祁亞軍 江娟 張蕾

[摘 要] 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)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(rèn)證為抓手的新工科專業(yè)建設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)課程體系提出了新的要求。以湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)為例，以工程教育認(rèn)證的核心理念為導(dǎo)向，探討了光電材料與器件專業(yè)方向?qū)嶒?yàn)課程體系建設(shè)的思路和方法，構(gòu)建了分層次多模塊的實(shí)驗(yàn)課程體系，并充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引入“虛實(shí)互補(bǔ)”實(shí)驗(yàn)體系平臺(tái);強(qiáng)化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，以期建立目標(biāo)導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展和專業(yè)建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] 新工科;實(shí)驗(yàn)課程體系;虛實(shí)互補(bǔ);科教融合

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

[作者簡(jiǎn)介] 祁亞軍（1980—），男，湖北咸寧人，工學(xué)博士，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)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(xué)博士，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(yáng)人，工學(xué)博士，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事二維光電材料與器件研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 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(jì)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)組織方式的轉(zhuǎn)變，應(yīng)對(duì)新時(shí)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(shí)代高等院校工程教育改革的迫切要求。2017年2月以來(lái)，教育部先后召開(kāi)新工科研討會(huì)，分別形成的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”標(biāo)志著以新工科建設(shè)為主題的高等工程教育改革進(jìn)入一個(gè)新的階段[1，2]。堅(jiān)持立德樹(shù)人，以應(yīng)對(duì)變化塑造未來(lái)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(kāi)放式工程人才培養(yǎng)為理念，全面踐行“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education， OBE）”的質(zhì)量理念，因此，以成果導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證成為實(shí)踐教學(xué)體系改革的重要抓手，在教師中深入貫徹OBE理念，重構(gòu)實(shí)踐課程體系，有助于推動(dòng)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(shí)踐與探索各具特色。湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)是湖北省一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，以光電材料與器件為專業(yè)方向特色。新工科形勢(shì)下，材料科學(xué)與工程專業(yè)立足湖北、面向中南、輻射全國(guó)，培養(yǎng)具有扎實(shí)自然科學(xué)、人文和社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)，掌握光電功能材料領(lǐng)域的科學(xué)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(jì)與開(kāi)發(fā)能力，具有創(chuàng)新意識(shí)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的高素質(zhì)卓越工程應(yīng)用型人才。材料科學(xué)與工程專業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力上，特別是在培養(yǎng)學(xué)生探索材料構(gòu)效關(guān)系、開(kāi)發(fā)新材料和解決材料實(shí)際工程問(wèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)首先要認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工程能力培養(yǎng)中的雙重功能，其既用以鞏固驗(yàn)證理論知識(shí)，又具有培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)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(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系單一、教學(xué)手段落后、教學(xué)內(nèi)容陳舊等問(wèn)題，難以激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣，亟待改革創(chuàng)新。

本文以湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)為例，在思想上切實(shí)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(shí)驗(yàn)課程體系，形成分層次多模塊的實(shí)驗(yàn)課程體系，充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引入“虛實(shí)互補(bǔ)”實(shí)驗(yàn)體系平臺(tái)，強(qiáng)化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，以期建立目標(biāo)導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展和專業(yè)建設(shè)。

二、實(shí)驗(yàn)課程體系存在的問(wèn)題

1.我校材料科學(xué)與工程專業(yè)是在20世紀(jì)80年代鐵電壓電材料研究所科研工作的帶動(dòng)下開(kāi)創(chuàng)和發(fā)展起來(lái)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(dòng)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(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)合并組建了材料科學(xué)與工程新工科專業(yè)。結(jié)合我校材料學(xué)科的發(fā)展，突出優(yōu)勢(shì)和特色，確定光電材料與器件方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)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(kāi)。此前的實(shí)驗(yàn)體系主要圍繞電子材料的制備、性能測(cè)試等方面開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，缺乏能力培養(yǎng)的遞進(jìn)層次，學(xué)生自主創(chuàng)新性不足，不能滿足新的培養(yǎng)計(jì)劃和工程教育認(rèn)證的要求，實(shí)驗(yàn)課程體系亟待重構(gòu)。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目亟待更新。受實(shí)驗(yàn)條件限制，所涉及的實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)方案等工況過(guò)于簡(jiǎn)單，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比重過(guò)大，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是機(jī)械地完成規(guī)定動(dòng)作，記錄數(shù)據(jù)，套用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比重偏低，難以達(dá)到新工科背景下對(duì)卓越創(chuàng)新人才的實(shí)踐訓(xùn)練要求。

3.教學(xué)手段單一，缺少師生互動(dòng)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師集中講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程、注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)為主，學(xué)生分組操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在這一教學(xué)過(guò)程中學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，鮮有機(jī)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的原理進(jìn)行深入思考，不能對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋，更不能與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合，提出解決問(wèn)題的方案。

三、貫徹OBE理念，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系

材料科學(xué)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(xué)，是一門涉及物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算科學(xué)、工程學(xué)和材料科學(xué)的綜合型交叉學(xué)科。材料類專業(yè)作為一類數(shù)理與工程學(xué)交叉的學(xué)科，按照工程教育認(rèn)證的要求，其實(shí)驗(yàn)課程體系包含物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)操作、電工電子技術(shù)等公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，還包括材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、材料測(cè)試與表征等專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以及設(shè)計(jì)光電材料與器件專業(yè)方向的專業(yè)實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)課程體系。按照工程教育認(rèn)證的要求，已經(jīng)完善和修訂了公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程體系，本文重點(diǎn)討論專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系。依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)畢業(yè)要求的支撐要點(diǎn)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)又可構(gòu)建驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)層次，如光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)、光敏二極管的特性測(cè)試等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試工具、基礎(chǔ)操作方法等進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，驗(yàn)證基本定理、定律和結(jié)論等，夯實(shí)實(shí)踐動(dòng)手能力。此為第一個(gè)層次應(yīng)獲取的能力。

2.在掌握基本知識(shí)、基本技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用這些知識(shí)開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)，如LED光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性測(cè)試等，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。此為第二個(gè)層次應(yīng)獲取的能力。

3.第三個(gè)層次，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，如光電材料與器件綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(shì)，到材料制備工藝設(shè)計(jì)、性能測(cè)試，器件設(shè)計(jì)與制造封裝及其工程應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)等一整套的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以來(lái)源于教師的科研項(xiàng)目，教師提出工程應(yīng)用的需求，學(xué)生自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，通過(guò)科學(xué)規(guī)范的培養(yǎng)與訓(xùn)練，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。通過(guò)這一層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，強(qiáng)化他們對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)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(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

四、“虛實(shí)互補(bǔ)”構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)形象化，“理論—仿真—實(shí)驗(yàn)”一體化，“虛實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平[4-7]。整合信息技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)同合作，依據(jù)“虛實(shí)結(jié)合、互為補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，充分發(fā)掘?qū)嶒?yàn)資源，開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，調(diào)整、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

本專業(yè)已建成材料分析測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)材料測(cè)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(shí)結(jié)合”的模式，形成“理論—仿真—實(shí)驗(yàn)”一體化課程體系，既加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)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(duì)材料結(jié)構(gòu)測(cè)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(cè)試技術(shù)基本原理和儀器特點(diǎn)做全面細(xì)致的介紹，在測(cè)試實(shí)操前，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，先對(duì)基本原理、操作流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及操作失誤所引起的結(jié)果進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)，加深對(duì)原理、操作步驟的理解，促進(jìn)學(xué)生思考，提高學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，依據(jù)不同的理論課程特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)不同層次的計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，將抽象難懂的微觀機(jī)制通過(guò)虛擬形象呈現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。如為使學(xué)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(yùn)微觀過(guò)程，通過(guò)動(dòng)畫形式呈現(xiàn)，促使學(xué)生將知識(shí)內(nèi)化吸收，對(duì)其基本原理有更直觀的理解，再結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的改變、測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄和分析，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量。進(jìn)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(xùn)練等的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)眾多綜合、可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)變革。

五、強(qiáng)化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力

教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)，通過(guò)科教融合和產(chǎn)教融合推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。發(fā)揮高校科技創(chuàng)新和科技服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)、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(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目;發(fā)揮武漢光谷光電產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化校企合作，產(chǎn)教融合協(xié)同育人，將部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排在學(xué)生的企業(yè)學(xué)習(xí)階段，并建設(shè)企業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)教師隊(duì)伍。此外，以“政產(chǎn)學(xué)研用”為出發(fā)點(diǎn)，形成一流的協(xié)同育人機(jī)制。通過(guò)設(shè)立創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)基地、產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目，幫助企業(yè)解決技術(shù)難題，搭建“政產(chǎn)學(xué)研用”五位一體的協(xié)同培養(yǎng)多元平臺(tái);構(gòu)建產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，通過(guò)組建以企業(yè)為主導(dǎo)的多種形式的產(chǎn)學(xué)研用技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研深度合作，推進(jìn)高校與企業(yè)和科研院所的結(jié)合，以重大科研項(xiàng)目為載體組建研究基地和技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，形成“人才+項(xiàng)目”的培養(yǎng)模式。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新工科形勢(shì)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(rèn)證為抓手，秉持“學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”的OBE理念，構(gòu)建公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及專業(yè)實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)課程體系。圍繞培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的要求，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系中對(duì)應(yīng)這三種能力的培養(yǎng)著重構(gòu)建驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)課程體系。同時(shí)，整合教育技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)同合作，“虛實(shí)互補(bǔ)”構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式;發(fā)揮科技創(chuàng)新和科技服務(wù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化科教協(xié)同、產(chǎn)教融合，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)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。

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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