“新工科”背景下以学科竞赛培养学生创新创业能力——以材料类专业为例
时间：2023-04-24 08:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
金亚旭 秦凤明 宫长伟 郑建军
太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024
随着中国制造2025、互联网+、智能制造、工业4.0等高科技战略计划的实施，以及传统材料产业的转型升级与新产业形态的产生，对材料类专业的人才培养质量提出了更高要求，高校所培养的人才需要具备扎实的专业知识以及创新创业能力等综合性素质[1]。教育部在2019年启动实施“六卓越一拔尖”计划2.0以迎接新一轮的产业变革和科技革命，积极推进“新工科”建设以实现教育带动创新、创新助力发展。工科类专业是实践性很强的专业，旨在培养具备多学科与跨文化背景、能在相应工程技术领域解决复杂工程问题的专业工程技术人才。因此对于材料类等工科专业来说，在持续深化“新工科”建设的时代背景下，人才培养机制的改革方向正聚焦于实践、科研、创新创业等方面，改革思路都强调实践教学与理论教学的同等重要性[2]。学科竞赛在培养人才的模式方面与“新工科”背景下对创新创业高素质人才的培养需求契合，通过推进学科竞赛工作能够有效提升学生实践技能和理论知识相结合的综合能力[3-5]，因此，学科竞赛是“新工科”背景下培养学生创新创业能力的重要途径。
国内高校材料类专业的设立一般是在1950年以后，该专业大多源自原来的金属热处理专业或硅酸盐专业，受传统因素与实际条件的限制，实践性教学环节很大程度上局限于结构材料和加工成形领域。当前，新材料以需求为牵引成为国家的一个战略新兴产业，材料科学与工程领域标志性创新成果不断涌现，直接推动了高校材料类专业人才培养质量的整体提高。为了适应新材料产业和区域经济发展的需求，很多高校开设了新能源材料与器件、复合材料成形工程、光电信息材料与器件等特设专业，更加注重对学生工程实践与创新能力的培养。
但专业转型升级的政策落地有一定的滞后期，导致部分院校特别是地方应用型本科院校在材料类专业的实践性教学环节和教学改革方面未能与时俱进，在内容设置、教学模式、过程评价等方面仍沿用陈旧的方式，跟不上“新工科”发展的步伐，集中体现在实践环节设置的类型单一、内容陈旧、缺少工程背景。例如，在“材料科学基础实验”课程中普遍设置的断口形貌观察、金相组织认知等验证性或演示性实验，只是简单地与理论课程知识点对应，只能起到帮助学生理解知识点的辅助作用，而达不到提升学生解决复杂工程问题和动手实践能力的目的。并且实践教学的内容滞后于学科的飞速发展，没有与材料学科发展及应用热点联系起来。很多材料类专业开设的“金属材料”课程设计或热处理之类的教学环节，仍然侧重于传统结构材料，这类教学环节对培养学生的创造性思维、团队协作意识以及自主学习能力的意义并不大。因此，在“新工科”背景下，材料类专业人才培养方式亟须改革，很多教育工作者充分认识到学科竞赛是结合实际并注重实践的人才培养的有效方式。例如，康翌婷等[6]指出竞赛能够驱动多学科交叉融合，进而提升学生的工程技能和创新能力，并以北京科技大学高等工程师学院为例，探讨了融合创新创业教育的培育机制，取得了显著的创新人才培养效果。太原科技大学则积极探索“新工科”背景下“思政教育+新工科”的育人模式，“以赛促教、以赛促学”，在理论课程讲授中引入学科竞赛知识，活化了专业理论知识；
在实验课程中融入学科竞赛环节，大幅提升了学生的动手意识与动手能力。
2.1 学科竞赛是培养材料类专业学生创新创业能力的有效载体
材料学科是一门偏实践应用的学科，为零部件选材、成型、工艺制定与优化、产品质量检验等提出科学依据。按照“新工科”理念，工科类专业人才培养的重点是学生的创新创业能力，其中创业能力是指行业或企业主导者通过努力对资源进行优化整合从而创造出更大社会价值的能力，创新能力则是指工程技术人员持续提供具备经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法与新发明的能力。要提高材料类专业人才的创新创业能力，必然需要完善的“创意、创新、创业”人才培养体系。由此可见，在“新工科”背景下，创新创业型人才培养需要结合实际工程项目进行训练，在项目训练中将创意、创新思维付诸实际行动，以此培养学生的动手能力[7]。针对传统的实践课程知识体系落后于学科前沿的现状，学科竞赛可以将行业热点、社会焦点、工业难点等问题带给学生，让竞赛参与者既可以在专业知识领域有收获、有感悟、有启迪，又能在人文素养、团队协作，以及正确看待成功和失败等方面都有很大收获。因此，在全面深化高等教育改革的“新工科”背景下，学科竞赛已成为创新创业能力培养的有效载体。通过参与专业类学科竞赛，既促进了材料类专业创新创业教育领域产学研深度融合，也培养了学生运用专业理论知识分析与解决实际工程问题的能力，对学校培养和造就创新型人才起到重要作用。
2.2 学科竞赛是促进材料类专业课程教学内容革新的重要途径
当前，高校的教学模式中仍有工科教育理科化的倾向，传统的以理论讲授和原理验证为主的教学模式仍普遍存在于很多材料类专业学生的培养之中，高校往往忽略了学生实践能力的培养，学生缺少系统的工程创新训练导致其实践能力偏弱。参加学科竞赛有助于提高学生对理论知识的掌握程度，同时一些与材料类专业契合度高的学科竞赛具备强烈的工程背景，可以推动教师在授课过程中有效补充工程知识，因此对课程教学内容的整合和调整起到重要的指引作用。例如，中国大学生材料热处理创新创业大赛这一全国性的竞赛旨在调动学生对金属材料热处理理论知识学习与热处理实操的积极性，竞赛内容主要涉及基础件选材、工艺制定、设备选型、质量检验与控制等，竞赛内容与材料类专业的课程体系高度契合，对“金属材料热处理”“材料科学基础”等相关课程教学内容的适时调整起到了极大的推进作用。学生通过参加这类竞赛能充分认识到，随着现代科技水平的提高，传统的金属材料热处理技术不断取得新突破，在碳达峰与碳中和的背景下，热处理行业亟须升级改造，因此，很多获奖作品关注的是喷雾淬火热处理、盐浴复合热处理、氮基气氛热处理、等离子热处理、无氧化脱碳热处理等先进的热处理技术，这就要求材料类专业教师在“金属热处理”等相关课程的教学设计中，要紧跟技术发展的前沿，适时调整授课内容，增加先进热处理技术相关内容，这些契合学科竞赛要求的教学内容的设置可以提高学生的学习积极性，有助于发现、培养和储备材料热处理方面的优秀人才，使学生能够满足国家新材料与高端装备制造业的现实需求。
2.3 学科竞赛是整合校内外实践教学平台资源的助推器
“新工科”建设所关注的工程项目训练依靠单一的校内平台资源还远远不够，亟须发挥校内外联动机制，调动社会资源充分参与创新创业教育的全过程。对于材料类专业的学生来说，他们参加的学科竞赛往往是依托具体的科学或工程问题，参赛作品通常以技术创新或新技术研发为主，甚至有些参赛作品直接与学生参与的各类科研项目或专业实验课程紧密关联，因此这类学科竞赛活动就必须依托功能完善的试验场所，并具备相应的实验设备才能开展。在此背景下，学校就有足够的动力去推进实践教学平台资源的整合与建设。通过合理调配高校自身的硬件资源与社会资源，搭建开展学科竞赛的共享资源平台，可以极大地提高硬件资源与人力资源的利用效率。太原科技大学材料科学与工程学院在组织和主办相关学科竞赛的工作中积累了较为丰富的实践经验，在实践教学平台资源的整合方面进行了有意义的探索和实践。例如，与驻地企业签订人才培养实践基地协议，柔性引进企业高管和技术骨干担任专业学科竞赛指导教师等。
3.1 构建学科竞赛与专业课程、实践环节相协调的课程体系
太原科技大学材料类专业在多年的实践中，重视对学生创新创业能力的培养，构建了适应学生创新创业能力培养的实践环节课程体系。在学校材料类专业的人才培养方案中明确要求具备与学科竞赛相关的专业课程或实践教学环节等模块，达到了课程体系与学科竞赛的互相协调。例如，焊接技术与工程专业2021年修订新版的人才培养方案，在专业选修课程模块中开设了多门契合竞赛内容和竞赛模式的专业实践选修课，课程内容涵盖金属材料热处理、机器人焊接、3D打印、金相观察等不同领域，初步构建了学科竞赛关联专业课教学体系的专业核心课程群。
同时在实践环节的成绩评定、学分奖励、教学计划改革、教学手段革新、课程设计、毕业设计等方面进行配套的实践探索，使教师在实践教学过程中有针对性地融合学科竞赛的相关环节，并制定相关管理制度保障教学的顺利进行。例如，太原科技大学冶金工程专业建设了钢铁材料转炉冶炼虚拟仿真实验平台，在实践教学组织过程中，教师带领学生进行沉浸式学习，参与到与学科竞赛相关的高端钢铁材料冶炼等实践项目的全过程中，涵盖了学科竞赛要求的方案设计、材料制备、性能检测、功能优化、技术经济性分析等环节，同时在完成项目的过程中，指导教师也结合教学组织形式有针对性地培养学生的协作精神、艰苦奋斗精神和项目管理能力。
因此，只要能够合理地设置实践课程教学内容和方式，学科竞赛与专业课程以及实践教学并不矛盾，反而会形成很好的合力。
3.2 构建学科竞赛前提下基于成果导向的探究式学习模式
工程教育专业认证中，成果导向（OBE）作为一个重要理念已经被广泛认可，这种教育理念强调以结果为导向，突出个人能力，强调绩效责任以及个性化评价，有利于促进教与学观念的转变，进而提升人才培养质量[8]。太原科技大学材料类专业在以学科竞赛促进创新创业教育方面进行了基于OBE的积极尝试，在专业知识目标的基础上结合学科竞赛的特点，让学生围绕问题情景进行探究式学习，达到培养学生创新思维的目标，实现学生创新创业能力的提升。例如，结合全国大学生金相技能大赛的参赛内容，围绕“材料科学基础”“金属材料学”等专业课程目标，开设铸铁试样金相观察的综合性实验，设计预磨、抛光、侵蚀等问题情景，引导学生基于问题情景进行探究式学习与合作学习。实验过程中6～8名学生为一组，要求学生在固定时间内通过团队协作完成各个实验环节，有效锻炼了学生的团队合作能力，特别是小组长要具备组织和决策能力，才能进行合理分工并充分发掘每个组员的兴趣，组员之间通过知识互补，完美地解决问题，从而提升了创新能力。因此，OBE教学模式注重培养学生的综合能力，它与美国教育心理学家本杰明·布鲁姆提出的“认知、情感、动作技能”3个教育目标有机契合，是“新工科”背景下培养学生创新创业能力的重要思路。
除了在课堂教学上建立基于OBE的线下探究式学习外，也可以采取信息化教育手段进行线上的探究式学习，特别是一些地方高校由于实践性教学平台资源不足，难以支撑其开展众多的学科竞赛，因此建设线上学科竞赛训练载体尤为重要。这些线上载体具有信息推送精准、传播信息多样化、快捷便利、用户黏性强等优点，能够为学生交流和参与竞赛等提供更多方便。例如，太原科技大学材料科学与工程学院微信公众号开设了“精材细琢”模块，及时发布各种材料类专业相关学科竞赛的信息和资讯。这类学科竞赛信息化平台依托便捷的即时通信功能，为学生提供了课下交流沟通的渠道，同时也让学生可以在课下向老师提问或者提出意见。
3.3 完善学科竞赛的层级管理制度，提高管理效率
建立完善与高效的学科竞赛组织和管理制度是推动学科竞赛高质量开展的重要一环。随着学科竞赛逐渐普及和备受重视，高校竞赛管理机制已初具雏形，但是尚存在各部门之间联动机制不强、各个管理单位职责不明确的问题。太原科技大学在多年实践的基础上逐渐形成了三级管理体系，即校级职能机构—二级教学单位—导师团队。其中，校级职能机构是整合了教务部、学生工作部、科学技术部的相关职能而组建的独立运行的创新创业学院，负责学科竞赛的顶层设计，包括制定竞赛管理制度、经费管理办法、绩效奖励政策等。将项目化管理理念引入学科竞赛中，根据学科赛事的专业相关程度，把竞赛划拨给相应的二级学院承办。例如，全国大学生金相技能大赛由太原科技大学材料科学与工程学院承办，“互联网+”大学生创新创业大赛由计算机学院承办。二级教学单位主要负责学科竞赛的具体管理，也就是过程管理，包括组织师生参加相关培训、组建竞赛团队、竞赛宣传、学生实训、竞赛报名筛选等工作。导师团队的主要工作是制定竞赛方案，进行专业指导和竞赛总结等。
本文在阐述学科竞赛对材料类专业人才培养意义的基础上，从课程体系、学习模式、管理制度等3个方面提出了具体的实施路径，明确了学科竞赛是新形势下促进“新工科”建设的一条有效路径。高校可以以学科竞赛为渠道，强化学生理论联系实践的能力，并进一步促进相关专业按照“新工科”的建设要求动态优化专业人才培养方案，持续提升人才培养质量。
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