng)，樂(lè)于師生互動(dòng)探討問(wèn)題；（5）可以鍛煉學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)

利用工程實(shí)訓(xùn)中心，材料專業(yè)開設(shè)了工程實(shí)訓(xùn)課程，該課程由5個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目組成。學(xué)生分組進(jìn)入實(shí)訓(xùn)中心，再分為若干小組，然后按照要求完成實(shí)訓(xùn)指標(biāo)。下面以傳熱過(guò)程綜合實(shí)訓(xùn)為例展示實(shí)訓(xùn)流程，如圖3所示。

圖3 工程實(shí)訓(xùn)實(shí)施過(guò)程

相對(duì)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)可以在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮積極作用。（1）讓學(xué)生接觸并體驗(yàn)工業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)場(chǎng)景，通過(guò)不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生可以學(xué)習(xí)和掌握不同崗位的技能，培養(yǎng)安全生產(chǎn)意識(shí)和提升工程實(shí)踐能力；（2）本例中學(xué)生可以掌握總傳熱系數(shù)的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素（如換熱器的構(gòu)造、傳熱介質(zhì)的并流和逆流以及多個(gè)換熱器的串聯(lián)或并聯(lián)）的理解，進(jìn)而引導(dǎo)同學(xué)們思考寒冷天氣供暖換熱器的設(shè)計(jì)，還有企業(yè)中反應(yīng)釜加熱介質(zhì)的選擇等；（3）培養(yǎng)學(xué)生安全意識(shí)、嚴(yán)格遵守操作規(guī)程以及節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)意識(shí)；（4）小組操作時(shí)，可以培養(yǎng)同學(xué)們的合作和協(xié)調(diào)能力，共同完成實(shí)訓(xùn)指標(biāo)。在單人解決異?，F(xiàn)象時(shí)，需要每個(gè)同學(xué)能夠獨(dú)立思考去解決出現(xiàn)的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的突發(fā)事件應(yīng)急處置能力。

5 結(jié)語(yǔ)

在專業(yè)建設(shè)中，要充分利用已有的教學(xué)資源為人才培養(yǎng)服務(wù)。在新工科背景下，實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建、實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施要為培養(yǎng)應(yīng)用型人才服務(wù)。本文以材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建和實(shí)施為例，探索實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用能力等方面的培養(yǎng)，以增強(qiáng)畢業(yè)生的就業(yè)力，適應(yīng)社會(huì)對(duì)現(xiàn)代化應(yīng)用型人才的需求。