面向新工科的材料類專業(yè)校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所構(gòu)建

周耐根，唐建成，徐玉華，李樣生，甘祥來(lái)

（南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

我國(guó)工程教育的規(guī)模位列全球第一，這為我國(guó)改革開(kāi)放和現(xiàn)代化建設(shè)輸送了大批工程人才。但我國(guó)現(xiàn)行的工程教育是在傳統(tǒng)工業(yè)化過(guò)程中建立和發(fā)展起來(lái)的，工程教育的質(zhì)量以及學(xué)生工程創(chuàng)新的能力卻不容樂(lè)觀。“大而不強(qiáng)、多而不精”一直是我國(guó)工程教育發(fā)展中的主要問(wèn)題[1-2]。新工科教育理念的提出，開(kāi)拓了工程教育改革新途徑[3]。其中綜合能力或工程創(chuàng)新能力就是新工科人才培養(yǎng)的核心要素之一，要求新工科背景下的學(xué)生具備的綜合能力包括應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)造創(chuàng)業(yè)能力，團(tuán)隊(duì)、溝通交流和領(lǐng)導(dǎo)能力，終身學(xué)習(xí)能力以及專業(yè)所涉及的核心技能和職業(yè)態(tài)度等[3-4]。

高校內(nèi)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室基本上按課程進(jìn)行建設(shè)，不利于新工科人才綜合能力或工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此有必要對(duì)現(xiàn)有的部分實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級(jí)改造，構(gòu)建一個(gè)良好的校內(nèi)實(shí)踐場(chǎng)所，支撐新工科人才工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，解決工程教育人才培養(yǎng)同生產(chǎn)和創(chuàng)新實(shí)踐脫節(jié)等問(wèn)題。本文以南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所構(gòu)建為例進(jìn)行探討。

1 傳統(tǒng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室基本上因課程而建設(shè)，基礎(chǔ)課到專業(yè)課對(duì)應(yīng)于基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)課實(shí)驗(yàn)室?；A(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算中心、電工電子實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械制圖實(shí)驗(yàn)室等。專業(yè)課實(shí)驗(yàn)室則又分為專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)方向課實(shí)驗(yàn)室。各高校材料類各專業(yè)方向的基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室大同小異，一般包括材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、分析測(cè)試中心、材料性能學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。專業(yè)課實(shí)驗(yàn)室則按照各專業(yè)方向的不同有所差異。如金屬材料方向則有熱處理實(shí)驗(yàn)室、金屬熔煉實(shí)驗(yàn)室等；而無(wú)機(jī)非金屬材料方向則建設(shè)陶瓷燒制實(shí)驗(yàn)室、粉體實(shí)驗(yàn)室等。這種附屬于課程的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式，可以較好地按照教學(xué)大綱滿足基礎(chǔ)課理論知識(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練，但同時(shí)存在以下不足：

（1）實(shí)驗(yàn)室功能單一[5-6]。一個(gè)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)于某一門特定課程，安排上某一個(gè)或幾個(gè)特定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定。這種模式下的實(shí)驗(yàn)室難以讓學(xué)生從原料到制備再到性能測(cè)試上完整地理解材料的工藝并進(jìn)行實(shí)踐，以至于學(xué)生在單科實(shí)踐課程上拿高分，卻在面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)一籌莫展。這也導(dǎo)致了工程教育培養(yǎng)的人才與國(guó)家重大工程建設(shè)、企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新需求相脫節(jié)，不符合新工科對(duì)人才培養(yǎng)的要求。

（2）實(shí)驗(yàn)室缺乏交流討論與主動(dòng)學(xué)習(xí)的環(huán)境。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)大綱要求配置實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是在教師指導(dǎo)下開(kāi)展演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，少量綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生在課外設(shè)計(jì)好方案，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證。這種模式?jīng)Q定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)地跟著教師完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程創(chuàng)新思維，也不利于學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神、交流合作等綜合能力的培養(yǎng)。

2 面向新工科的校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所的構(gòu)建

在中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證的 OBE（產(chǎn)出導(dǎo)向），CDIO（構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)行）工程教育和“大工程觀”的理論指導(dǎo)下，學(xué)院對(duì)部分專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了升級(jí)改造。

2.1 按生產(chǎn)線模式重建校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所

按生產(chǎn)線模式改造原有的教室和工程實(shí)驗(yàn)室，支持學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的建造能力，漸近式地引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計(jì)到實(shí)踐實(shí)驗(yàn)；突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室功能單一的不足，從硬件上體現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的系統(tǒng)性和完整性，注重工程本身的系統(tǒng)性和完整性。

圖1—圖3分別展示出了金屬材料、陶瓷、新能源材料與器件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。這些實(shí)驗(yàn)室相同的特點(diǎn)是，在一個(gè)大的實(shí)踐空間內(nèi)，沿空間的四周按生產(chǎn)線的模式布置了實(shí)踐所需的各類設(shè)備。金屬材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置示意見(jiàn)圖 1，按原料設(shè)備—制備—熱處理—加工成形—性能測(cè)試區(qū)依次布置；陶瓷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)效果見(jiàn)圖 2，按粉磨配料—制樣—燒結(jié)的順序布置設(shè)備；新能源材料與器件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖 3，按電極制片—電芯裝配—激活檢測(cè)的流程布置。

學(xué)生一進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，就對(duì)材料的生產(chǎn)工藝有個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，關(guān)于材料從原料到性能測(cè)試各環(huán)節(jié)的實(shí)踐均可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，增加了實(shí)踐的靈活性和系統(tǒng)性，也利于培養(yǎng)學(xué)生的“大工程觀”。

2.2 增設(shè)交流討論空間和相關(guān)設(shè)施

圖1 金屬材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置示意圖

圖2 陶瓷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)效果圖

圖3 新能源材料與器件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在大實(shí)踐場(chǎng)所的中間，建設(shè)一個(gè)工作平臺(tái)，再配上網(wǎng)絡(luò)、電腦和多媒體展示等常見(jiàn)的其他設(shè)施，就在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)增設(shè)了一個(gè)學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計(jì)和交流的空間。工程實(shí)踐場(chǎng)所以學(xué)生為中心，并且易用、方便和具有互動(dòng)性，讓學(xué)生體驗(yàn)整個(gè)產(chǎn)品、過(guò)程或系統(tǒng)的生命周期。上述措施從硬件上保證新工科的實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)現(xiàn)。

3 面向新工科的校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所的效果

（1）有利于培養(yǎng)學(xué)生的“大工程觀”思想，以及與企業(yè)順利對(duì)接的工程實(shí)踐能力?！按蠊こ逃^”最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院工學(xué)院院長(zhǎng)喬爾莫西斯提出的一種全新的工程教育理念[7-8]。其主要思想是未來(lái)工程師的培養(yǎng)要注重工程本身的系統(tǒng)性和完整性?！按蠊こ逃^”既包括宏大或復(fù)雜的工程視野、工程的多學(xué)科視野及其所需要的科學(xué)基礎(chǔ)素養(yǎng)，還包含相應(yīng)的人文情懷及工程組織素養(yǎng)等[9]。按生產(chǎn)線模式構(gòu)建的校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所包含了材料制備檢測(cè)的全套工藝流程，體現(xiàn)了工程系統(tǒng)性，方便了與企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)接。討論交流空間則非常利于學(xué)生的交流合作、工程組織素養(yǎng)的培養(yǎng)。全生產(chǎn)線、多功能、討論交流等為解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問(wèn)題提供了支撐，一方面培養(yǎng)了學(xué)生宏大或復(fù)雜的工程視野、工程的多學(xué)科視野；另一方面也通過(guò)合作交流培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和工程組織素養(yǎng)等。從硬件為“大工程觀”的人才培養(yǎng)提供了保證。

（2）有利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，早在2004年Wallenburg基金會(huì)資助MIT和瑞典的幾所大學(xué)共同研究提出了CDIO工程教育模式[10-11]，并得到了國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可。這個(gè)以產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行全生命周期為背景的教育理念，讓學(xué)生主動(dòng)地、實(shí)踐性地通過(guò)課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力[12]。并且，CDIO工程教育模式對(duì)實(shí)踐場(chǎng)所提出了一個(gè)概念模型，CDIO實(shí)踐場(chǎng)所的概念模型見(jiàn)圖 4[13]。升級(jí)改造后的實(shí)踐場(chǎng)所符合這個(gè)概念模型。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的中心預(yù)留了工作平臺(tái)，可以完成構(gòu)思和設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室四周配備的系統(tǒng)完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以完成實(shí)施、運(yùn)行過(guò)程。工作平臺(tái)中的網(wǎng)絡(luò)可以連接學(xué)校圖書館，提供學(xué)習(xí)資源；同時(shí)平臺(tái)提供的電腦和投影（或大屏幕電視）等為小組合作討論、交流提供了便利。加上實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放共享的管理等，完全符合CDIO實(shí)踐場(chǎng)所需要的功能。

圖4 CDIO實(shí)踐場(chǎng)所的概念模型

中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)提出 OBE（產(chǎn)出導(dǎo)向）理念和“以學(xué)生為中心”的思想[14-15]。這也是CDIO工程教育模式中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室適合“以教師為中心”的教學(xué)模式，難以讓學(xué)生根據(jù)自己想法要求實(shí)施實(shí)驗(yàn)，不利于激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性。升級(jí)改造后的實(shí)踐場(chǎng)所，提供學(xué)生自由發(fā)揮的空間，實(shí)施自己想法的設(shè)備保障，和交流、討論、相互學(xué)習(xí)的條件。因此，升級(jí)改造后的實(shí)踐場(chǎng)所從硬件上保障了教與學(xué)模式的變革，從圍繞老師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的模式改變?yōu)閲@學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的模式，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念。

我校材料科學(xué)與工程學(xué)院以工程實(shí)踐場(chǎng)所建設(shè)為主要內(nèi)容之一的教學(xué)改革獲得了 2018年江西省教學(xué)成果獎(jiǎng)。通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)（麥可思數(shù)據(jù)有限公司）評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，材料科學(xué)與工程專業(yè)的在校生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的滿意度達(dá)到90%以上，近三屆畢業(yè)生的工程能力達(dá)成度均在90%左右。用人單位對(duì)本專業(yè)學(xué)生工程推理和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力滿意度也在90%左右。學(xué)生的一次就業(yè)率由2013年的78%提高到2019年的95%以上，位于學(xué)校和江西省其他高校前列。

4 結(jié)語(yǔ)

面向新工科的校內(nèi)工程實(shí)踐場(chǎng)所符合CDIO教育模式下的實(shí)踐場(chǎng)所概念，也體現(xiàn)了中國(guó)工程教育工程認(rèn)證的核心理念之一“以學(xué)生為中心”和“大工程觀”的思想，有利于解決學(xué)校工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)與企業(yè)等用人單位的需求脫節(jié)的問(wèn)題，以及材料類專業(yè)學(xué)生工程創(chuàng)新能力弱的問(wèn)題。該工程實(shí)踐場(chǎng)所是對(duì)傳統(tǒng)材料類實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)有效補(bǔ)充和提高，既能滿足基本的實(shí)踐教學(xué)需要，又可以作為科研訓(xùn)練項(xiàng)目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等訓(xùn)練基地。