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

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

摘要：前沿科學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，因此在材料科學類課程的教學中引入前沿科學知識，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質(zhì)量。從教學內(nèi)容和教學方法等方面對教學形式進展改革，在理論教學中引入最新科學研究成果，更新教材中的錯誤內(nèi)容，使得學生在課堂上學習到先進的科學知識；其次，在理論教學中引導本科生進展創(chuàng)新型科學實驗，并且加強外協(xié)合作與國際交流，建立健全學生學習質(zhì)量評估體系，激發(fā)學生的主觀能動性，開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的創(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。

關鍵詞：前沿科學；材料科學；創(chuàng)新型人才；教學形式

本文引用格式：翁瑤瑤，毛向陽.基于前沿科學的材料科學類創(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

材料科學作為新工科開展的先行根底學科，涵蓋了材料學、金屬材料學、功能材料學、焊接科學、力學等多方面的內(nèi)容，涉及到材料科學根底、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科，承載著國家工業(yè)開展的先進動力。材料科學類人才作為國之重器，在中國科技進步和經(jīng)濟提升中占據(jù)著舉足輕重的作用[1-3]。隨著科學技術的日益開展，國家對于具有創(chuàng)新性、高質(zhì)量、國際化的材料科學類人才的需求越來越多，因此培養(yǎng)出新一代材料科學類人才至關重要。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家、工程師和高程度創(chuàng)新團隊[4-5]?？茖W研究作為現(xiàn)階段前沿科學開展的主要途徑，在材料學科開展和國家新工科建立中都起著重要作用。高等學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，科研與教學相結合的培養(yǎng)形式具有悠久的歷史，早在十九世紀初，德國教育學家、柏林大學的創(chuàng)始人洪堡就提出來"教學與科研相統(tǒng)一";的原那么?？茖W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。實時地將前沿科學引入到教學中，可以不斷豐富教學內(nèi)容，逐漸形成教學科研有機結合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)形式[9-11]。因此，探究一種基于前沿科學的培養(yǎng)材料科學類本科生創(chuàng)新才能的新途徑至關重要?，F(xiàn)階段，材料科學類課程與前沿科學相結合的教學形式仍不成熟，在施行的過程中仍存在諸多問題。首先，在材料科學課程的理論與理論教學中缺乏前沿科學知識，現(xiàn)有教材中的知識較老舊；其次，學校的科研平臺及實驗設備缺失，無法實現(xiàn)本科教學全員參與科學研究；最后，師資隊伍缺乏也是影響前沿科學進入教學的一大阻力。在材料科學高速開展的今天，將科學前沿與傳統(tǒng)知識交融學習，增加教學的層次性，激發(fā)學生的學習興趣和動力，創(chuàng)新教學形式、改革教學理念、更新教學內(nèi)容，是決定教學效果的關鍵內(nèi)容。

二材料科學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科的根底理論、專門知識和根本技能，并具有從事科學研究工作或擔負專門技術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，以開展科學研究為輔。因此，現(xiàn)階段大局部高校中本科生仍以學習根底專業(yè)知識為主要內(nèi)容，前沿科學研究在本科生的培養(yǎng)中占比不大。材料科學作為工科專業(yè)的根底，其前沿的科學研究以實驗為主，這為本科生參與科學研究提供了大量的時機。近年來，已有局部高校認識到前沿科學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展相當?shù)目茖W研究，推進本科生在科學研究中的參與程度，比方鼓勵學生們參加大學生創(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實驗等[12]。現(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，說明科學研究在本科教學中已逐步浸透[13]。促進前沿科學在本科生教育中的應用，進步本科生的創(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)階段材料科學領域的重要戰(zhàn)略任務。

三前沿科學在材料科學類高等教育中存在的問題

〔一〕理論與理論教學中缺乏前沿科學

隨著材料科學的迅猛開展，新材料、新工藝、新理論層出不窮，然而現(xiàn)階段高校的教學內(nèi)容較陳舊，相關概念存在錯誤，與最新的前沿科學相脫節(jié)，假設按照現(xiàn)有教材教授學生，那么會誤導學生，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更新。此外，教科書中的參考文獻較老舊，沒有引用最新發(fā)表的論文，無法覆蓋前沿科學中的新發(fā)現(xiàn)，具有狹隘性和局限性。

為了培養(yǎng)工科專業(yè)學生的理論動手才能，除了理論課程教學之外，高校大力開展理論課程，期望在理論中加深同學們對知識點的掌握，因此高校中多數(shù)理論課程為理論課程的輔助，主要涉及關于根底概念和根本理論的實驗，旨在幫助學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化過程等。而這些相關理論課程缺乏知識點的科學創(chuàng)新，容易無視對學生創(chuàng)新才能以及主觀能動性的培養(yǎng)，無法深化地啟發(fā)學生進展科學探究。

〔二〕科研平臺及實驗設備的缺失

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實驗設備缺失的問題，導致校內(nèi)的師生，尤其是本科生們，沒有時機接觸到先進的科研平臺和高端的實驗設備，使得本科生無法參與到相關科學研究和實驗當中。另外，在高程度院校中，也存在科研設備集中的問題，設備的使用權限集中在某一學院或者某些課題組里，使得其他學院或課題組使用設備較困難，也會造成實驗設備確實的問題。俗話說"巧婦難為無米之炊";，在科研平臺及實驗設備短缺的情況下，學生們很難開展相關科學研究。

〔三〕師資短缺及評估標準缺乏

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，關于前沿科學研究的創(chuàng)新和實驗設備的運用較欠缺，仍舊缺乏具有高學歷、高創(chuàng)新性和高教學程度的師資力量。此外，學校的評估標準也存在缺陷，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研究所占成績比重，難以調(diào)動學生的積極性去自主參與科學研究，無法進步學生主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新才能。

四基于前沿科學的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新形式

〔一〕基于前沿科學的創(chuàng)新教學形式

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

高等學校中傳統(tǒng)的理論課程以根底理論的驗證為主，探究性的實驗那么相對較少。為了進一步培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，促進學生自主創(chuàng)新學習的才能，在高校的理論課程中應當創(chuàng)立開放性實驗，引導學生自主發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的科學問題，鼓勵學生進展科學實驗研究。在理論教學中引入前沿科學研究中的熱點問題，有助于開拓同學們的眼界和思維才能，引導學生獨立考慮和解決前沿問題。另外，對本科生的理論教學進展導師制管理，為學生裝備獨立的導師，由導師帶著學生進展科學實驗，鼓勵本科生們參與導師的科研工程，深化接觸科學研究。以研究前沿科學問題為中心，不局限于課本中的教學內(nèi)容，更加注重實驗過程和數(shù)據(jù)分析過程，引導學生多方面認識問題，使得學生將所學的知識創(chuàng)造性地運用到科學研究中，這一形式更有利于培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新才能。

〔二〕增強外協(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，認識并理解材料的各種分析手段有助于進步學生解決問題的才能，促進學生自主考慮才能。然而就材料科學而言，局部實驗設備價格昂貴，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)高校無法負擔其高昂的價格和維修費用。雖然在科學研究中，有些研究需要用到上述所提到的高端設備，但需求量并不大，多數(shù)實驗還是以根底實驗為主，因此假設每個高校都購入這些高端設備，不僅高校自身實力不允許，而且會造成嚴重的資源浪費，無法最大限度地實現(xiàn)高端設備的價值。這時除了加強自身設備平臺的建立之外，增強外協(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，相關院校負責人可以聯(lián)絡外協(xié)單位進展合作，讓學生可以實物觀察并操作相關設備，加深學生對于實驗設備的理解。

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

〔三〕完善師資隊伍及健全學生學習質(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策略來吸引人才，學校的師資隊伍也愈加充實。此外，創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)除了在教學內(nèi)容方面的改革外，還需要加強教學方式的創(chuàng)新，量化科學研究在學生評價中的比重，健全學習質(zhì)量評估體系，進步學生學習的主觀能動性。首先在每章節(jié)內(nèi)容完畢的時候，鼓勵和引導學生找出教材中錯誤或者不完善地方，并給出解決方案，給可以找出的同學更高的平時成績，激發(fā)學生的學習積極性。并且，鼓勵學生按照章節(jié)內(nèi)容，選擇感興趣的知識點檢索最新的科研成果并進展整理匯總，以論文的形式進展提交，教師對每位同學的論文進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，讓學生制作相關演示文稿，以演講的形式將自己總結論文分享給同學們，這樣不僅讓學生們都參與到教學內(nèi)容的更新中，還可以體會到關注科研動態(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基于前沿科學研究的創(chuàng)新型材料科學類人才培養(yǎng)新形式

五結語

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

參考文獻

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