基于新工科的材料加工專業(yè)研究生培養(yǎng)模式探索

劉玲　馬壯　朱皓麟　高麗紅　柳彥博

［摘 要］如今，智能制造、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。國家為此加大了新領(lǐng)域人才的培養(yǎng)力度，大力提倡發(fā)展“新工科”，培養(yǎng)能勝任這些新興產(chǎn)業(yè)的人才。然而，材料加工專業(yè)傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已滯后于時代變化，難以培養(yǎng)出新工科所需的人才。文章闡述了國內(nèi)材料加工專業(yè)傳統(tǒng)研究生教育存在的問題，并針對性地提出了新的研究生培養(yǎng)模式：通過取消專業(yè)課學(xué)分考核、聘用專門的理論課講師、采用“線上+線下”教學(xué)模式、多導(dǎo)師協(xié)同培養(yǎng)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、“模擬+實(shí)驗(yàn)+共享”的研究模式，推進(jìn)材料加工專業(yè)優(yōu)化升級，培養(yǎng)滿足相關(guān)行業(yè)需求的新工科人才。

［關(guān)鍵詞］新工科；材料加工；研究生；培養(yǎng)模式

［中圖分類號］ G643 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0107-04

隨著新一輪工業(yè)革命的到來，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G通信技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)將對世界各國的未來發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，國家對能引領(lǐng)這些領(lǐng)域的新型工科人才的需求日益增大。在這一背景下，2017年2月在復(fù)旦大學(xué)召開的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會達(dá)成“復(fù)旦共識”后，我國制定了“天大行動”“北京指南”和“成都宣言”，逐步形成了新工科的人才培養(yǎng)理念。

新工科主要指新興產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)，既包括大數(shù)據(jù)、智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等新興工科專業(yè)，又包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。新工科強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，強(qiáng)調(diào)從高校到社會、從理論到實(shí)踐、從教育到應(yīng)用。而材料加工作為支撐國民經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)工科專業(yè)之一，應(yīng)在新工科的大背景下及時升級轉(zhuǎn)型，滿足國家對復(fù)合型人才的需求。但國內(nèi)部分工科高校對材料加工專業(yè)研究生的培養(yǎng)仍然用傳統(tǒng)的模式，長此以往，將會阻礙我國材料加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，如何對傳統(tǒng)材料加工專業(yè)培養(yǎng)模式進(jìn)行優(yōu)化升級成為一個亟待解決的問題。

一、我國材料加工專業(yè)研究生教育現(xiàn)存的問題

（一）教學(xué)模式單一，內(nèi)容陳舊冗雜

課堂教學(xué)作為材料加工專業(yè)研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是研究生夯實(shí)科研基礎(chǔ)的必由之路。然而，我國部分高校采取的教學(xué)模式過于單一，仍然采用“填鴨式”的教學(xué)模式。部分教師只顧完成學(xué)校交付的教學(xué)任務(wù)，全然不顧學(xué)生是否真正掌握相應(yīng)知識、是否能夠切實(shí)運(yùn)用到以后的研究中去。在講課方式上，授課教師僅僅是照本宣科地講授講義內(nèi)容，與學(xué)生缺乏互動。此外，課程種類設(shè)置相對陳舊，必修課過多，選修課過少，所設(shè)課程也不一定適合每一個學(xué)生[1]。同時，許多內(nèi)容不及時更新、缺乏趣味性，與領(lǐng)域內(nèi)的國際前沿知識嚴(yán)重脫節(jié)[2]，以致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。特別是鑄造工程基礎(chǔ)、鍛造工程基礎(chǔ)、焊接工程基礎(chǔ)等課程的理論性較強(qiáng)、涵蓋范圍較廣、內(nèi)容較為零散，容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。而學(xué)生對課程內(nèi)容失去興趣也導(dǎo)致授課教師逐漸失去講課熱情，最終形成學(xué)生缺乏興趣、教師缺乏熱情的惡性循環(huán)。究其原因，一方面，部分教師僅僅把課堂教學(xué)當(dāng)成學(xué)校要求完成的一個硬性任務(wù)，只求不出現(xiàn)嚴(yán)重教學(xué)事故，并未把傳授學(xué)生必要知識放在首位；另一方面，一些學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)只是為了湊足畢業(yè)要求的學(xué)分，對自身所選課程并無興趣，上課時也不把注意力放在教師講授的內(nèi)容上，這在一定程度上影響了授課教師的教學(xué)熱情。這種教學(xué)模式實(shí)則與本科教學(xué)無異，側(cè)重于灌輸而不注重輸出。這不僅導(dǎo)致了研究生創(chuàng)新能力缺乏，而且使得學(xué)生在挖掘問題主動性、思考問題全面性、分析問題邏輯性、解決問題優(yōu)化性等方面都有所欠缺[3]。

（二）教師身兼數(shù)職，分身乏術(shù)

目前，部分高校教師身兼數(shù)職，需要同時處理多項(xiàng)任務(wù)，材料加工專業(yè)的教師也不例外。他們不僅需要完成每年的科研考核任務(wù)，發(fā)表有一定含金量的SCI論文，要申報(bào)項(xiàng)目、申請基金、參加各類會議，甚至還需要到一線指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)。此外，還需要完成學(xué)校安排的課堂教學(xué)任務(wù)。這就使得部分教師的工作重心有所偏移，對教學(xué)草草應(yīng)付了事，學(xué)生也很難學(xué)到有用的知識。

（三）學(xué)科交叉力度不夠

目前，許多高校的不同院系是獨(dú)立運(yùn)作的，因而許多研究生在整個求學(xué)期間只能和有相同專業(yè)背景的人接觸，其導(dǎo)師往往也只是一個領(lǐng)域內(nèi)的專家。國務(wù)院學(xué)位辦的調(diào)研結(jié)果顯示，70 %的博士生沒有參與過跨學(xué)科項(xiàng)目[4]，這種情況在材料加工專業(yè)也存在。盡管材料加工在大眾的認(rèn)知里是以鑄造、鍛造、焊接等為基礎(chǔ)的實(shí)踐學(xué)科，但在新工科的大背景下，材料加工已不再是傳統(tǒng)的實(shí)踐學(xué)科。如今的材料加工已經(jīng)與數(shù)字控制、仿真模擬乃至基于密度泛函的第一性原理計(jì)算相結(jié)合。這就要求從業(yè)人員既要掌握基本的專業(yè)知識、擁有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又要熟悉電路信號、掌握一些國際主流的材料仿真軟件，例如ANSYS，甚至還需要懂得如何對材料自身的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能進(jìn)行計(jì)算以提前預(yù)測所選材料適用于何種工況，為下一步實(shí)踐提供理論指導(dǎo)?？梢?，材料加工已逐步發(fā)展為一個多學(xué)科結(jié)合的專業(yè)，涵蓋了材料、電子信息、軟件編程等專業(yè)的相關(guān)知識。然而，目前部分高校仍以傳統(tǒng)的鑄鍛焊為框架來構(gòu)建知識體系，這樣學(xué)生只能學(xué)到單一學(xué)科的知識，在未來可能難以解決實(shí)際工作中出現(xiàn)的復(fù)雜問題。同時，長期處于單一學(xué)科環(huán)境里，容易導(dǎo)致思維僵化，阻礙創(chuàng)新能力的提高。因此，在研究生培養(yǎng)上應(yīng)打破學(xué)科壁壘，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科相互交流，取長補(bǔ)短。不同思維的相互碰撞有利于創(chuàng)新想法的產(chǎn)生，也有利于相應(yīng)領(lǐng)域的研究人員突破科研瓶頸，取得意想不到的成果。

（四）實(shí)踐能力培養(yǎng)不足

就業(yè)困難是很多高校材料加工專業(yè)研究生畢業(yè)后面臨的一大難題。材料加工是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)，如果學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間花費(fèi)較多時間掌握基本的實(shí)操技能，那在畢業(yè)時找到一份對口的工作并非難事。然而，現(xiàn)實(shí)卻是許多畢業(yè)生很難找到與所學(xué)專業(yè)相符的工作。這與學(xué)校重視理論教育而忽略技能培養(yǎng)有關(guān)。部分高校的課程設(shè)置仍以理論教學(xué)為主，實(shí)踐類課程占比較少，甚至沒有[5]。而實(shí)踐與理論的脫節(jié)導(dǎo)致許多研究生難以學(xué)以致用[6]。如冷沖壓模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這門課，僅僅掌握模具設(shè)計(jì)的理論知識是不夠的，因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中需綜合考慮各種因素，如進(jìn)料余量、間距、形位公差等，這樣才能使設(shè)計(jì)的模具符合應(yīng)用工況。若沒有實(shí)際操作過沖壓機(jī)或見過其工作過程，就很難將所學(xué)理論應(yīng)用到生產(chǎn)中。這樣容易導(dǎo)致畢業(yè)生紙上談兵，一旦涉及實(shí)際運(yùn)用，就不知如何著手。學(xué)生實(shí)踐能力不足，自然也就面臨就業(yè)壓力。盡管許多高校為學(xué)生安排了生產(chǎn)實(shí)習(xí)，讓學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)第一線去了解工藝過程，但實(shí)際情況卻是一些設(shè)備齊全的大型企業(yè)僅讓實(shí)習(xí)學(xué)生參觀工廠車間，聽接待的技術(shù)員進(jìn)行工藝講解，并不讓學(xué)生親自動手操作相關(guān)沖壓或鑄造設(shè)備。這就使得生產(chǎn)實(shí)習(xí)流于形式化，并沒有真正提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力[7]。

（五）科研資源分配不均

在研究生教育里，最重要的一環(huán)便是進(jìn)行科學(xué)研究。而科研資源則是保障研究工作順利開展的關(guān)鍵，具體包括硬件設(shè)施和軟件資源。然而，鑒于我國研究生教育尚處于起步階段，且經(jīng)費(fèi)有限，只能重點(diǎn)分配給部分高校，讓其先發(fā)展起來，從而帶動其他高校發(fā)展。在這個過程中，對于不同的高校而言，科研經(jīng)費(fèi)的分配又會因?qū)W科院系的重要程度不同而有所傾斜，不可避免地存在科研資源分配不均的問題。材料加工在一些高校屬于強(qiáng)項(xiàng)，分到的科研經(jīng)費(fèi)可能相對較多，而在并非強(qiáng)項(xiàng)的高校，情況就可能相反。這就出現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象，在那些材料加工發(fā)展較好的高校，專業(yè)所需的科研設(shè)施，例如XRD、SEM、STEM等較為齊全，甚至重復(fù)購置，而專業(yè)發(fā)展相對落后的高校卻設(shè)施陳舊甚至沒有。不僅硬件設(shè)施如此，軟件資源也是類似的情況。資金充沛的高校有能力購買科研軟件的版權(quán)，例如Materials Studio、VASP等輔助材料計(jì)算的商業(yè)軟件，方便師生使用，而資金不足的高校卻無法做到。這種資源的不均衡嚴(yán)重阻礙了部分高校材料加工專業(yè)研究生的科研進(jìn)展。

二、我國材料加工專業(yè)研究生培養(yǎng)新模式初探

（一）取締專業(yè)課學(xué)分要求

學(xué)分制是材料加工專業(yè)研究生教育的一種模式，但過高的畢業(yè)學(xué)分要求往往使學(xué)生為了學(xué)分而學(xué)習(xí)，而非為了研究去補(bǔ)充知識。因此，建議不再將專業(yè)課納入畢業(yè)學(xué)分要求，將畢業(yè)學(xué)分要求下調(diào)至修滿基礎(chǔ)課學(xué)分即可，也就是學(xué)生只需修夠基礎(chǔ)課及核心專業(yè)課的學(xué)分即可，例如高等數(shù)學(xué)、專業(yè)英語等。如果學(xué)校強(qiáng)制劃定一個較高的畢業(yè)學(xué)分要求會導(dǎo)致很多學(xué)生為了湊學(xué)分而上課，而非因需要相關(guān)知識。這樣對部分學(xué)生而言是一種時間的浪費(fèi)，教師的教學(xué)目的不一定達(dá)到，而對于想選卻沒選上這門課的學(xué)生而言則是一種資源的浪費(fèi)。因此，應(yīng)取締對專業(yè)課學(xué)分的硬性要求，讓學(xué)生能夠自由地選課、有更多自由的時間去學(xué)習(xí)對自己研究有幫助的知識。這樣學(xué)生各取所需，教學(xué)資源也能得到充分的利用。

（二）聘用專門的理論課講師

部分教師對課堂教學(xué)持敷衍態(tài)度，一部分原因是所需完成的任務(wù)過多，而材料加工專業(yè)的基礎(chǔ)課程內(nèi)容又過于繁雜，要想講好需花費(fèi)大量精力。如果聘用專業(yè)的理論課講師來負(fù)責(zé)專業(yè)課堂的教學(xué)，則可以將具有較強(qiáng)科研能力的教師從繁重的教學(xué)任務(wù)中解放出來，讓他們有更多的精力去進(jìn)行研究。而專門負(fù)責(zé)授課的教師則可以全身心地投入課堂教學(xué)，這樣一方面他們能有充足的時間建立知識間的邏輯聯(lián)系，方便學(xué)生理解與掌握相關(guān)知識，例如不同焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用工況、不同材料相關(guān)知識適應(yīng)何種無損檢測方法等；另一方面能夠及時更新所在領(lǐng)域的最新研究成果與應(yīng)用情況，方便學(xué)生了解專業(yè)的前沿動態(tài)，為學(xué)生畢業(yè)就業(yè)打下基礎(chǔ)。

（三）“線上+線下”教學(xué)模式

實(shí)現(xiàn)這一模式的前提是不再將專業(yè)課納入畢業(yè)學(xué)分要求。這樣便打破了只能選修本學(xué)院開設(shè)的專業(yè)課的壁壘。學(xué)生可以根據(jù)自己的研究需要，利用空余時間在全校范圍內(nèi)選修其他院系對自己研究有幫助的課程，例如Python軟件編程、數(shù)字電路信號等；而對于學(xué)校沒有開設(shè)的課程，如對于材料加工有幫助的ANSYS仿真分析、材料第一性原理輔助計(jì)算等，則可以充分利用MOOC等國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)網(wǎng)課資源補(bǔ)充所需知識。很多時候?qū)W生的學(xué)習(xí)效果不佳是因?yàn)閷ο嚓P(guān)知識沒有需求，缺乏動力，從而應(yīng)付了事，這是一種被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。但若是因?yàn)樾枰W(xué)習(xí)，讓課程為研究服務(wù)，化被動為主動，效果則會大不相同。這樣一來，不僅實(shí)現(xiàn)了課程的實(shí)用性和優(yōu)質(zhì)教育資源的共享，而且有利于促進(jìn)學(xué)科間的交叉融合。同時，取消專業(yè)課的學(xué)分要求，也就在一定程度上避免了不同院系乃至不同學(xué)校間學(xué)分互認(rèn)帶來的麻煩。此外，學(xué)生在根據(jù)研究需求自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容的過程中也培養(yǎng)了自身的數(shù)據(jù)收集、歸納、分析與判斷能力。要學(xué)什么、怎么去學(xué)，這些都需要學(xué)生對眾多的資源進(jìn)行整合，并從中篩選出最符合當(dāng)前需求的知識。在這個終身學(xué)習(xí)的社會，需要的不是只會完成上級交代的任務(wù)的人，而是具有適應(yīng)性、能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行分析判斷的人。因此，在校期間就要培養(yǎng)學(xué)生這一能力，為其以后更快步入社會做鋪墊。

（四）多導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)協(xié)同培養(yǎng)

為彌補(bǔ)單一導(dǎo)師、單一學(xué)科培養(yǎng)帶來的不足，可以組建多導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)對材料加工專業(yè)研究生進(jìn)行協(xié)同培養(yǎng)。團(tuán)隊(duì)成員可以是不同院系的導(dǎo)師，也可以是不同學(xué)校乃至國外高校的導(dǎo)師。不同學(xué)科的導(dǎo)師可以共同承接一些重大項(xiàng)目，讓各自的研究生參與，導(dǎo)師根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)安排不同的分工，并定期開展交流研討會。對于研究生而言，他們能夠接觸到具有不同學(xué)科背景的導(dǎo)師，能夠從不同的角度得到與課題有關(guān)的指點(diǎn)。這樣，他們能將其他學(xué)科的知識與自己的課題相結(jié)合，從另一個角度去思考問題，有助于增強(qiáng)自身的創(chuàng)新意識。同時，導(dǎo)師來自不同院系意味著學(xué)生能獲得多元化的信息，更有利于其制訂契合自身興趣、發(fā)展的培養(yǎng)和研究計(jì)劃。例如，來自材料學(xué)院、軟件學(xué)院、電子信息學(xué)院的教師可以組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，共同指導(dǎo)彼此的學(xué)生，材料加工的研究生除了可以獲得本專業(yè)的相關(guān)指導(dǎo)，還能在編程能力上有所提升，對數(shù)控技術(shù)也能有進(jìn)一步的理解，這對于解決就業(yè)可能遇到的材料數(shù)字化加工及性能預(yù)測等問題有很大幫助。

（五）產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

高校的宗旨是進(jìn)行科學(xué)研究、促進(jìn)科技進(jìn)步，研究成果需要向社會轉(zhuǎn)化、服務(wù)于社會，培養(yǎng)的人才也需要向社會輸送。對學(xué)生而言，高校是從學(xué)校邁向社會的培訓(xùn)階段，學(xué)生進(jìn)入社會所需要的技能一方面要在高校培養(yǎng)和鍛煉，一方面則需要在用人單位進(jìn)行培訓(xùn)和鍛煉[8]。因此，新工科人才培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)注重理論知識與工程實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)工科學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力?！爱a(chǎn)學(xué)研結(jié)合”正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好方法。通過高校、社會單位、科研機(jī)構(gòu)等用人單位的相互合作，學(xué)生能更早地接觸到相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)問題和科研問題，這有助于其實(shí)踐和研究能力的提升，也有利于高校資源與社會資源的融合，實(shí)現(xiàn)成果共享，促進(jìn)高校研究成果向社會企業(yè)轉(zhuǎn)化，更快更好地服務(wù)于社會，同時也拓寬了科研經(jīng)費(fèi)渠道。因此，高校應(yīng)針對產(chǎn)業(yè)崗位需求設(shè)置相應(yīng)緊跟應(yīng)用前沿的實(shí)踐類課程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力[9]。此外，為提高工程教育的質(zhì)量，可鼓勵學(xué)生參與企業(yè)合作項(xiàng)目，讓學(xué)生把在校學(xué)習(xí)的理論知識運(yùn)用到企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，讓學(xué)生真正接觸一線工作。在這個過程中，可安排企業(yè)的技術(shù)員擔(dān)任學(xué)生的臨時導(dǎo)師，對其工作表現(xiàn)進(jìn)行考核、評價(jià)并及時反饋給校內(nèi)導(dǎo)師[10]。

（六）“模擬+實(shí)驗(yàn)+共享”研究模式

在教學(xué)過程中，不僅要重視學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)理論和經(jīng)典方法的學(xué)習(xí)，而且要強(qiáng)化學(xué)生的方法論、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)分析、軟件技能等方面的實(shí)踐能力。軟件模擬是科學(xué)研究的一大利器，模擬結(jié)果可以為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)可以對模擬進(jìn)行驗(yàn)證，二者相互輔助，有助于科研成果更快實(shí)用化。但無論是模擬所需的軟件，還是實(shí)驗(yàn)必備的儀器，由于涉及種類繁多，一所高校不可能配備齊全。因此，各高校及科研院所應(yīng)聯(lián)合籌建一個覆蓋全國的科研軟件及大型儀器共享平臺，提供各類科研軟件的下載服務(wù)以及軟件使用培訓(xùn)和測試儀器的相關(guān)信息。這樣，各高校可根據(jù)實(shí)際需求定期請專業(yè)人員到校開展講座，以方便師生的研究。特別是XRD、SEM、STEM等儀器以及ANSYS、VASP等材料模擬計(jì)算軟件，都是材料加工專業(yè)研究生從事科研活動不可或缺的，但并非所有高校都能配備齊全。因此，若能在各高校間形成這種“模擬+實(shí)驗(yàn)+共享”的研究模式，則既有助于各高校材料加工專業(yè)師生的研究工作，也有利于材料加工專業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。而且這一模式還可推廣到其他專業(yè)。在現(xiàn)階段無法均分經(jīng)費(fèi)的情況下，利用互聯(lián)網(wǎng)時代的特點(diǎn)，建設(shè)全國高?？蒲性O(shè)施及軟件共享平臺，提供閑置或使用頻率較低的設(shè)施信息，讓需要相關(guān)設(shè)施的其他高校研究人員可以就近使用。這樣，既可以提高設(shè)施的利用率，避免資源浪費(fèi)[11]，在一定程度上實(shí)現(xiàn)教育資源的近似均分，又可以實(shí)現(xiàn)高校間的合作共贏，為培養(yǎng)新工科人才提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

三、結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)入大眾生活，培養(yǎng)能勝任這些產(chǎn)業(yè)的新工科人才已是大勢所趨。對于材料加工專業(yè)而言，傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已很難將研究生培養(yǎng)成新興產(chǎn)業(yè)的中流砥柱。因此，探索適合當(dāng)下社會發(fā)展趨勢的新型研究生培養(yǎng)模式勢在必行。只有采用新模式對傳統(tǒng)材料加工專業(yè)的研究生培養(yǎng)模式進(jìn)行優(yōu)化升級，才能培養(yǎng)出大批優(yōu)秀的新工科人才，為我國在新一輪工業(yè)革命中搶占先機(jī)奠定基礎(chǔ)。

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［責(zé)任編輯：李香蓮］