新工科背景下光電材料與器件實驗課程體系的創(chuàng)新與重構(gòu)

祁亞軍 江娟 張蕾

[摘 要] 實驗課程教學是培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程人才的重要手段。新工科人才培養(yǎng)需求和以工程認證為抓手的新工科專業(yè)建設(shè)對實驗課程體系提出了新的要求。以湖北大學材料科學與工程專業(yè)為例，以工程教育認證的核心理念為導向，探討了光電材料與器件專業(yè)方向?qū)嶒炚n程體系建設(shè)的思路和方法，構(gòu)建了分層次多模塊的實驗課程體系，并充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，引入“虛實互補”實驗體系平臺;強化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學生實踐創(chuàng)新能力，以期建立目標導向的人才培養(yǎng)模式，促進學科發(fā)展和專業(yè)建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] 新工科;實驗課程體系;虛實互補;科教融合

[基金項目] 2021年度教育部第一批協(xié)同育人項目“材料科學與工程專業(yè)學生工程實踐能力提升與探索”（202101346002）

[作者簡介] 祁亞軍（1980—），男，湖北咸寧人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，主要從事鐵電多鐵性材料與器件研究;江 娟（1980—），女，湖北十堰人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院副教授，主要從事微波介質(zhì)材料與器件研究;張 蕾（1981—），女，湖北棗陽人，工學博士，湖北大學材料科學與工程學院副教授，主要從事二維光電材料與器件研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0021-04 [收稿日期] 2021-09-02

一、研究背景

隨著全球經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)組織方式的轉(zhuǎn)變，應(yīng)對新時代技術(shù)革命，培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才，是新時代高等院校工程教育改革的迫切要求。2017年2月以來，教育部先后召開新工科研討會，分別形成的“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”標志著以新工科建設(shè)為主題的高等工程教育改革進入一個新的階段[1，2]。堅持立德樹人，以應(yīng)對變化塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化創(chuàng)新型卓越工程人才，是新工科人才培養(yǎng)的新內(nèi)涵[1-3]。新工科建設(shè)是以創(chuàng)新型、綜合化、全周期、開放式工程人才培養(yǎng)為理念，全面踐行“以學生為中心、產(chǎn)出導向教育（Outcome-Based Education， OBE）”的質(zhì)量理念，因此，以成果導向的工程教育認證成為實踐教學體系改革的重要抓手，在教師中深入貫徹OBE理念，重構(gòu)實踐課程體系，有助于推動工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

不同類型不同層次高校新工科建設(shè)的實踐與探索各具特色。湖北大學材料科學與工程專業(yè)是湖北省一流專業(yè)建設(shè)點，以光電材料與器件為專業(yè)方向特色。新工科形勢下，材料科學與工程專業(yè)立足湖北、面向中南、輻射全國，培養(yǎng)具有扎實自然科學、人文和社會科學基礎(chǔ)，掌握光電功能材料領(lǐng)域的科學原理和工程應(yīng)用的基本理論，具備研究、分析和解決光電功能材料合成與制備、設(shè)計與開發(fā)能力，具有創(chuàng)新意識和解決復(fù)雜工程問題能力的高素質(zhì)卓越工程應(yīng)用型人才。材料科學與工程專業(yè)具有很強的實踐性，實驗課程在培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力、綜合運用所學知識分析和解決復(fù)雜工程問題的能力上，特別是在培養(yǎng)學生探索材料構(gòu)效關(guān)系、開發(fā)新材料和解決材料實際工程問題的綜合素質(zhì)和能力方面，發(fā)揮著舉足輕重的作用。改革實驗教學首先要認識到實驗教學在工程能力培養(yǎng)中的雙重功能，其既用以鞏固驗證理論知識，又具有培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的勇氣、方法、創(chuàng)新能力和其他綜合素質(zhì)的功能。目前，材料科學與工程專業(yè)實驗課程體系存在實驗教學體系單一、教學手段落后、教學內(nèi)容陳舊等問題，難以激發(fā)學生深入學習的興趣，亟待改革創(chuàng)新。

本文以湖北大學材料科學與工程專業(yè)的實驗課程體系建設(shè)為例，在思想上切實貫徹OBE質(zhì)量理念，重新構(gòu)建光電材料與器件特色方向的實驗課程體系，形成分層次多模塊的實驗課程體系，充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，引入“虛實互補”實驗體系平臺，強化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學生的實踐創(chuàng)新能力，以期建立目標導向的人才培養(yǎng)模式，促進學科發(fā)展和專業(yè)建設(shè)。

二、實驗課程體系存在的問題

1.我校材料科學與工程專業(yè)是在20世紀80年代鐵電壓電材料研究所科研工作的帶動下開創(chuàng)和發(fā)展起來的。1992年招收第一批電子材料專業(yè)的本科生。2003年創(chuàng)辦了材料物理專業(yè)。為推動新工科教育，滿足大類本科人才培養(yǎng)改革的要求，2019年與無機非金屬材料工程專業(yè)合并組建了材料科學與工程新工科專業(yè)。結(jié)合我校材料學科的發(fā)展，突出優(yōu)勢和特色，確定光電材料與器件方向為材料科學與工程專業(yè)的特色方向，相關(guān)的課程體系圍繞該方向展開。此前的實驗體系主要圍繞電子材料的制備、性能測試等方面開設(shè)實驗項目，缺乏能力培養(yǎng)的遞進層次，學生自主創(chuàng)新性不足，不能滿足新的培養(yǎng)計劃和工程教育認證的要求，實驗課程體系亟待重構(gòu)。

2.實驗內(nèi)容陳舊，實驗項目亟待更新。受實驗條件限制，所涉及的實驗對象、實驗方案等工況過于簡單，驗證性實驗所占比重過大，學生在實驗過程中只是機械地完成規(guī)定動作，記錄數(shù)據(jù)，套用現(xiàn)成的實驗報告，而綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容比重偏低，難以達到新工科背景下對卓越創(chuàng)新人才的實踐訓練要求。

3.教學手段單一，缺少師生互動。傳統(tǒng)的實驗教學以教師集中講解實驗過程、注意事項、實驗操作要點為主，學生分組操作并記錄實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告，在這一教學過程中學生處于被動學習狀態(tài)，鮮有機會對實驗過程中涉及的原理進行深入思考，不能對實驗過程中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象進行合理解釋，更不能與實際工程問題相結(jié)合，提出解決問題的方案。

三、貫徹OBE理念，優(yōu)化實驗教學課程體系

材料科學與工程是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、合成與制備、性質(zhì)與使役性能等基本要素及其相互關(guān)系的科學，是一門涉及物理學、化學、計算科學、工程學和材料科學的綜合型交叉學科。材料類專業(yè)作為一類數(shù)理與工程學交叉的學科，按照工程教育認證的要求，其實驗課程體系包含物理學、化學、計算機操作、電工電子技術(shù)等公共基礎(chǔ)實驗，還包括材料科學基礎(chǔ)實驗、材料工程基礎(chǔ)實驗、材料測試與表征等專業(yè)基礎(chǔ)實驗，以及設(shè)計光電材料與器件專業(yè)方向的專業(yè)實驗三個模塊的實驗課程體系。按照工程教育認證的要求，已經(jīng)完善和修訂了公共基礎(chǔ)實驗和專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程體系，本文重點討論專業(yè)實驗課程體系。依據(jù)實驗內(nèi)容對畢業(yè)要求的支撐要點，專業(yè)實驗又可構(gòu)建驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗三個層次的實驗教學體系。

1.在驗證性實驗層次，如光敏電阻特性實驗、光敏二極管的特性測試等基礎(chǔ)性實驗，學生通過對實驗方法、測試工具、基礎(chǔ)操作方法等進行實踐訓練，驗證基本定理、定律和結(jié)論等，夯實實踐動手能力。此為第一個層次應(yīng)獲取的能力。

2.在掌握基本知識、基本技能的基礎(chǔ)上，運用這些知識開展綜合性實驗，如LED光譜特性測試實驗、場效應(yīng)晶體管特性測試等，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。此為第二個層次應(yīng)獲取的能力。

3.第三個層次，開發(fā)創(chuàng)新性設(shè)計性實驗項目，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力，如光電材料與器件綜合設(shè)計實驗，從光電材料應(yīng)用背景，材料成分、結(jié)構(gòu)特性，性能優(yōu)勢，到材料制備工藝設(shè)計、性能測試，器件設(shè)計與制造封裝及其工程應(yīng)用綜合評價等一整套的綜合設(shè)計實驗，該實驗內(nèi)容可以來源于教師的科研項目，教師提出工程應(yīng)用的需求，學生自行設(shè)計并實現(xiàn)，通過科學規(guī)范的培養(yǎng)與訓練，提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。通過這一層次實驗教學內(nèi)容的改革，有助于培養(yǎng)學生獨立提出問題、分析問題和解決問題的能力，強化他們對基礎(chǔ)知識的理解和綜合應(yīng)用能力，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，調(diào)動學生的學習主動性和積極性，提高學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、“虛實互補”構(gòu)建實驗教學新模式

充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建虛擬場景，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學體系中，將理論教學和實驗教學深度融合，實現(xiàn)理論教學形象化，“理論—仿真—實驗”一體化，“虛實結(jié)合”常態(tài)化，有效地將現(xiàn)代信息技術(shù)融入傳統(tǒng)實驗教學，拓展實驗教學內(nèi)容的廣度和深度，提升實驗教學的質(zhì)量和水平[4-7]。整合信息技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學習環(huán)境、實現(xiàn)跨學科協(xié)同合作，依據(jù)“虛實結(jié)合、互為補充、能實不虛”的原則，充分發(fā)掘?qū)嶒炠Y源，開發(fā)新的實驗項目，調(diào)整、優(yōu)化實驗內(nèi)容。

本專業(yè)已建成材料分析測試虛擬仿真實驗室，針對材料測試表征技術(shù)中涉及眾多大型精密儀器設(shè)備的狀況，我們采取“虛實結(jié)合”的模式，形成“理論—仿真—實驗”一體化課程體系，既加深學生對理論知識的理解，也避免大型科研儀器設(shè)備的損壞。前期理論課程“材料現(xiàn)代表征技術(shù)”對材料結(jié)構(gòu)測試的X射線衍射技術(shù)、電子顯微技術(shù)、X光電子能譜技術(shù)等測試技術(shù)基本原理和儀器特點做全面細致的介紹，在測試實操前，進入虛擬仿真實驗室，先對基本原理、操作流程、實驗結(jié)果及操作失誤所引起的結(jié)果進行虛擬呈現(xiàn)，加深對原理、操作步驟的理解，促進學生思考，提高學習效果。同時，依據(jù)不同的理論課程特點，開發(fā)不同層次的計算模擬實驗，將抽象難懂的微觀機制通過虛擬形象呈現(xiàn)，促進學生對理論知識的理解。如為使學生更加直觀、全面地理解光電器件工作原理，構(gòu)建虛擬光子、電子輸運微觀過程，通過動畫形式呈現(xiàn)，促使學生將知識內(nèi)化吸收，對其基本原理有更直觀的理解，再結(jié)合實際的實驗過程，通過實驗參數(shù)的改變、測試數(shù)據(jù)的記錄和分析，有效激發(fā)學生的學習興趣，提升教學質(zhì)量。進一步分類總結(jié)光電材料與器件應(yīng)用中涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等的實驗實訓項目，開發(fā)眾多綜合、可靠、安全和經(jīng)濟的虛擬仿真實驗項目，推動實驗課程教學變革。

五、強化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學生的實踐創(chuàng)新能力

教學促進科研，科研反哺教學，通過科教融合和產(chǎn)教融合推動實驗教學創(chuàng)新。發(fā)揮高?？萍紕?chuàng)新和科技服務(wù)的優(yōu)勢，鼓勵、支持教師將科研最新成果和技術(shù)服務(wù)最新方案轉(zhuǎn)化為實驗課程教學內(nèi)容或?qū)嶒烅椖?發(fā)揮武漢光谷光電產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢，強化校企合作，產(chǎn)教融合協(xié)同育人，將部分實驗教學內(nèi)容安排在學生的企業(yè)學習階段，并建設(shè)企業(yè)實驗教學指導教師隊伍。此外，以“政產(chǎn)學研用”為出發(fā)點，形成一流的協(xié)同育人機制。通過設(shè)立創(chuàng)新人才培養(yǎng)實驗基地、產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺、聯(lián)合研究實驗室與合作研究中心等形式，組織參與政府和企業(yè)的科研項目，幫助企業(yè)解決技術(shù)難題，搭建“政產(chǎn)學研用”五位一體的協(xié)同培養(yǎng)多元平臺;構(gòu)建產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，通過組建以企業(yè)為主導的多種形式的產(chǎn)學研用技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，促進政產(chǎn)學研深度合作，推進高校與企業(yè)和科研院所的結(jié)合，以重大科研項目為載體組建研究基地和技術(shù)創(chuàng)新團隊，形成“人才+項目”的培養(yǎng)模式。

結(jié)語

實驗教學是新工科形勢下培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要手段。以工程教育認證為抓手，秉持“學生中心，產(chǎn)出導向，持續(xù)改進”的OBE理念，構(gòu)建公共基礎(chǔ)實驗、專業(yè)基礎(chǔ)實驗及專業(yè)實驗三個模塊的實驗課程體系。圍繞培養(yǎng)學生實踐動手能力、創(chuàng)新實踐能力、解決復(fù)雜工程問題能力的要求，在專業(yè)實驗體系中對應(yīng)這三種能力的培養(yǎng)著重構(gòu)建驗證性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新設(shè)計性實驗三個層次的實驗課程體系。同時，整合教育技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學習環(huán)境、實現(xiàn)跨學科協(xié)同合作，“虛實互補”構(gòu)建實驗教學新模式;發(fā)揮科技創(chuàng)新和科技服務(wù)優(yōu)勢，強化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學生的實踐創(chuàng)新能力。實驗課程體系的創(chuàng)新與重構(gòu)，必將有助于提升卓越工程人才的質(zhì)量。

參考文獻

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學教育研究，2017，38（2）：26-35.

[4]杜月林，黃剛，王峰，等.建設(shè)虛擬仿真實驗平臺探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：26-29.

[5]路鵬程，李娜，王志平.航空復(fù)合材料科學與工程虛擬仿真實驗建設(shè)教學研究[J].教育教學論壇，2021（25）：31-34.

[6]杜玉寶，孫淑強，亓文濤.虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設(shè)與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（17）：26-28.

[7]姚日暉，文尚勝，吳為敬，等.光電材料與器件國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（3）：1-3+12.

Innovation and Re-construction of the Course System for Photoelectric Material and Device Experiment under the Background of New Engineering

QI Ya-jun， JIANG Juan， ZHANG Lei

（School of Materials Science and Engineering， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062， China）

Abstract： Experimental course teaching is an important means to train the innovative and excellent engineering talents. The demand of new engineering talent training and the construction of new engineering specialty focusing on engineering certification put forward new requirements for the experimental curriculum system. Taking the material science and engineering major of Hubei University as an example， guided by the core concept of engineering education certification， we discuss the ideas and methods of the construction of experimental curriculum system in the major of optoelectronic materials and devices， construct a hierarchical and multi module experimental curriculum system， make full use of the advantages of information technology， and introduce the “virtual and real complementary” experimental system platform. In addition， we also strengthen the coordination of science and education， the integration of industry and education， and improve students’ practical innovation ability， so as to achieve the goal-oriented talent training and promote discipline development and professional construction.

Key words： “emerging engineering education”; experimental curriculum system; virtual and real complementary; integration of scientific research and education