工程教育新理念下实验教学示范中心内涵建设.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023新工科、新医科、新农科、新文科建设 工程教育新理念下实验教学示范中心内涵建设葛利玲,梁淑华,张国君,邹军涛,汤玉斐(西安理工大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710048)摘 要:在工程教育新理念下,以“立德树人”为根本,发扬“传承与创新”精神,以培养材料类学生“科学文化素养+工程实践创新能力”为核心,按照“两性一度”的要求,构建了“多层次深度型、重能力综合型、探究式创新型”三位一体材料类本科实验教学新体系,并对课程、教材、教学模式、实验室管理与师资队伍进行了深层次的改革与建设,促进了学生工程实践创新能力培养。学科文化建设,培养了学生材料科学文化素养,扩大了示范中心的开放。关键词:工程教育;立德树人;实验教学体系;课程与教材;实践创新能力中图分类号:G632.00 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.049Connotation construction of experimental teaching demonstration center based on the new concept of engineering educationGE Liling,LIANG Shuhua,ZHANG Guojun,ZOU Juntao,TANG Yufei(School of Materials Science and Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China)Abstract:Motivated by the novel concept of engineering education,establishing virtue and cultivating people is fundamental,and the spirit of“inheritance and innovation”should be developed.We con-structed a novel“three in one”experimental teaching system,namely,“type of multi-level and depth”,“type of strong ability and comprehensive”,and“type of exploration and innovation”,with the goal of cultivating the culture of science and engineering practice innovation ability of students ma-joring in materials science.This system has been reconstructed to satisfy the requirements of“Both-nature and one-extent”.Moreover,the courses,teaching materials,teaching models,laboratory man-agement,and teaching team were reformed and reconstructed to improve the cultivation of students engineering practice innovation ability.At the same time,the construction of discipline culture has cultivated the cultural literacy of students in materials science and expanded the opening of experimen-tal teaching demonstration center.Key words:engineering education;establishing virtue and cultivating people;experiment teaching system;courses and teaching materials;engineering practice and innovation capability 收稿日期:2021-06-24 修改日期:2022-09-26作者简介:葛利玲,硕士,教授级高级工程师,实验教学中心主任,从事实验教学与管理及科研工作,主要研究方向:材料微观组织与性能。E-mail:geliling-xut 基金项目:教育部第二批新工科研究与实践项目(项目编号:E-CL20201938);陕西高等教育教学改革研究项目(项目编号:19BY045;17BY030);陕西省教育厅实验教学示范中心建设资金项目(项目编号:陕高教201141 号)。实验教学示范中心建设在提升高校实验教学水平、培养创新人才、强化实践能力、培养创业精神、提高人文素养以及科学素养等方面起着举足轻重的作用,其建设与发展应与时俱进,适应社会发展的需要1。2015 年国务院提出的“坚持育人为本,提高培养质量”和2015 年新修订的中国工程教育专业认证标准与实践教学显性相关指标,创新创业教育以及工程教育专业认证为本科教学提出了更高的要求,尤其是在“立德树人”新要求下,发挥教学中心对工程实践创新能力人才的培养作用,使实验教学示范中心具有可持续发展,不断深化教学中心内涵建设是关键2-4。西安理工大学(以下简称:我校)材料科学与工程陕西省实验教学示范中心(以下简称:中心),为了适应社会发展的需求在不断地改革与建设中。为了适应社会发展的需求,在工程教育新理念下,以“立德树人”为根本,按照“两性一度”的要求,通过重构实验教学体系、改革实验教学内容与教学模式、实施数字化课程与教材建设、搭建优质资源共享平台及学科文化教育基地、引入企业管理理念以及建设专职实验教学师资队伍等进行全方位的系列改革与实践,强化学生的科学素养和工程实践创新能力培养。1 重构实验教学新体系工程教育新理念就是通过不断变革创新,来适应社会、经济、科技变化的趋势5。依据这个新理念,要深化实验教学改革与创新,根本问题就是转变教学理念,构建有利于大学生创新能力培养的实验教学体系6。针对我校材料类本科培养目标:“思想素质高、基础扎实、实践能力强、具有创新精神的高素质应用型人才”,以“立德树人”为根本,以“强化材料基础实验、注重工程实践能力,培养创新意识和材料科学文化素养”为教学理念,从创新创业以及工程教育认证视角“重构”实验教学体系,在原有的多层次实验教学体系的基础上,以“兴趣、问题、实践、创新”为驱动,展开面向各专业综合实验独立课程的开设,将材料工程知识、工程问题、通用技术、教师的科研成果融入实验项目,构建综合设计型、研究探索型实验,实验内容聚焦学生解决“复杂工程问题”能力的培养。形成了以“多层次深度型、重能力综合型、探究式创新型”的三位一体的材料类本科实验教学新体系,如图 1 所示。实验项目的实施以“学生自由组合、自主选题与方案设计、师生互动讨论、小组答辩”过程等来完成,学生利用专业知识和技术去解决实际问题,获得掌握材料科学研究的基本方法,新体系的实施使学生综合创新能力不断提高,如专业综合实验“AZ91D 在不同热处理工艺下的组织及性能”和“20Cr 表面纳米化对渗硼行为的影响”于2019 年分别获第五届中国大学生材料热处理创新创业大赛二等奖和三等奖,我校获优秀组织奖。学生综合技能获第五届全国高校大学生材料综合技能大赛二等奖,学生在全国金相技能大赛、失效分析大赛等竞赛活动中成果丰硕。经过探索与实践,以“科学素养+工程实践创新能力”培养为核心的材料类实验教学改革与实践于 2019 年 7 月获西安理工大学教学成果特等奖。图 1 实验教学新体系及培养目标结构图2 深化实验课程与教材建设课程作为人才培养的核心素养,是落实立德树人根本任务的重要途径,实施课程与教材一体化设计与深度融合已成为提高本科教学质量的一项重要举措。为了强化材料类学生工程实践创新能力,提升实验教学质量,从实验课程内容、教材、教学模式等进行了系列改革与实践。2.1 教材+在线开放课程一体化建设“金相显微技术”是我校面向材料类各专业开设最早、具有特色的独立实验课7,开设近40 年,近十年每届学生 1415 个班。也是支撑“材料科学与工程、材料成型与控制、物理 3 个国家级一流专业建设点的必修专业基础实验课。课程目标旨在培养学生金相显微样品制备及微观组织观察分析能力,为从事材料科学研究以及相关工作打下坚实的实验研究基础,图 1 为实验教学新体系及培养目标结构图。经过多年的课程建设于 2015 年获陕西省资源精品共享课程。然而,面向工程教育新要求仍有一定差距,需要对课程进行深层次改革,而课程改革的核心是教材。为此,将“金相显微技术”校内教材,按照工程教育新理念,与清华大学、北京工业大学、北京科技大学联合重新编写了“光学金相显微技术”8新教材(2020 年获校优秀教材二等奖),教材融入了412 葛利玲,等:工程教育新理念下实验教学示范中心内涵建设新知识、新技术、新方法、新设备、工程典型案例以及新的金相检验国家标准,突出工程实践培养。为了适应“互联网+教育”的新模式,扩大课程资源共享,2020 年初完成了在线开放课程建设,已在智慧树平台开课 3 个学期,实施了“线上与线下”混合式教学模式,深化了课程内涵建设。2.2 打造数字化新形态实验教材2008 年为了配合我校学分制实施,本着“夯实基础、拓宽思维、综合创新”的宗旨,积极增设和开展设计性、综合性和创新性的“三性”实验,编写出版了“材料科学与工程基础实验教程”教材(2011 年获校优秀教材一等奖),涵盖了材料类专业基础与专业课程近 10 门课程的 56 个实验。随着工程教育的实施,按照“两性一度”对人才培养的要求,对该教材的内容进行了重新梳理,剔除了开出率不高、内容陈旧的验证性实验,更新并增加了有利于工程实践创新能力培养的实验项目,实验项目增至 66 个。与信息技术深度融合,拓展丰富教学内容,融入了虚拟仿真、模拟动画、实验操作视频、重点讲解视频等网络数字化内容,于 2019 年进行了再版发行9,打造适应新时代教育模式的新形态教材。2.3 改革实验教学模式混合式教学模式作为五大金课建设之一,是高等教育教学改革的一个重要研究方向。为了打造混合式实验金课,体现“两性一度”的要求,本课程除了完成在线开放课程建设,与信息技术深度融合创新,制作了“金相学史话”、“传统金相显微摄影与暗室技术”、“金相显微样品制备”、“光学金相显微镜的构造与操作”、“材料艺术作品欣赏”等系列落实“立德树人”根本任务的拓展内容微视频,结合已有的“金相组织观察”网络多媒体实验教学软件(曾获陕西省现代教育技术三等奖),构成了丰富的线上共享资源。利用“互联网+”,采用线上、线下翻转课堂混合教学模式,课前线上观看教师设计的教学视频,达到对概念及知识间联系的浅层学习,线下课上围绕学生发现的问题,通过实验、案例研究等方式展开师生主体间互动,从而实现知识的深层学习。采用“实战型”教学模式,引入工程应用典型案例和金相检验标准的应用等,如:测定非金属夹杂物的制样方法、类型识别和评级,晶粒度的测定方法等。为了强化学生工程实践能力,让学生积极参与中心对外来样分析检测以及失效分析工作,近三年学生参与的失效分析项目在全国第三届、第四届失效分析大赛中分别获一等奖 2 项、二等奖 4 项,学生在工程实践能力得到提升的同时,也培养了学生的社会责任感。2.4 引入竞赛机制拓展课程建设对于现代化强国建设来说,除了顶尖的科学家,主要还是需要培养大量的应用型人才,培养“大国工匠”。围绕课程建设,不仅面向学生开展优秀金相作品欣赏、金相解读等活动,培养工科学生的审美意识和科学文化素养7。自 2015 年开展实验技能大赛,搭建了学校“金相大赛”课程实践竞赛平台,以课程竞赛为牵引,以赛促学,大大激发了学生的主体意识,弘扬了当代大学生工匠精神,打造了匠心品质。参赛人数逐年上升,近几年参赛人数达到 2000余名,除了材料类学生参赛外,还涵盖了工业工程、水利水电、土木工程等专业的学生参赛,学习探究材料科学的微观世界。2018 年中心与西北工业大学国家级示范中心联合承办了由教育部高等学校材料类专业教学指导委员会主办的“全国第七届大学生金相技能大赛”,来自全国 210 所高校近 1000 名师生来中心参赛。中心还承办了“陕西省首届、第三届大学生金相技能大赛暨第二届、第四届实验教学研讨会”,为师生互动提供了交流平台。近几年我校在全国金相大赛中成绩丰硕,获团体特等奖 2 项(团体第二和团体第三)、团体一等奖 1 项,团体二等、三等奖各 1 项,最佳组织奖 2 项,最佳校级组织奖 1 项。学生个人一等奖 6 项、二等奖 12 项,三等奖 3 项的佳绩。学生积极参与“我与金相大赛”征文活动,大赛不仅巩固了专业知识,强化了动手能力,提高了自我表达能力和写作能力。3 中心建设与管理走精细化道路实验教学中心作为实验教学的重要平台,是高校“双一流”建设中必不可少的重要支撑条件,其建设与管理水平对实验教学质量有重要影响10。中心自 2011 年获批陕西省实验教学示范建设单位,更加重视中心建设与管理工作,努力打造国家级示范中心,为深化实验教学改革,落实“立德树人”,做好基础保障。3.1 建设优质资源共享平台建设优质资源共享平台实施高质量实验教学的重要载体,如何实现实验设备与环境的集约化平台式建设以及实验资源共享最大化是构建实验教学硬件平台需要解决的重点和难点问题11。我校属于地方院校,资金来源有限,材料类专业对实验设备依512赖性又很强,所用实验设备精密昂贵。因此,为了避免实验设备的重复性购置,导致资源浪费,在优先保证实验教学的同时兼顾科研需求,通过“科研、教学、学科”为一体的资源深度整合,实验设备和实验用房采取“科学规划、多方筹措资金,分类建设,中心统一管理”的办法,解决优质资源共享弱问题;通过开发研制低成本、高精度适应于本科教学的系列实验设备,解决了资金不足以及实验教学特殊需求等问题。典型自制设备有:材料热膨胀系数测试仪(2018 年获第五届高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛三等奖)、智能铸造应力测试仪(2021年入围第六届创新大赛)、热处理控温仪、磁控溅射离子镀膜机、大容量高温烧结炉等,这些自制仪器设备在实验教学和科研中起到了重要的作用。自制的热处理控温仪不仅精度高,而且节约资金,同时也为学生开设了“温度控制系统的设计及测试”大型综合性实验。学生通过设计、安装与调试,掌握设备研制的基本方法,激发创业激情,弘扬了自力更生精神,培养了学生工程设计能力、团队精神以及工程实践创新能力。3.2 构建学科文化教育基地科学文化本身是一种教育力量。一是它构成了文化环境、文化氛围,对呼吸于其中的人产生着潜移默化的作用,二是科学文化以不同的方式影响着科学教育和课堂文化,对科学教育活动起着重要的影响12。中心发扬注重积淀、弘扬传承、勇于创新的精神,无论是科研还是教学过程中注重优质教学资源的积累,将近 70 年积淀保存的经典实验设备、典型教学资料,汇集整理,精心策划,做成分类系列展览,构建了以材料学科文化为背景的集金相图片、矿物标本、典型零部件与样品、各类宏观缺陷、网络数字资源环境为一体的学科文化教育基地“金相文化室”,如图 2 所示,配合“金相学史话”、“传统金相摄影及暗室技术”相应的“微”视频进行解读,不仅为教学营造了良好的学科文化环境,而且为学生开放式自主性学习提供了优质教学资源,充分发挥了实验教学的文化教育功能,培养了学生材料科学文化素养。学科文化教育基地也为高校师生交流提供了很好的平台,无论本科教学、还是国赛、省赛以及实验教学研讨会,师生们都能得到材料科学文化的熏陶。同时也吸引了国内外专家、学者、其他高校师生的参观学习,中心学科文化特色起到了很好的辐射,扩大了示范中心的开放。图 2 学科文化教育基地“金相文化室”3.3 实验室管理走精细化道路将企业的 6S(整理、整顿、清扫、清洁、安全和素养)管理理念融入实验室建设、管理和维护工作中,走精细化管理道路,培养学生的企业精神。建立健全实验室各类管理制度,尤其是安全管理制度,对实验室管理人员进行定期安全以及应急能力培训,执行实验室人员值班制度,值班人员对实验室仪器设备的安全使用、实验室环境安全进行定期检查,学生进入实验室必须先在校园网上进行安全培训,获取培训达标证书方可进行实验,强化学生的安全意识。4 建设高素质专职实验教学师资队伍中心在师资队伍方面采取多种措施来建设,从重点院校引进高学历实验教学骨干,同时鼓励培养中心青年教师在职攻读高学历,积极为中青年实验教师创造出国深造机会,学习国外先进的实验手段和方法,鼓励实验教师和实验技术人员积极主持或参加各种类型的教改项目和校实验开发基金项目。支持具有高级职称和具有博士学位的实验教师依托中心平台,开展实验独立设课和创新实验开发、实验教学手段改革等,推进实验教学改革。中心现已具有师德优良、专业水平高、教学能力强、信息素养高以及实践创新能力强、学历职称结构合理的稳定的长期从事实验教学、仪器设备管理的高素质专职本科实验教学队伍。队伍中具有博士学位 10 名,高级职称 5 名,获省级师德标兵 1 人,校本科教学优秀奖 4 人,45 岁以下青年教师占 80%。高素质师资不仅保障了教师能力素质与课程建设同步提升,而且能带领学生挑战学术与实践难题。(下转第 222 页)612 (4)采用互联网共享机制,实现异地分布式多人协调实验,可以实现实验教学资源共享。5 结语“过程控制”是自动化专业过程控制方向的专业核心课程,是培养符合工程教育认证高校人才能力的重要课程。过程控制的虚拟仿真实验的建设,将实际物理模型实验与虚拟仿真线上实验相结合,实现了传统实验与虚拟仿真实验的优势互补,克服了实际实验成本高、效率低,设备不易于更新、升级等问题。在保证教学质量的同时,加强了学生的实验前预习和自主学习能力,使学生能够在虚拟环境下沉浸式、融入式学习,激发了学生学习的积极性,提高了学生的实际动手能力,这是“新工科”教育理念下实践创新的体现。未来大连理工大学信息技术实验中心将以虚拟仿真实验教学资源为平台,不断完善其仿真技术,深化其在实践教学中的应用,从而不断促进实验教学持续改进,培养出更多符合“新工科”发展需求的自动化人才。参考文献(References):1 刘磊,张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设J.实验技术与管理,2021,38(1):140-143.2 于海英,郝俊生,张越.常压乙炔法制备 N-乙烯基咔唑虚拟仿真实验设计与应用J.实验技术与管理,2021,38(1):144-147.3陶冬冰,梁莎莎,张璇,等.虚拟仿真技术在高校大型仪器共享平台管理中的应用研究J.实验技术与管理,2020,37(4):257-260.4王龙庭,石永军,姜浩,等.工程机械类虚拟仿真实验教学平台设计J.实验技术与管理,2019,36(9):116-119.5 吕庆功,秦子,许文清.基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程建设与思考J.实验技术与管理,2021,38(2):157-162.6 沈超,王琛,付小莉,等.“新工科”背景下港航专业实验教学仿真的探索与实践J.实验技术与管理,2021,38(2):122-126.7 赖宁.跨媒体教学:虚拟仿真技术在影视传媒实践教学中的应用研究J.实验科学与技术,2021,19(2):106-110.8 赵洪洋.多元化实验教学模式研究J.实验科学与技术,2021,19(2):122-127.9 崔晓龙,张敏,张磊,等.新工科背景下应用型大数据人才培养课程群研究与建设J.实验技术与管理,2021,38(2):212-218.10 裘立群,殷焕顺,艾状云.建立开放实验室培养学生的科研能力J.实验科学与技术,2010,8(3):119-120.11 胡总,徐建东,李希合.自主型开放实验教学管理平台的设计与实现J.实验技术与管理,2008,25(6):36-39.(上接第 216 页)5 结语实验教学示范中心经过多年对实验教学的改革与实践,形成了“多层次深度型、重能力综合型、探究式创新型”三位一体的材料类本科实验教学新体系,以及课程与教材建设数字化、师资队伍专职化、实验平台资源共享化、实验管理精细化,学科文化育人化、竞赛多元化等一系列鲜明特色,有效的促进了工程教育专业认证和国家级一流专业建设。实验教学示范中心建设与管理是一个长期性的、系统的复杂工程,只有不断加强适应社会发展的需求的实验室建设与管理,才能保障学生工程实践创新能力的培养,才能使实验室具有可持续性发展。参考文献(References):1 张大良.瞄准世界一流大学目标加快教学实验室建设J.实验室研究与探索,2004,23(12):1-7.2 钱辉,高东锋,叶民.国家级实验教学示范中心的可持续发展状况与问题分析J.高等工程教育研究,2019(3):76-80.3 杨祖幸,陈艳,赖春霞.实验教学示范中心可持续发展模式探索与实践J.实验技术与管理,2018,37(7):221-228.4 李目,欧青立,吴新开,等.地方院校国家级实验教学示范中心建设的探索J.实验技术与管理,2017,34(4):207-211.5 张满,乔伟峰,王孙禺.引领工程教育创新发展培养一流工程科技人才J.高等工程教育研究,2019(2):117-123.6 张学洪.创建实践教学平台提升学生创新能力J.中国高等教育,2012(6):25-27.7 葛利玲.“金相显微技术”课程改革与实践J.实验技术与管理,2015,32(2):197-201.8葛利玲.光学金相显微技术M.北京:冶金工业出版社,2017.9 葛利玲.材料科学与工程基础实验教程M.2 版.北京:机械工业出版社,2019.10 刘莉.一流教学实验室建设与思考J,实验室研究与探索,2020,39(3):233-235.11 张以顺,冯双,宋少云,等.加强教学科研资源整合促进实验教学示范中心的可持续性发展J.实验室研究与探索,2013,32(8):341-344.12 夏有为.实验室建设必须务实访中科院院士、国防科技大学周兴铭教授J.实验室研究与探索,2013,32(10):1-3.222