張愛英， 龔宸悅， 金海波， 劉 艷， 儀德啟

（北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081）

0 引言

隨著“中國制造2025”等一系列國家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，我國對高層次應(yīng)用型人才的需求更加迫切。發(fā)展專業(yè)學(xué)位研究生教育，是研究生教育服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的必然選擇［1］。專業(yè)學(xué)位研究生教育的實(shí)踐性屬性［2］決定了專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的核心是實(shí)踐能力。實(shí)踐教學(xué)是創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要途徑，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力、分析問題和解決問題能力以及創(chuàng)新意識等方面起到舉足輕重的作用［3-4］。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)各領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。對材料學(xué)科而言，很多新材料、新技術(shù)都是從實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的，加強(qiáng)對材料類專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)尤為重要［5-6］。本研究首先分析專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)面臨的現(xiàn)實(shí)問題，然后從教學(xué)體系構(gòu)建角度入手，提出了適合材料類專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，探索符合專業(yè)學(xué)位研究生教育發(fā)展規(guī)律的培養(yǎng)路徑，以更好地適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要。

1 工程實(shí)踐能力培養(yǎng)面臨的現(xiàn)實(shí)問題

1.1 缺乏工程化實(shí)踐平臺，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

專業(yè)學(xué)位研究生絕大多數(shù)來源于應(yīng)屆畢業(yè)的本科生，其應(yīng)用實(shí)踐能力一般不足，通用的做法是利用企業(yè)或校企聯(lián)合實(shí)習(xí)基地進(jìn)行學(xué)生工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練。但人才培養(yǎng)的長周期與企業(yè)的生產(chǎn)壓力和經(jīng)濟(jì)效益之間存在著一定的矛盾，使得企業(yè)對高校學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)活動缺乏有力的支持［7］，導(dǎo)致專業(yè)學(xué)位研究生本應(yīng)作為核心優(yōu)勢的工程思維和實(shí)踐能力沒有得到充分培育。

高校具有眾多的國家實(shí)驗(yàn)室和工程中心，不僅開展科學(xué)研究，同時也開展工程化生產(chǎn)。若利用這些資源來建立工程化實(shí)踐基地，一方面可培養(yǎng)研究生的實(shí)踐能力，加深對行業(yè)的認(rèn)知，另一方面，也便于將課堂教學(xué)實(shí)時地與工程實(shí)踐訓(xùn)練結(jié)合起來，開展較為長期的工程實(shí)踐訓(xùn)練。

1.2 與行業(yè)發(fā)展分離，缺乏與生產(chǎn)一線人員的合作

專業(yè)學(xué)位是培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、適應(yīng)行業(yè)實(shí)際工作需要的應(yīng)用型高層次專門人才［8］。專業(yè)學(xué)位以專業(yè)實(shí)踐為導(dǎo)向，重視實(shí)踐和應(yīng)用，學(xué)生應(yīng)在專業(yè)和專門技術(shù)上受到高水平的訓(xùn)練。然而，目前高校教師隊(duì)伍偏學(xué)術(shù)化，工程實(shí)踐經(jīng)歷普遍不足，缺乏對行業(yè)最新技術(shù)動態(tài)的講授［9］，因而導(dǎo)致教學(xué)體系與行業(yè)發(fā)展間存在脫節(jié)，不利于學(xué)生工程化思維的培養(yǎng)。為此，可通過吸收工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)工程專家作為校外教師，共同承擔(dān)專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)工作。

1.3 課程內(nèi)容偏重理論講授，與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不足

從發(fā)展歷程看，專業(yè)學(xué)位課程體系是參考學(xué)術(shù)學(xué)位研究生課程而設(shè)置的。經(jīng)過多年的發(fā)展，專業(yè)學(xué)位研究生課程設(shè)置已逐步具備自身特色，但依然存在偏重理論化、與工程實(shí)踐聯(lián)系不足的問題［10］。為適應(yīng)專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的需要，應(yīng)充實(shí)與工程應(yīng)用相關(guān)的課程內(nèi)容，保持課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和實(shí)用性；另一方面，大部分課程教學(xué)依然以教師講解為主，缺乏對學(xué)生積極性的刺激和調(diào)動，不利于學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)，而這些也是學(xué)生在未來工作中所必須具備的能力。如何在教學(xué)過程中，將應(yīng)用型人才培養(yǎng)與專業(yè)課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)體系迫在眉睫。

基于對專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)現(xiàn)實(shí)問題的分析，我校材料學(xué)院以面向?qū)I(yè)學(xué)位研究生開設(shè)的“高分子與阻燃材料成型加工”課程為例，堅持工程項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容深度融合，在線上實(shí)踐教學(xué)平臺訓(xùn)練、線下實(shí)踐教學(xué)基地實(shí)驗(yàn)、校外工程專家案例教學(xué)、理論教學(xué)聯(lián)系工程應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了不斷改革與實(shí)踐，形成了“四位一體”的專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)模式（見圖1），著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的應(yīng)用型人才。

圖1 “四位一體”的專業(yè)學(xué)位研究生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)模式示意圖

2 工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的探索

2.1 視頻教學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，掌握實(shí)驗(yàn)原理及操作

高分子材料成型加工的工藝會涉及到加工設(shè)備結(jié)構(gòu)、具體操作過程以及制品測試表征等內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)好的教學(xué)效果，要求學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容有一定的直觀認(rèn)知。由于學(xué)時限制、設(shè)備數(shù)量有限以及運(yùn)行成本的問題，不能提供太多的機(jī)會讓學(xué)生反復(fù)操作儀器設(shè)備，一定程度上限制了學(xué)生開展大量深入的實(shí)踐教學(xué)活動。而線上資源學(xué)習(xí)平臺具有開放共享的特點(diǎn)，可賦予學(xué)生自定節(jié)奏的學(xué)習(xí)空間［11-12］。為此，將高分子與阻燃材料成型加工方法、制品結(jié)構(gòu)與性能分析以及阻燃性能測試等一系列常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作過程拍攝成視頻，建設(shè)線上實(shí)踐教學(xué)平臺來突破這一瓶頸，涵蓋的具體內(nèi)容如表1 所示。這樣，不僅可以有效地降低儀器設(shè)備運(yùn)營的成本，更重要地是可以為學(xué)生提供靈活便利的實(shí)踐培訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺。

表1 線上實(shí)踐教學(xué)平臺視頻內(nèi)容

在線上實(shí)踐教學(xué)平臺的視頻中，通過教師講解（圖2（a））、動畫模擬演示（圖2（b））、實(shí)際操作（圖2（c））等多種方式，直觀形象地呈現(xiàn)了熱塑性高分子材料成型加工的基本原理、實(shí)際操作過程以及材料性能測試方法等內(nèi)容。借助于實(shí)驗(yàn)視頻教學(xué)平臺，學(xué)生可以根據(jù)自身需求，反復(fù)多次學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉并掌握高分子材料成型加工中常用設(shè)備的基本原理、操作過程以及樣品性能的測試方法，為深入理解相關(guān)理論知識以及后續(xù)的線下基地實(shí)踐活動提供有力的支撐。

圖2 線上實(shí)踐教學(xué)平臺部分視頻截圖

2.2 開展科教融合的實(shí)踐項(xiàng)目，提升實(shí)踐創(chuàng)新能力

實(shí)踐教學(xué)基地是專業(yè)學(xué)位研究生進(jìn)行實(shí)踐活動的重要場所，是學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展進(jìn)程的樞紐［13-14］，可有效地提高應(yīng)用型研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。為此，本課程依托我校國家阻燃材料工程技術(shù)中心建立了穩(wěn)定的工程實(shí)踐教學(xué)基地。由于中心長期開展新型阻燃材料的研究和工程化開發(fā)，因而實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計思路是梳理最新科研成果，選取研發(fā)項(xiàng)目中較為典型的阻燃復(fù)合材料體系，涵蓋材料成型加工及產(chǎn)品表征全過程的內(nèi)容。讓學(xué)生通過親自設(shè)計實(shí)驗(yàn)并開展加工設(shè)備和測試儀器的操作，培養(yǎng)工程化思維和實(shí)際操作能力。

例如在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)下，作為一種生物基可降解材料，聚乳酸易于加工成型且力學(xué)性能優(yōu)異，被認(rèn)為是通用塑料理想的替代材料。但聚乳酸極限氧指數(shù)低且熔滴現(xiàn)象嚴(yán)重，必須進(jìn)行阻燃改性，才能應(yīng)用于汽車工業(yè)和電子產(chǎn)品包裝等阻燃要求較高的領(lǐng)域?；诖?，實(shí)驗(yàn)設(shè)計的配方包括聚乳酸材料、膨脹型阻燃劑、穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑和其他助劑。該過程中，學(xué)生首先需要確定配方的各組分，進(jìn)行混合分散并進(jìn)行流變性能測試，然后根據(jù)聚合物熔體的流變學(xué)行為確定所采用的工藝條件，再利用雙螺桿擠出機(jī)，通過熔融共混擠出制備阻燃聚乳酸復(fù)合材料，如圖3 所示。期間，可以適當(dāng)調(diào)整配方中各組分的含量以及助劑的類型，獲得成分有一定差異的系列阻燃聚乳酸復(fù)合材料，并對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行測試分析，使學(xué)生掌握阻燃復(fù)合材料體系的設(shè)計思想，深入理解材料的結(jié)構(gòu)對其阻燃性能和力學(xué)性能等各種性能的影響，從而滿足不同使用場景對產(chǎn)品性能的要求。

而且，前期通過線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，學(xué)生已熟悉了相關(guān)成型加工設(shè)備及測試儀器的工作原理及使用方法，所以在線下實(shí)踐基地可以有更多的時間親自操作儀器設(shè)備，掌握高分子材料的成型加工方法及性能測試手段。通過線上線下實(shí)踐教學(xué)的有效銜接，使學(xué)生對工程實(shí)踐有了更切身的體會，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2.3 專業(yè)教育與生產(chǎn)一線有機(jī)結(jié)合，建立工程化思維

基于專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)，聘請本領(lǐng)域校外工程專家參與授課，頒發(fā)校外教師聘書，搭建起研究生和校外工程專家溝通的平臺，引導(dǎo)研究生關(guān)注國家戰(zhàn)略需求和工程實(shí)踐應(yīng)用。校外工程專家均主持過工程項(xiàng)目的研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)，工程經(jīng)驗(yàn)豐富且具有深厚的理論功底。例如來自航空研究院的專家所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十幾年的科研攻關(guān)，突破了航空橡膠密封材料的關(guān)鍵技術(shù)，并完成了工程化生產(chǎn)。專家授課時將特種橡膠材料制品應(yīng)用于飛行器中的實(shí)際案例引入課堂教學(xué)，所講授的橡膠密封材料的成型加工完全從工程化的角度展開，拓寬了學(xué)生的視野和知識結(jié)構(gòu)，非常有利于學(xué)生工程化思維的建立以及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

校內(nèi)教師盡管也承擔(dān)企業(yè)項(xiàng)目，具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)，但缺乏工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)歷。而校外專家基于實(shí)際案例開展的研討式教學(xué)，可引導(dǎo)學(xué)生深刻體會在工程化過程中所遇到的各種技術(shù)問題、面臨的多方挑戰(zhàn)、以及最終的解決過程，從而潛移默化地塑造學(xué)生大國工匠、堅忍不拔的精神品質(zhì)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)伊始建立起工程化的思維及解決問題的方式，發(fā)揮校內(nèi)校外教師協(xié)同育人的作用。

2.4 加強(qiáng)理論教學(xué)與工程應(yīng)用的融合，構(gòu)筑完整的知識框架

高分子材料成型加工過程不僅賦予制品所需要的形狀，還直接影響制品的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。因此，為使學(xué)生形成較為完整的高分子材料成型加工知識框架，要以產(chǎn)品成型加工為主線，梳理出清晰的知識網(wǎng)絡(luò)體系，同時又要以實(shí)例來分析成型加工對材料性能及應(yīng)用的影響。例如教師可設(shè)置對應(yīng)章節(jié)相關(guān)實(shí)際應(yīng)用專題，包括硅橡膠各組分均勻分散成型加工工藝、有機(jī)磷系阻燃聚丙烯材料的研制、阻燃聚氨酯泡沫材料的成型加工等內(nèi)容，要求學(xué)生通過小組開展研究型學(xué)習(xí)［15］，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。具體實(shí)施過程為：小組成員討論后初步確定調(diào)研框架并進(jìn)行分工，然后開展文獻(xiàn)調(diào)研，從體系配方設(shè)計、成型加工方法、性能測試及產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用要求等方面進(jìn)行歸納梳理，撰寫出調(diào)研報告初稿。期間小組成員間、小組與教師間，進(jìn)行多次討論，對報告內(nèi)容、撰寫邏輯性以及行文表達(dá)規(guī)范等方面進(jìn)行修改，最后提交專題調(diào)研報告并在課程結(jié)束時進(jìn)行匯報。這樣一種根據(jù)工程實(shí)例、逆向剖析的沉浸式學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)了學(xué)生對不同工程問題的多方位思考和全面認(rèn)知。而且在這個過程中，學(xué)生也完成了對于理論知識的內(nèi)化，提升了自身的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

另一方面，將本領(lǐng)域新的成型加工技術(shù)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生接觸到前沿的科研方向，保證課程內(nèi)容的先進(jìn)性。例如，靜電紡絲技術(shù)由于可制備功能性微納米纖維，在能源轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)用以及凈化材料等眾多領(lǐng)域已得到應(yīng)用。常用的普通口罩隨著內(nèi)層熔噴無紡布靜電吸附能力的衰減，其阻隔效率不斷降低，而通過靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維薄膜的阻隔效果遠(yuǎn)超普通熔噴無紡布，以此為例，將靜電紡絲技術(shù)的原理及微納米纖維的成型加工逐步展開講解。再比如，在講解高性能纖維的成型加工時，以我國自主研發(fā)的第一條百噸級T1000 碳纖維生產(chǎn)線研發(fā)過程為例，講解碳纖維的結(jié)構(gòu)、性能及成型加工，同時介紹高性能碳纖維材料如何服務(wù)國家戰(zhàn)略。將授課內(nèi)容與時政熱點(diǎn)以及國家戰(zhàn)略需求聯(lián)系起來，提升了學(xué)生對材料學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，傳承了科技報國的志向情懷。

3 結(jié)語

本研究在分析材料類專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的特點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)中存在主要問題的基礎(chǔ)上，構(gòu)筑了線上實(shí)踐教學(xué)平臺訓(xùn)練-線下工程基地實(shí)踐-行業(yè)工程專家案例講授-沉浸式研究型學(xué)習(xí)的完整教學(xué)鏈條，保證學(xué)生可以開展較長時間的工程綜合素質(zhì)訓(xùn)練，將學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)有機(jī)融合到課程教學(xué)中。對進(jìn)入航空航天、電子信息以及兵器行業(yè)等領(lǐng)域從事工程研發(fā)的畢業(yè)生和相關(guān)企業(yè)調(diào)查反饋，該教學(xué)模式可有效提升學(xué)生運(yùn)用工程化思維開展工程實(shí)踐的能力，有望能為應(yīng)用型高層次人才的培養(yǎng)提供參考與借鑒。