基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)研究

董振偉 毛遠(yuǎn)洋 武璽旺

摘要：本研究以材料科學(xué)與工程專業(yè)中的科學(xué)與技術(shù)為框架，分成材料科學(xué)與材料技術(shù)兩大模塊，并對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行提煉，總結(jié)出材料科學(xué)與工程科技合一的教學(xué)體系。該教學(xué)體系將材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)劃分成科學(xué)類課程與技術(shù)類課程兩大類。其中，科學(xué)類課程包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課和專業(yè)方向課，技術(shù)類課程包括驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)課、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課。各類課程之間相互關(guān)聯(lián)，有效地將材料科學(xué)與工程專業(yè)中分散的科學(xué)與技術(shù)結(jié)合起來，使學(xué)生既能學(xué)習(xí)到扎實(shí)的理論知識(shí)，又能不斷地提高專業(yè)技能。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型人才;材料科學(xué)與工程;科技合一;教學(xué)體系

我國(guó)著名的材料學(xué)家姚熹將材料專業(yè)人才描述為“化學(xué)家中的物理學(xué)家，物理學(xué)家中的化學(xué)家，科學(xué)家中的工程師，工程師中的科學(xué)家”，這不僅是對(duì)材料專業(yè)人才的定位，也是對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)指明的目標(biāo)與方向。材料科學(xué)與工程作為一個(gè)剛成立半個(gè)世紀(jì)的工科專業(yè)，因其內(nèi)容涉及面廣、學(xué)科交叉性強(qiáng)、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密、應(yīng)用研究和基礎(chǔ)研究兼?zhèn)涞忍攸c(diǎn)，在創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方面存在較大的困難。一些高校沒有真正領(lǐng)悟到材料科學(xué)與工程專業(yè)的特性，仍然采用傳統(tǒng)“填鴨式”的教學(xué)模式，使學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力主要集中在書本和理論知識(shí)上，缺乏一種始于問題、基于發(fā)現(xiàn)、體現(xiàn)研究性的教學(xué)氛圍，最終導(dǎo)致其培養(yǎng)出的學(xué)生只是材料的了解者而非真正實(shí)用的材料專業(yè)，人才。因此，高校在材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)上要打破傳統(tǒng)的教學(xué)方式，取其精華、去其糟粕，結(jié)合材料科學(xué)與工程專業(yè)的自身特性，提煉出一套適合材料科學(xué)與工程專業(yè)的特色教學(xué)方法，用于培養(yǎng)真正的材料人，以滿足社會(huì)對(duì)材料專業(yè)的人才需求。

材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)原理材料科學(xué)與工程專業(yè)中的科學(xué)與技術(shù)密不可分，被看作同一范疇，但二者的任務(wù)、目的和實(shí)現(xiàn)過程不同，是既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立的辯證關(guān)系：科學(xué)主要表現(xiàn)為物化意識(shí)，技術(shù)則具有物化形態(tài)，科學(xué)提供物化的可能，技術(shù)提供物化的現(xiàn)實(shí)。根據(jù)這種顯著的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)出一套科技合一的教學(xué)體系（如下圖所示）。

該教學(xué)體系是以材料科學(xué)與工程專業(yè)中的科學(xué)與技術(shù)為兩大支柱，以材料性質(zhì)與材料性能兩個(gè)基本的科學(xué)要素和材料表征與材料工藝兩個(gè)基本的技術(shù)要素為基點(diǎn)，將四個(gè)基本要素相互聯(lián)結(jié)成材料科學(xué)與工程科學(xué)與技術(shù)合一的知識(shí)體系。材料性質(zhì)是材料科學(xué)的本質(zhì)，由材料的成分、結(jié)構(gòu)、缺陷三要素制約，而材料性能是材料科學(xué)的現(xiàn)象，指材料在特定環(huán)境下表現(xiàn)的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。材料表征是材料性質(zhì)的微觀反映與材料性能的度量，指運(yùn)用一些物理、化學(xué)性質(zhì)手段對(duì)材料的性質(zhì)反映。材料性能的度量即對(duì)材料所表現(xiàn)的力學(xué)、物理、化學(xué)現(xiàn)象通過相應(yīng)的力學(xué)、物理、化學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行直接或間接的測(cè)量的手段。材料工藝包括材料的合成方法與材料的加工技術(shù)，合成方法是指原子、離子、分子根據(jù)其自身的特性，及在特定環(huán)境下成核、生長(zhǎng)而引申的一些制備方法技術(shù)，通過控制各種參量得到所需形貌、尺寸具有特定性能的材料。材料的加工技術(shù)是指已形成的材料通過各種處理技術(shù)，對(duì)其功能的優(yōu)化或其宏觀形貌的改變。材料科學(xué)與工程中的科學(xué)與技術(shù)中所包含的四個(gè)基本要素之間的相互聯(lián)系是科技合一教學(xué)原理的骨架，它使材料中的科學(xué)與技術(shù)相互連接融為一體，為材料的存在提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

二、材料科學(xué)與工程科學(xué)類課程

在材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)的指導(dǎo)下，以材料的性質(zhì)、性能、表征以及工藝的獨(dú)立性與關(guān)聯(lián)性為主，將專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)方向課緊緊圍繞這四個(gè)基本要素而形成一體化的課程體系。

（一）專業(yè)基礎(chǔ)課

為促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)理論基礎(chǔ)核心知識(shí)的理解，提高其學(xué)習(xí)效率，學(xué)校設(shè)置專業(yè)基礎(chǔ)課程讓學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)人門基礎(chǔ)知識(shí)。專業(yè)基礎(chǔ)課程應(yīng)主要從物理、化學(xué)的角度出發(fā)，開設(shè)與專業(yè)核心知識(shí)極為相關(guān)的基礎(chǔ)課程，如物理化學(xué)課程和大學(xué)物理課程等。學(xué)生通過對(duì)物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，掌握了熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等知識(shí)，能加深對(duì)材料性質(zhì)、工藝等相關(guān)聯(lián)知識(shí)的理解。而學(xué)生通過對(duì)大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)，可以掌握力、熱、聲、光、電、磁的知識(shí)，能加深對(duì)材料性能等知識(shí)的理解。面對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)較多的情況，專業(yè)課教師對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)不能完全照搬相應(yīng)科目所屬的知識(shí)廣度與深度來教學(xué)，而應(yīng)以專業(yè)基礎(chǔ)核心知識(shí)的需求來定所需教學(xué)的深度與廣度。同時(shí)，專業(yè)課教師在教學(xué)的過程中要穿插一點(diǎn)與之相關(guān)聯(lián)的專業(yè)核心知識(shí)，便于讓學(xué)生清楚學(xué)習(xí)這些基礎(chǔ)知識(shí)的目的，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

（二）專業(yè)核心課

專業(yè)核心課是材料科學(xué)與工程科技合一理論教學(xué)中的重中之重，它主要對(duì)科技合一教學(xué)原理的四個(gè)基本要素中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講授。例如：材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)主要從材料的成分、結(jié)構(gòu)、缺陷等方面對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行教學(xué);材料物理性能課程的教學(xué)主要以材料的力、熱、聲、光、電、磁等六個(gè)物理現(xiàn)象及現(xiàn)象之間的轉(zhuǎn)換對(duì)材料性能進(jìn)行教學(xué)。材料性質(zhì)和材料性能作為材料科學(xué)的兩個(gè)基本點(diǎn)，它們之間相互影響、相互制約，即材料性質(zhì)決定材料性能，材料性能反饋材料性質(zhì)，使材料相應(yīng)的成分、結(jié)構(gòu)、缺陷展示其相應(yīng)的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能或反饋出其相應(yīng)的成分、結(jié)構(gòu)、缺陷。材料分析方法課程的教學(xué)主要通過對(duì)材料進(jìn)行分析的儀器原理對(duì)材料分析技術(shù)進(jìn)行教學(xué);材料工藝課程的教學(xué)主要通過材料工藝原理對(duì)材料工藝進(jìn)行教學(xué)。材料表征反映了材料的科學(xué)本質(zhì)，而對(duì)材料科學(xué)本質(zhì)的深入探究與完善使材料表征不斷優(yōu)化、完善，出現(xiàn)新的材料技術(shù)。材料性能與材料測(cè)試技術(shù)作為材料科學(xué)性能與技術(shù)的一個(gè)連接橋梁，材料測(cè)試手段度量材料科學(xué)性能有無、優(yōu)劣，材料性能決定、改善、優(yōu)化測(cè)試技術(shù)方法。材料科學(xué)性能與材料工藝同樣是材料科學(xué)性能與材料技術(shù)的另一個(gè)重要連接橋梁，材料工藝作用于材料性能，而材料性能反饋、優(yōu)化材料工藝方法。在教學(xué)的過程中不能僅局限于某個(gè)點(diǎn)來講授，還要通過對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間連成線的方式來講授。如教師講授材料性能時(shí)，要聯(lián)系到材料的性質(zhì)解釋這一物理現(xiàn)象，否則學(xué)生將會(huì)對(duì)單純地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)感到厭倦，同時(shí)還會(huì)將后期的綜合教學(xué)提高一定的難度。

（三）專業(yè)方向課

為了讓學(xué)生形成一個(gè)完整的材料科學(xué)與工程科技合一的知識(shí)理論體系，專業(yè)方向課主要對(duì)科技合一原理的體系進(jìn)行教學(xué)。材料專業(yè)方向課主要對(duì)金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料等三大材料和一些特定功能方面的材料從材料科學(xué)與技術(shù)的角度同時(shí)講解，即形成一個(gè)完整的材料科技合一流程。該方面教學(xué)要改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，靈活運(yùn)用問題教學(xué)法、案例法、示范法等多種教學(xué)方法。同時(shí)教師還要采用啟發(fā)式教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生去探索，通過提出問題引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，提升學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。教師也可以積極運(yùn)用以科學(xué)、工程案例分析為背景的理論教學(xué)模式，即運(yùn)用豐富生動(dòng)的案例講解科學(xué)知識(shí)與技術(shù)方法，提升學(xué)生對(duì)材料科技與工程科技合一理論的綜合運(yùn)用能力。教師還可以適當(dāng)安排自學(xué)的學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力，減少課堂講授時(shí)數(shù)，讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程中，不斷深化專業(yè)體系化知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解。

三、材料科學(xué)與工程技術(shù)類課程

為了加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握材料的基本技術(shù)，學(xué)校應(yīng)緊跟理論教學(xué)的開設(shè)時(shí)間、邏輯順序，開設(shè)起驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等技術(shù)類課程。

（一）驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。開設(shè)該驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)課程的目的是讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，在教師和講義的指導(dǎo)下，讓學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)理論的四個(gè)基本要素中重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。例如：材料科學(xué)性質(zhì)方面基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可通過以積木堆積的方式，堆積體心立方、面心立方、六方密排、氯化鈉等晶體結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證實(shí)際密排面、密排方向、配位數(shù)等;材料科學(xué)性能方面基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可通過拉伸試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證金屬材料、陶瓷材料等的拉伸曲線等;材料分析技術(shù)方面基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可通過實(shí)際操作XRD測(cè)量晶體材料，驗(yàn)證布拉格方程等;材料工藝方面基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可通過對(duì)金屬熔體進(jìn)行不同速率的冷凝技術(shù)，驗(yàn)證冷凝速率對(duì)材料結(jié)晶的影響等。在該方面的教學(xué)中，指導(dǎo)教師應(yīng)有意識(shí)地對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度挖掘，提升該驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，讓學(xué)生在思想上對(duì)專業(yè)核心知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展與深化。

（二）設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)。該設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)應(yīng)以基礎(chǔ)材料的設(shè)計(jì)為主。學(xué)生通過利用所學(xué)的理論知識(shí)和在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)所掌握的實(shí)驗(yàn)儀器操作能力，對(duì)所設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行物相、成型工藝、性能表征、性質(zhì)表征的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)獲取所設(shè)計(jì)的材料。比如，對(duì)基礎(chǔ)材料陶瓷的設(shè)計(jì)，學(xué)生通過查閱參考書本或文獻(xiàn)得到，所需用的原料及配比來制備釉料和胚體料，根據(jù)所要制備樣品形貌選擇相應(yīng)成型工藝方法，對(duì)制備出的樣品根據(jù)所要的物理性能選取相應(yīng)的性能表征，并用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行分析。在該方面教學(xué)中，指導(dǎo)教師應(yīng)作為質(zhì)詢者、引導(dǎo)者，對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生不斷對(duì)專業(yè)問題更深入思索，不斷加深對(duì)材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)理論的理解，同時(shí)形成自己的專業(yè)思維模式。

（三）創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)戰(zhàn)教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)。該創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)應(yīng)以實(shí)際問題為導(dǎo)向，學(xué)生通過應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)滿足社會(huì)需求。高校在材料科學(xué)與工程專業(yè)方面應(yīng)實(shí)施導(dǎo)師制，學(xué)生根據(jù)自己實(shí)際情況和自身對(duì)某方面材料的興趣，選取相對(duì)應(yīng)材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)型或就業(yè)型的指導(dǎo)教師。指導(dǎo)教師通過引領(lǐng)學(xué)生了解學(xué)術(shù)前沿問題或企業(yè)生產(chǎn)前沿問題，并設(shè)計(jì)一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過已形成的專業(yè)知識(shí)體系和查閱相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究和解決問題。例如：以就業(yè)為主的學(xué)生，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下形成自己的工業(yè)生產(chǎn)思維，了解工廠生產(chǎn)流程及一些生產(chǎn)中存在的問題，親身實(shí)踐，并結(jié)合自己已有的專業(yè)思維分析問題、查閱資料、解決問題、優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程;以學(xué)術(shù)為主的學(xué)生，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下形成自己的學(xué)術(shù)思維，了解當(dāng)今學(xué)術(shù)前沿、查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)、探究未知。學(xué)生通過該創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)實(shí)戰(zhàn)教學(xué)的培養(yǎng)不僅能提早了解社會(huì)需求、滿足企業(yè)對(duì)應(yīng)用型材料人的需求，而且還能為以后的就業(yè)提供便利，同時(shí)也會(huì)在專業(yè)綜合素質(zhì)、責(zé)任心、創(chuàng)新精神方面起到積極的作用。

本研究從材料科學(xué)與工程專業(yè)所具有的科學(xué)與技術(shù)兼?zhèn)涞膶傩猿霭l(fā)，在材料科學(xué)方面總結(jié)出材料性質(zhì)與材料性能兩大科學(xué)范疇，在材料技術(shù)方面凝練出材料分析與材料工藝兩大技術(shù)范疇，以四大范疇為基本點(diǎn)，以其之間的相互作用為支架，形成一套材料科學(xué)與工程科技合一教學(xué)理論模型。根據(jù)該模型的指導(dǎo)，形成了理論教學(xué)與實(shí)戰(zhàn)教學(xué)兩大教學(xué)方式，并緊緊圍繞四大基本點(diǎn)的獨(dú)特性與關(guān)聯(lián)性，根據(jù)這兩大教學(xué)方式分別開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)方向課和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)課、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課。同時(shí)，各教學(xué)課程根據(jù)自己所傳授的內(nèi)容與目的形成各自的、合理的、可實(shí)施的教學(xué)方法，各教學(xué)方法匯集在一起形成一套科技合一的教學(xué)體系。

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