材料专业四层次递进式实践教学体系探索

赫荣安，张世英，李晋波，许第发

（长沙学院，湖南 长沙 410022）

为了应对世界新经济和新工业的发展，我国提出了“中国制造2025” 战略和“一带一路”倡议等强国发展路线，并在2016 年正式加入了《华盛顿协议》。我国要实现从制造大国向制造强国迈进，离不开节能环保、新兴信息、新能源、高端装备制造、新材料等战略性新兴产业的高质量发展，这需要大量工程技术人员来实现。传统的人才培养模式对学生的实践能力培养不充分，与行业、企业实际脱节明显，难以满足日新月异的现代产业发展对人才相关能力和素质的需求。对此，教育部提出了新工科人才培养的目标，要求高校以产业需求为导向，根据学校定位方向积极调整人才培养模式，主动适应产业发展，这为高等工程教育改革探索提供了全新视角和“中国方案”［1-4］。当然，新工科人才培养是一个总体方案，对不同学校的不同专业，则要根据其特点进行有针对性的设计和实践探索，找到适合该专业的人才培养模式。

在我国战略性新兴产业中，新材料产业占有重要地位。新材料产业是实现制造强国的关键支撑，需要大量符合产业需求的工程技术人才。而目前，应用型高校在材料专业的人才培养中，普遍存在毕业生实践能力薄弱、自主学习能力差等问题，迫切需要通过有效方法来改进，以提升人才培养对新材料产业的支撑作用［5-9］。实践教学是提高学生工程实践能力最直接的环节，对实践教学体系进行改革，是提升新时期人才培养质量的有效途径之一［10-15］。为此，长沙学院功能材料专业教学团队根据自身特点，针对其普遍存在的问题及产生的根源，通过与企业多方位深入合作，设计并重新构建了“基础实验—综合实训—探索创新—工程实践”四层次递进式的实践教学体系，并与企业共商、共建和共享实践平台，为学生的实践学习提供多方位支撑。

1 材料专业实践教学体系存在的问题及原因

1.1 实践教学与产业发展脱节，对学生工程实践能力培养不够

应用型高校的传统实践教学体系常有两种倾向，一种倾向于“科学范式”，另一种倾向于“技术范式”。“科学范式”注重科学原理的应用，强调理论教育的重要性，而“技术范式”则注重技能技巧的应用［3，16］。新材料产业发展日新月异，新方法、新技术层出不穷，而这两种范式主导的实践教学体系在内容和教学方法上与产业发展脱节日趋明显，导致学生对材料产业的新方法、新技术和新需求接触少，对相应的原理难以理解，学习和熟悉过程较为吃力，不利于培养学生的工程实践能力。

1.2 教学方法单一，学生参与实践的积极性低

学校的实践教学包括实验、实训和实习等多种形式，但每种实践教学的教学方法都较为固定。如实验教学多以灌输式的教学为主，实训教学则多以验证性操作为主，实习教学则以参观式的学习为主。因此，学生在实践学习时，难以在较短时间内对相关材料的生产工艺和运行管理有较清晰的了解，导致其学习兴趣不高，能力提升效果不理想。

1.3 工程实践教学资源不足，对人才培养的支撑薄弱

随着社会对学生工程实践能力要求的不断提高，近年来，许多地方高校都在教学平台建设方面不断增加投入，但学校的实践教学资源仍然不能满足新工科背景下对学生能力培养的要求。这主要体现在两个方面：一方面，新材料产业门槛较高，受到场地、资金和功能限制，学校实验室不可能独立达到像企业生产车间一样的规模和运行方式；另一方面，在校企合作中，许多合作处于较低层次，企业只为学校提供一些实习服务，而且主要以参观学习的方式为主［5，7］。这会导致学生对生产线的操作和运行方式、关键技术及内部管理模式等难以有清晰深入的认识。此外，实践教学体系各个环节的关联性不强，学校自身的实践教学平台资源也不够完整，导致现有平台不能被充分利用。这些都大大减弱了实践教学资源对学生能力培养的支撑，也使学生的实验、实训和实习效果难以达到预期。

2 四层次递进式实践教学体系的基本构架

学校要解决学生工程能力不强、实践学习积极性差和工程实践教学资源不足等问题，是无法通过单一调整个别实践教学环节的内容和方法，以及多增加几个合作企业来实现的［17-19］。学校需要对实践教学体系的整体结构进行优化，并在各环节的教学内容、方法和资源等多方面协同改进，实现新工科倡导的“工程范式”人才培养。这种“工程范式”人才培养更加注重学生通过工程本身获得的实践体验和试错反思，并加以应用，使学生不仅有扎实的专业基础，还具有迅速适应产业发展的主动学习习惯和工程思维能力［3］。为此，长沙学院功能材料专业在实践教学体系改革中，充分考虑学生学习习惯和规律，以及学校与企业运行差异等因素，在原有实践教学体系的基础上，提出了四层次递进式的实践教学体系，如图1所示。

图1 四层次递进式实践教学体系

该体系中，实践教学内容按照难易程度被划分为基础实验、综合实训、探索创新、工程实践等四个不同层次的区块。这四个区块的内容既能各自形成较鲜明的主题，又相互重叠，形成一个整体。（1）基础实验区块主要包括各个基础课程实验和专业课程实验，时间跨度从大一到大三，为其他层次的实践培训奠定基础。（2）综合实训区块主要包括校内综合实验、校外实训、大学生参与科研等环节，主要是在课程实验的基础上，对学生进行课内外综合训练，使其能进一步掌握和运用课程内容。这部分实践教学需要与基础实验紧密衔接，故将其中校内综合实验和校外实训设计成基础性和综合性兼具的环节。（3）探索创新区块以工程综合训练、创新创业训练、大学生项目和学科竞赛等为主要内容。这部分实践教学需要学生具备一定解决实际问题的综合能力，并对工程实际有初步认识，故将工程综合训练和创新创业训练设计成综合性、工程性和创新性兼具的环节。（4）工程实践区块主要包括毕业实习、毕业设计与论文，是对学生工程实践能力的综合训练，使其能直接接触工程问题，并设法解决。其中，基础实验区块为综合实训区块提供专业基础，综合实训区块在巩固和加强基础实验区块训练效果的同时，又为探索创新区块提供初步的工程基础，而探索创新区块则在完善综合实训的工程基础训练的同时，着重培养学生的工程能力和工程视野，最终，学生在工程实践区块的训练中，将前三个区块培养的专业基础、工程实践能力和工程视野有机结合，完成“工程范式”的训练和养成。

3 四层次递进式实践教学体系的实践探索

3.1 基于成果导向进行内容体系设计，全面培养学生工程实践能力

新的实践教学体系以学生为中心、以新材料产业对人才工程实践能力和自主学习解决实际问题能力的培养要求为牵引，进行内容体系设计，使各教学环节相互联系，构成统一的整体。这样的实践教学体系通过对实践内容的优化，着重补充学生在工程实践、自主学习、自主探索方面的训练内容，系统、全面地培养学生的工程实践能力。这并不是完全摒弃传统的实践教学方法，而是将其与新型人才培养方法融合，使学生不仅有扎实的专业基础和良好的工程专业意识，还能主动学习并迅速适应现代产业发展的变化。新的实践教学体系主要有三个变化：第一，增强了体系的系统性，将大学生的课外实践纳入实践教学体系，全领域培养学生的工程实践能力，成为实践教学体系的重要环节和传统实践教学的重要补充；第二，引入企业应用场景，将原有综合创新实验环节与课外进行的企业技术开发环节合并成工程综合训练环节，使学生在解决工程实际问题方面的实践体验和试错反思成为重点；第三，对原有的基础课程实验、专业课程实验和校内综合实验等课内实践环节进行调整，补充企业生产环节中的相应内容，挖掘并融入恰当的思政引导，使学生对专业知识、企业技术和国家发展需求的关联有初步的认识，为后续实践学习做铺垫。

这些变化都体现在具体的举措中。例如在生产实习环节，教师补充校内微缩型电池生产线前期培训和网络线上仿真等内容，一方面，使实践教学内容更贴近企业实际，另一方面，通过在企业生产中的操作模拟，使学生对企业实习内容先有基本的认识，从而解决学生对现代企业的自动化生产只能看、不能操作的问题。又如在大学生参与的科研、项目和工程综合训练等环节中，引入基于新材料产业的课题，使学生可以进行自主探索，培养自身的工程实践能力和自主解决实际问题的能力。再如，在基础实验环节，在物理化学、材料科学基础等实验中融入国家发展战略需求、国际环境、材料产业现状及对人才的需求等思政内容，以及现代动力电池、移动电池技术应用等内容，使学生在实践中不仅对技术的发展有初步认识，还对专业学习与国家发展导向、材料产业发展方向的联系有一定的认识。

3.2 提供递进式、模块化和开放型的实践学习，激发学生学习热情

学生的学习和实践的主动性、积极性是实现预期能力培养的关键之一，而学生的获得感和成就感是激发其学习热情的重要因素。实践教学只有及时让学生产生获得感和成就感，才能使其保持兴趣和学习热情。为此，新的实践教学体系充分考虑学生认知规律和企业的需求，将实践教学体系中的各环节按其对学生工程实践能力培养的层次，划分成四个区块，每个区块在时间安排和能力培养层次上都是逐级递增的，可以保障学生能力培养的循序渐进。不仅如此，新实践教学体系中各个实践环节的内容也是以任务单元或操作单元模块的形式进行组织，它们之间既相互关联，又相互独立，学生可自行选择顺序并独立完成。这样，学生不仅可以获得完成操作单元的成就感，还可以通过完成全部流程，获得更大的成就感，从而对实践学习产生更高的热情。例如，将锂离子电池制备的实训内容划分成锂电正极材料制备、锂电负极材料的加工、电极材料工业质检、正负极制膜和成型、电池成型、电池正负极回收、生产车间设计等多个单元模块，每个单元既可以采用现成的材料进行操作，也可以采用前一个操作单元所制备的样品，学生无论是进行一个单元的操作，还是整体操作，都能获得电池或电极制作的成就感。实践表明，这种灵活的实践操作方式对激发学生实践热情是极为有利的。

同时，新的实践教学体系还将课外创新和部分实训的实践环节改为开放式实践，即在教师指导下，学生自主选择实践主题和内容，通过预约的方式使用实验室设备。如大学生项目这一课外实践环节为全开放，学生在指导老师引导下，根据研究内容和需要，通过培训并预约使用的方式，自主使用相应的实验室和设备。不仅如此，学生进行项目研究的同时，研究主题和内容也是在教师指导下，经过调研和一些实验尝试后，自行提出和调整。这种方式使学生有更大的自主性和灵活性，可接触和探索的领域更宽，能更好地契合学生的兴趣，激发其实践热情。并可推荐一些研究工作较为突出的学生参加各类学科竞赛，使学生有更高的成就感和进一步参与实践的热情。同时，由于课题的提出更接近解决实际问题，学生参与各类项目和课题的积极性明显提高，“早进课题、早进实验室、早进团队”的“三早进”现象比以往更为普遍。

3.3 多点切入式设计吸引企业参与，为实践教学提供优质平台和师资支撑

实践教学体系要按预期运行并取得成效，离不开平台、师资和教材等方面的支撑，而这些都需要企业的深度参与。为此，在实践教学体系中，各个层次的实践教学均设计了多个可供企业参与的切入点，并着力在三个方面开展工作，吸引企业参与，为实践教学提供支撑。

3.3.1 找突破口和着力点，消除校企合作壁垒

校企合作中，学校积极、企业冷淡的局面广泛存在，其原因是多方面的。除了校企各自特点的限制外，学校的实践教学内容与企业现代化生产脱节也是一个重要原因。学校需要先创造一些可为企业服务的条件，形成能与企业对接的窗口，再以此为基础，逐步扩大和深化双方的合作。基于这样的考虑，功能材料专业教学团队在企业和外校专家的指导下，引进了一条微缩型的锂离子电池生产线，具备电池生产的功能和全套加工设备。这条生产线既可以作为学生实训的场所，也可作为企业产品研发的试验场。已有多家企业对此产生了兴趣，湖南长远锂科股份有限公司、湖南邦普循环科技有限公司等电极电池生产和回收的骨干企业已与功能材料专业教学团队建立了合作关系。

3.3.2 建立校企双方人员的常态化交流互动机制，形成师资支撑

融入企业和产业元素的师资力量是新实践教学体系的重要支撑。形成这样一支教师队伍，需要企业人员和学校教师进行良好的交流和互动。为此，功能材料专业教学团队与企业达成了人员互动协议，双方互聘人员，共同建设教师队伍。目前，教学团队已有多名教师到合作企业挂职锻炼，而相关企业领导和工程技术人员被聘为功能材料专业的“产业教授”参与实践教学体系、内容和方法的设计，并进行了专业授课。通过这种方式，专业教师的工程实践能力得到了很好的锻炼，并对现代企业的管理有了更清晰的认识，而企业人员全程参与实践教学规划和授课，也为学生的实践学习提供了更开阔的视野。目前，教学团队在学科竞赛、大学生项目、开放性实验和毕业论文等教学环节已越来越多地融入了产业元素，许多课题的提出基于产业需求，如电极研发、电池回收、重金属处理、特种涂料等。而由企业和学校教师共同组成的指导教师队伍，为学生的自主实践提供了可靠支撑。

3.3.3 共商共建共享实践基地，形成平台支撑

学校不可能完全参照企业的平台，而企业能提供的实习平台也不可能完全适合学生进行实践，因而，校企双方需要整合各自的资源，构建共建共享的综合平台。一方面，企业不仅为学生提供实习场所，还提供企业项目，让学生的研究在企业进行，成果落实在生产线上；另一方面，企业的工程技术人员可在学校的实验室开展技术攻关工作，利用学校的资源为自身服务。目前，功能材料专业教学团队已经通过这种方式，与湖南长远锂科股份有限公司、湖南嘉盛电陶新材料股份有限公司、中伟新材料股份有限公司、湖南固得新材料技术有限公司、湖南海利化工股份有限公司等多家企业建立了实践基地，为学生的实践学习提供平台支撑。

4 四层次递进式实践教学体系的实施成效与适用性

4.1 实施成效

教学团队通过构筑四层次递进式实践教学体系，并在内容、方法和资源等方面进行相应的改革和探索，已经在学生能力培养、学习积极性和产教融合方面取得了一些较显著的成效。

4.1.1 学生能力培养与产业需求的契合性有明显改善

近两年，功能材料专业学生考研率超过30%，就业率超过90%，合作企业主动接收学生在企业就职，而学生在企业表现出色，获得了企业的认可。2021 年，湖南邦普循环科技有限公司还设立了面向长沙学院功能材料专业的企业奖学金，显示出其对学生的认可和重视。这表明，通过在实践体系中融入更多的企业元素，能够使学生工程实践能力的培养更加契合企业的实际需要。

4.1.2 学生参与实践探索的积极性明显提高

功能材料专业学生理论学习成绩提高，参与学科竞赛和大学生项目的积极性明显增加。例如，在学科竞赛中，学生获奖数量和种类不断增加。近三年来，学生获得省级及以上学科竞赛奖励38 项（含国家级二等奖3 项，省级一等奖15 项），特别是在湖南省“挑战杯”大学生创业计划竞赛和“互联网+”大学生创新创业大赛中功能材料专业学生分获一等奖和三等奖，这表明学生在工程应用方面的能力明显提升。此外，本专业学生申报各类大学生创新项目的数量和级别也不断提高。自2018 年以来，学生主持和参与了各类校级和省级大学生创新项目，承担课外创新项目98 项（含国家级项目6 项），并有多名学生发表SCI 论文或获得国家专利授权。这些成果验证了开放的实践环节对学生在学习、实践和专业认同方面的积极效果。同时，学生的团队合作能力、交流能力，以及面对压力的心理素质和承受能力都有了不同程度的提高。

4.1.3 校企合作质量提升，实习基地不断增多

在新的实践教学体系探索过程中，功能材料专业教学团队通过突破壁垒、良性互动和共商共建共享实践基地的方式，深化校企合作，由点到面、点面结合，拓展实践教学资源。目前，教学团队通过全国高校实践育人创新创业基地、绿色建筑与节能环保校企合作创新创业教育基地和材料类大学生创新创业教育中心等实践平台的建设，已经与多家企业达成深度合作，为学生的工程实践能力和综合素质培养提供了更广阔的平台，也扩大了专业影响力。2021 年本专业的报考第一志愿比例相较前两年增长近8 倍，显示出先找突破口、再加深合作的推进方式具有较好的可行性和可操作性，其对开拓实践资源和专业影响力方面起了明显的促进作用。

4.2 适用性

四层次递进式的实践教学体系主要根据新材料产业需求和长沙学院功能材料专业的服务方向进行设计和改革。设计和实施时，考虑了新材料专业工程性强、新材料企业准入要求较高等特点，在校企深度合作方面，加强了与对口企业的契合性，这会在一定程度上减弱此专业的普适性。因此，相对于突出基础性的研究型高校和突出技能培养的职业技术学校，该实践教学体系更适合主要面向地方进行人才培养的应用型本科高校，特别是这些高校材料类专业的人才培养。

5 结语

四层次递进式实践教学体系通过系统规划实践教学体系和广泛深入的校企合作，为学生的工程实践能力培养提供可靠的支撑，结合实践环节结构、内容和方法的调整，在激发学生的学习热情和主动试错反思的工程能力方面取得了初步成效，显示出新的教学体系在人才培养中的优势。当然，在实践教学体系的构建中，对科学评价体系的构建、有效的激励机制和合适的教材建设等课题仍需要深入的研究和探索，以达到地方产业对人才能力的要求。以学生为中心、以产教融合为特征的实践教学体系符合新工科的要求。坚持这一原则，积极探索，必然能走出一条适合应用型高校的新工科人才培养之路。