基于前沿科學(xué)的材料科學(xué)類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的探索

基于前沿科學(xué)的材料科學(xué)類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)形式的探究〔〕:

摘要：前沿科學(xué)研究作為根底知識的開展方向，在創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中占有重要作用，因此在材料科學(xué)類課程的教學(xué)中引入前沿科學(xué)知識，將最新的科研成果帶入課堂，可以極大地提升材料類課程的教學(xué)質(zhì)量。從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面對教學(xué)形式進(jìn)展改革，在理論教學(xué)中引入最新科學(xué)研究成果，更新教材中的錯誤內(nèi)容，使得學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)到先進(jìn)的科學(xué)知識；其次，在理論教學(xué)中引導(dǎo)本科生進(jìn)展創(chuàng)新型科學(xué)實驗，并且加強(qiáng)外協(xié)合作與國際交流，建立健全學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量評估體系，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維才能，為祖國培養(yǎng)出具有前瞻性、國際化、高質(zhì)量的創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞：前沿科學(xué)；材料科學(xué)；創(chuàng)新型人才；教學(xué)形式

本文引用格式：翁瑤瑤，毛向陽.基于前沿科學(xué)的材料科學(xué)類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)形式的探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,8(32):68-71.

explorationontheCultivationModeofInnovativeTalentsinMaterialScienceBasedonfrontierScientificResearch

WEnGYaoyao,MAOXiangyang

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,nanjingInstituteofTechnology,nanjingJiangsu)

Abstract:Asthedevelopmentdirectionofbasicknowledge,frontierscientificresearchplaysanimportantroleinthecultivationofinnovativetalents.Therefore,introducingfrontierscientificknowledgeintotheteachingofmaterialssciencecoursesandbringingthelatestscientificresearchachievementsintotheclassroomcangreatlyimprovetheteachingqualityofmaterialssciencecourses.First,reformtheteachingmodefromtheaspectsofteachingcontentandteachingmethods,introducethelatestscientificresearchresultsintothetheoreticalteaching,updatethewrongcontentsinthetextbook,andenablestudentstolearnthemostvaluablescientificknowledgeinclass.Second,guideundergraduatestocarryoutinnovativescientificexperimentsinpracticalteaching,andstrengthenforeigncooperationandinternationalmunication,establishandimprovethestudents"learningqualityevaluationsystem,stimulatestudents"subjectiveinitiative,broadenstudents"horizons,trainhigh-qualityinnovativetalentsforourcountry.

Keywords:frontierscience;materialscience;innovativetalent;teachingmodel

一引言

材料科學(xué)作為新工科開展的先行根底學(xué)科，涵蓋了材料學(xué)、金屬材料學(xué)、功能材料學(xué)、焊接科學(xué)、力學(xué)等多方面的內(nèi)容，涉及到材料科學(xué)根底、材料的熱處理工藝、工程制圖、金屬的物理性能等多方面的課程，是培養(yǎng)我國工科型人才的重要學(xué)科，承載著國家工業(yè)開展的先進(jìn)動力。材料科學(xué)類人才作為國之重器，在中國科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)提升中占據(jù)著舉足輕重的作用[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的日益開展，國家對于具有創(chuàng)新性、高質(zhì)量、國際化的材料科學(xué)類人才的需求越來越多，因此培養(yǎng)出新一代材料科學(xué)類人才至關(guān)重要。國家提出以突出培養(yǎng)造就創(chuàng)新型科技人才為目的，努力造就一批世界程度的科學(xué)家、工程師和高程度創(chuàng)新團(tuán)隊[4-5]?？茖W(xué)研究作為現(xiàn)階段前沿科學(xué)開展的主要途徑，在材料學(xué)科開展和國家新工科建立中都起著重要作用。高等學(xué)校作為國家人才儲藏的重要基地，加大自身對科研的投入、提升自身的科研創(chuàng)新才能已經(jīng)成為其開展的重要戰(zhàn)略趨勢[6-8]。

在高等教育中，科研與教學(xué)相結(jié)合的培養(yǎng)形式具有悠久的歷史，早在十九世紀(jì)初，德國教育學(xué)家、柏林大學(xué)的創(chuàng)始人洪堡就提出來"教學(xué)與科研相統(tǒng)一";的原那么?？茖W(xué)研究是開展根底理論和探究科技前沿的有效途徑，是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要形式。實時地將前沿科學(xué)引入到教學(xué)中，可以不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，逐漸形成教學(xué)科研有機(jī)結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)形式[9-11]。因此，探究一種基于前沿科學(xué)的培養(yǎng)材料科學(xué)類本科生創(chuàng)新才能的新途徑至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，材料科學(xué)類課程與前沿科學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形式仍不成熟，在施行的過程中仍存在諸多問題。首先，在材料科學(xué)課程的理論與理論教學(xué)中缺乏前沿科學(xué)知識，現(xiàn)有教材中的知識較老舊；其次，學(xué)校的科研平臺及實驗設(shè)備缺失，無法實現(xiàn)本科教學(xué)全員參與科學(xué)研究；最后，師資隊伍缺乏也是影響前沿科學(xué)進(jìn)入教學(xué)的一大阻力。在材料科學(xué)高速開展的今天，將科學(xué)前沿與傳統(tǒng)知識交融學(xué)習(xí)，增加教學(xué)的層次性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，創(chuàng)新教學(xué)形式、改革教學(xué)理念、更新教學(xué)內(nèi)容，是決定教學(xué)效果的關(guān)鍵內(nèi)容。

二材料科學(xué)類本科生科研的整體形勢

基于國家定位本科生培養(yǎng)的根本目的，即較扎實地掌握本門學(xué)科的根底理論、專門知識和根本技能，并具有從事科學(xué)研究工作或擔(dān)負(fù)專門技術(shù)工作初步才能的高級人才，這就要求高校在培養(yǎng)本科生時以教授根底專業(yè)知識為主，以開展科學(xué)研究為輔。因此，現(xiàn)階段大局部高校中本科生仍以學(xué)習(xí)根底專業(yè)知識為主要內(nèi)容，前沿科學(xué)研究在本科生的培養(yǎng)中占比不大。材料科學(xué)作為工科專業(yè)的根底，其前沿的科學(xué)研究以實驗為主，這為本科生參與科學(xué)研究提供了大量的時機(jī)。近年來，已有局部高校認(rèn)識到前沿科學(xué)研究在本科生教育中的重要作用，大力鼓勵本科生在時間和精力允許的情況下進(jìn)展相當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究，推進(jìn)本科生在科學(xué)研究中的參與程度，比方鼓勵學(xué)生們參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程、教師的科研工程以及參與研究生的科學(xué)實驗等[12]?，F(xiàn)如今有越來越多的本科生以第一作者發(fā)表科研論文和創(chuàng)造專利，說明科學(xué)研究在本科教學(xué)中已逐步浸透[13]。促進(jìn)前沿科學(xué)在本科生教育中的應(yīng)用，進(jìn)步本科生的創(chuàng)新才能和思維才能，探究新型的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)形式仍然是現(xiàn)階段材料科學(xué)領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略任務(wù)。

三前沿科學(xué)在材料科學(xué)類高等教育中存在的問題

〔一〕理論與理論教學(xué)中缺乏前沿科學(xué)

隨著材料科學(xué)的迅猛開展，新材料、新工藝、新理論層出不窮，然而現(xiàn)階段高校的教學(xué)內(nèi)容較陳舊，相關(guān)概念存在錯誤，與最新的前沿科學(xué)相脫節(jié)，假設(shè)按照現(xiàn)有教材教授學(xué)生，那么會誤導(dǎo)學(xué)生，無法傳授給其最新的科研成果。例如在?材料分析方法?課程里"透射電子顯微鏡";這一章節(jié)中，講到透射電鏡由成像形式向衍射形式轉(zhuǎn)變的方法是調(diào)節(jié)中間鏡的位置，然而這一方法是早期電鏡剛問世時的方法，而現(xiàn)如今電鏡早已更新?lián)Q代，電鏡的成像原理也發(fā)生變化，但是課本中卻沒有相應(yīng)更新。此外，教科書中的參考文獻(xiàn)較老舊，沒有引用最新發(fā)表的論文，無法覆蓋前沿科學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)，具有狹隘性和局限性。

為了培養(yǎng)工科專業(yè)學(xué)生的理論動手才能，除了理論課程教學(xué)之外，高校大力開展理論課程，期望在理論中加深同學(xué)們對知識點的掌握，因此高校中多數(shù)理論課程為理論課程的輔助，主要涉及關(guān)于根底概念和根本理論的實驗，旨在幫助學(xué)生們理解理論課程中晦澀難懂的概念和原理。例如碳鋼的微觀組織觀察實驗用于加深學(xué)生對鐵碳相圖的理解；金屬材料的熱處理實驗是為了讓同學(xué)們更深化地理解合金的固態(tài)相變過程，包括碳鋼的相變過程和鋁合金的析出強(qiáng)化過程等。而這些相關(guān)理論課程缺乏知識點的科學(xué)創(chuàng)新，容易無視對學(xué)生創(chuàng)新才能以及主觀能動性的培養(yǎng)，無法深化地啟發(fā)學(xué)生進(jìn)展科學(xué)探究。

〔二〕科研平臺及實驗設(shè)備的缺失

雖然國家對高?？蒲蟹矫娴耐度朐谥鹉觑@著增加，但是由于國內(nèi)的資源分配形式的特點和資源的集中，科研資助的大局部主要集中在高程度的全國名校中，而對于普通的高等院校，仍然存在科研平臺和相關(guān)實驗設(shè)備缺失的問題，導(dǎo)致校內(nèi)的師生，尤其是本科生們，沒有時機(jī)接觸到先進(jìn)的科研平臺和高端的實驗設(shè)備，使得本科生無法參與到相關(guān)科學(xué)研究和實驗當(dāng)中。另外，在高程度院校中，也存在科研設(shè)備集中的問題，設(shè)備的使用權(quán)限集中在某一學(xué)院或者某些課題組里，使得其他學(xué)院或課題組使用設(shè)備較困難，也會造成實驗設(shè)備確實的問題。俗話說"巧婦難為無米之炊";，在科研平臺及實驗設(shè)備短缺的情況下，學(xué)生們很難開展相關(guān)科學(xué)研究。

〔三〕師資短缺及評估標(biāo)準(zhǔn)缺乏

雖然現(xiàn)階段每年都有很多博士畢業(yè)，高程度院校的師資力量也日漸雄厚，但就普通高校而言，大局部教師的學(xué)歷層次還不夠高，師資力量還不夠充實，高程度的教授數(shù)量較少，優(yōu)秀青年學(xué)者、、院士等高層次科研大家非常缺失，大多數(shù)教師對于科研的理解還不夠深化，關(guān)于前沿科學(xué)研究的創(chuàng)新和實驗設(shè)備的運(yùn)用較欠缺，仍舊缺乏具有高學(xué)歷、高創(chuàng)新性和高教學(xué)程度的師資力量。此外，學(xué)校的評估標(biāo)準(zhǔn)也存在缺陷，傳統(tǒng)的理論課程評估方式主要為考試成績、平時表現(xiàn)和隨堂作業(yè)等，沒有量化參與前沿科學(xué)研究所占成績比重，難以調(diào)動學(xué)生的積極性去自主參與科學(xué)研究，無法進(jìn)步學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新才能。

四基于前沿科學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新形式

〔一〕基于前沿科學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)形式

材料科學(xué)類課程由于其內(nèi)容繁多、難度較大，傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)階段培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求，急需進(jìn)展新教學(xué)形式的探究。為了使教學(xué)內(nèi)容跟上時代步伐，將前沿科學(xué)研究引入到專業(yè)教學(xué)中刻不容緩，做到科研結(jié)果進(jìn)課堂來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維才能尤為重要。以?材料科學(xué)根底?這門課程為例，在講解"材料的構(gòu)造";這一章節(jié)時，引入現(xiàn)階段高程度論文中發(fā)表的關(guān)于納米析出相的原子構(gòu)造的相關(guān)內(nèi)容，使得同學(xué)們更深化地認(rèn)識各種單胞的原子構(gòu)造、空間群、晶胞常數(shù)等知識。此外，還可以采用先進(jìn)的原子模擬軟件Materialsstudio和VESTA等進(jìn)展三維建模并制作動畫，立體地為同學(xué)們呈現(xiàn)單胞或者超胞的原子構(gòu)造，加深對知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在"固態(tài)相變-沉淀強(qiáng)化";這一章節(jié)中，引入可熱處理強(qiáng)化的鋁合金和鎂合金的相關(guān)最新文獻(xiàn)，使得同學(xué)們深化理解這一概念的原理和應(yīng)用，引發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性考慮和積極發(fā)現(xiàn)前沿科學(xué)中所存在的問題。

高等學(xué)校中傳統(tǒng)的理論課程以根底理論的驗證為主，探究性的實驗?zāi)敲聪鄬^少。為了進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)的才能，在高校的理論課程中應(yīng)當(dāng)創(chuàng)立開放性實驗，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的科學(xué)問題，鼓勵學(xué)生進(jìn)展科學(xué)實驗研究。在理論教學(xué)中引入前沿科學(xué)研究中的熱點問題，有助于開拓同學(xué)們的眼界和思維才能，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立考慮和解決前沿問題。另外，對本科生的理論教學(xué)進(jìn)展導(dǎo)師制管理，為學(xué)生裝備獨(dú)立的導(dǎo)師，由導(dǎo)師帶著學(xué)生進(jìn)展科學(xué)實驗，鼓勵本科生們參與導(dǎo)師的科研工程，深化接觸科學(xué)研究。以研究前沿科學(xué)問題為中心，不局限于課本中的教學(xué)內(nèi)容，更加注重實驗過程和數(shù)據(jù)分析過程，引導(dǎo)學(xué)生多方面認(rèn)識問題，使得學(xué)生將所學(xué)的知識創(chuàng)造性地運(yùn)用到科學(xué)研究中，這一形式更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新才能。

〔二〕增強(qiáng)外協(xié)合作與國際交流

科技的快速開展使得研究手段更加高端，深化的科學(xué)觀察對于高校的科研平臺提出了更高的要求。在對本科生的培養(yǎng)中，認(rèn)識并理解材料的各種分析手段有助于進(jìn)步學(xué)生解決問題的才能，促進(jìn)學(xué)生自主考慮才能。然而就材料科學(xué)而言，局部實驗設(shè)備價格昂貴，如透射電子顯微鏡、球差矯正掃描透射電子顯微鏡、三維原子探針等，大多數(shù)高校無法負(fù)擔(dān)其高昂的價格和維修費(fèi)用。雖然在科學(xué)研究中，有些研究需要用到上述所提到的高端設(shè)備，但需求量并不大，多數(shù)實驗還是以根底實驗為主，因此假設(shè)每個高校都購入這些高端設(shè)備，不僅高校自身實力不允許，而且會造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，無法最大限度地實現(xiàn)高端設(shè)備的價值。這時除了加強(qiáng)自身設(shè)備平臺的建立之外，增強(qiáng)外協(xié)合作交流就顯得尤為重要。例如在講授?材料測試分析方法?這門課程時，相關(guān)院校負(fù)責(zé)人可以聯(lián)絡(luò)外協(xié)單位進(jìn)展合作，讓學(xué)生可以實物觀察并操作相關(guān)設(shè)備，加深學(xué)生對于實驗設(shè)備的理解。

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)不僅要求學(xué)生具有解決問題的才能，還需要學(xué)生具有開拓的視野、創(chuàng)新的思維。前瞻性的培養(yǎng)依賴于學(xué)生自主地研讀最新發(fā)表的文獻(xiàn)，還需要跟科研大牛們深化交流，這就要求高校負(fù)責(zé)人可以有意識地多去邀請科研大家來學(xué)校開展主題講座，為同學(xué)們講解相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿知識，激發(fā)學(xué)生挖掘科學(xué)前沿問題的動力，進(jìn)步學(xué)生的創(chuàng)新積極性。在經(jīng)濟(jì)全球化的現(xiàn)代，知識無國界，我們要加強(qiáng)國際合作交流，積極參加國際會議與學(xué)術(shù)討論，汲取國外領(lǐng)先的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的科研知識。

〔三〕完善師資隊伍及健全學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量評估體系

在師資隊伍的完善方面，各大高校都提出豐厚的引進(jìn)策略來吸引人才，學(xué)校的師資隊伍也愈加充實。此外，創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)除了在教學(xué)內(nèi)容方面的改革外，還需要加強(qiáng)教學(xué)方式的創(chuàng)新，量化科學(xué)研究在學(xué)生評價中的比重，健全學(xué)習(xí)質(zhì)量評估體系，進(jìn)步學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。首先在每章節(jié)內(nèi)容完畢的時候，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生找出教材中錯誤或者不完善地方，并給出解決方案，給可以找出的同學(xué)更高的平時成績，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。并且，鼓勵學(xué)生按照章節(jié)內(nèi)容，選擇感興趣的知識點檢索最新的科研成果并進(jìn)展整理匯總，以論文的形式進(jìn)展提交，教師對每位同學(xué)的論文進(jìn)展打分并作為最終成績的組成局部。教師可以選取優(yōu)秀的論文，讓學(xué)生制作相關(guān)演示文稿，以演講的形式將自己總結(jié)論文分享給同學(xué)們，這樣不僅讓學(xué)生們都參與到教學(xué)內(nèi)容的更新中，還可以體會到關(guān)注科研動態(tài)的樂趣和意義，培養(yǎng)自己的科研創(chuàng)新思維?；谇把乜茖W(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新形式概括如圖1所示。

圖1基于前沿科學(xué)研究的創(chuàng)新型材料科學(xué)類人才培養(yǎng)新形式

五結(jié)語

將最新的前沿科學(xué)知識引入到材料科學(xué)類課程的教學(xué)當(dāng)中，是對現(xiàn)有課本知識的補(bǔ)充和擴(kuò)展，改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，可以使學(xué)生更好地理解和掌握根本知識及前沿科學(xué)，加深學(xué)生對于抽象概念的理解，同時進(jìn)步學(xué)生的主觀能動性和科學(xué)創(chuàng)新思維，為祖國培養(yǎng)材料科學(xué)類創(chuàng)新型人才。

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