浅析材料科学与工程专业学生实践创新能力的培养论文
一、教学目标设计：知识掌握、能力培养和素质养成“三位一体”
传统观念认为，真正的知识是不以个人兴趣、爱好为转移的，也不是以时间地点为转移的，是普遍有效的，因而也是价值中立的。知识也因此成为人们崇拜的对象，而不是思考的对象。因此目前高校实践教学仍然面临着杜威当年所警告的“一种危险”：“正规教学的材料仅仅是学校中的教材，和生活经验的教材脱节。永久的社会利益很可能被忽视。那些没有为社会生活结构所吸收，大部分还是用符号表现的专门知识，受到学校的重视。因此，我们有了这样一个通常的教育概念：这种概念忽视教育的社会必要性，不顾教育与影响有意识的生活的一切人类群体的一致性。把教育和传授有关遥远的事物的知识，和通过语言符号即文字传递学问等同起来。”
我们认为，一方面知识是情境化的，即知识是学习者在特定的情境中根据自己的经验背景建构而成的，是学习者对客观世界的一种解释或假设。另一方面，知识是人类通过社会实践认识事物的结果。知识是学习者在社会交往过程中，按照如下循环而形成的：① 学习者对新知识进行主观建构;② 经过学习者主观建构的新知识通过媒介表征(印刷、手写、口头或电子方式)发表，给他人根据一定的客观标准进行审视、评判而重新形成并为人们所接受，由此成为客观知识;③ 客观知识被学习者内化和再建构，成为个人的主观知识;④学习者依据这一主观知识进一步创造并发表新的知识。在这一知识建构循环中，还需要学习者具备一定的问题发现能力、沟通交流能力以及团队协作精神。因此，实践教学不应该以知识建构为唯一目标，而是应该实现学生知识掌握、能力培养和素质养成等三个目标的共同达成。基于上述认识，材料科学与工程专业结合本专业的特点，确立了实践教学目标，具体包括：
在知识方面，要求学生掌握和理解基础科学、专业基础知识、工程技术知识以及一定的人文社科知识;熟悉无机非金属材料、金属材料、复合材料等材料制备的整个工艺过程以及主要生产设备及机电控制、产品检查及品质控制、产品的应用实际等内容。这些都是今后主动建构新知识的基础。同时强调学生要对这些知识进行批判和反驳，并在此基础上构建新的知识。
在能力方面，注重培养学生的各种能力：①解决工程实际问题的能力，即能综合材料学科各领域的基础理论、专业知识和测试表征及分析手段，考虑材料生产成本、质量、环保性、安全性、可靠性、外形、适应性以及对环境的影响，解决材料工程中的实际问题;② 一定的工程创新能力，即在合理解决工程实际难点问题的基础上，能从中提炼出创新性的新思路、新方法，并通过协调沟通或者组建相关攻关小组，形成创新性的成果;③项目及生产管理能力;④ 有效沟通与交流能力;⑤ 新技术跟踪能力。
在素质方面，除了要求学生熟悉行业政策法规，养成良好的职业道德、职业素养与社会责任之外，更加注重帮助学生形成团队合作精神、批判精神，关注工程与环境、社会的和谐发展。
二、教学内容优化：科学与人文、专业与通识、理论与实践的融合
自19世纪以来，科技理性在专业教育中逐渐占据了强大的支配地位。依据科技理性对专业知识的系统描述，专业知识具有四项基本属性——专精化、界线明确、科学化与标准化，其中标准化最为重要，因为它“维持、影响了专业知识基础与其实践之间的范式关系”。专业工作者之所以成为专业工作者或专家，就是把标准化知识应用到具体的问题上，使问题得以解决。正是这种“应用”把专业知识等级化了：标准化知识处于最高层次，而“具体的问题解决方法”(技术)处于最低层次。专业知识等级化导致了课程内容的等级化，并在专业教育的规范性课程设置之中得到充分体现：课程的排序和专业知识被应用程度的排序保持一致。通常而言，课程的排序为：“首先是相关的基本和应用科学，其次才论及实践工作中真实世界问题的应用技巧。”同时，社会和人文课程也被放置在课程体系中的边缘位置。
为改变上述现状，材料科学与工程专业对课程体系和教学内容进行了优化，从而实现科学与人文、专业与通识、理论与实践的有效融合。首先对课程进行重组。我们在本科生综合培养方案中设置了“公共基础课程”、“材料学科基础课程”、“材料专业领域课程”、“材料专业实践”、“通识及人文素质教育”等五大模块。这五大模块的课程内容是处于同等重要的地位，要求学生在每个模块中都要修读一定的学分。
其次，在实践教学安排上，考虑到学生理论学习与实践实习之间的相互启发与融通，我们遵循“由浅入深、循序渐进”的学生认知规律，构建一个与理论教学体系相匹配，相互联系、相互补充，由单项到综合性、研究性与创新性的相对独立的实践教学内容体系。学生从入学到毕业，依次参与初步认识实践、基础性实践、综合设计训练以及研究、创新性实践等四个实践环节。以材料科学与工程专业无机非金属材料科学与工程方向为例，我们在初步认知实践教学层次开设了“工程初步训练”、“认识实习”、“水泥与混凝土工艺原理实验”、“陶瓷工艺原理实验”、“玻璃工艺原理实验”等课程，使学生对材料的功能、种类、组成等有一定的感性认识;在基础性实践教学层次开设了“材料物理化学”、“材料现代测试方法”、“材料物理实验”等课程，帮助学生加强基础知识的理解、基本技能的训练以及整个实践环节的思维和过程训练;在综合设计训练教学层次开设了“机械设计基础课程设计”、“材料物理化学与测试方法综合实验”、“陶瓷材料结构与性能综合实验”、“玻璃材料结构与性能综合实验”、“水泥和混凝土综合实验”等课程，以突出培养学生对相关知识的融会贯通，让学生提出问题、分析和解决问题，不断提高实践能力;在研究、创新性实践教学层次除设立“毕业设计(论文)”之外，学生还可以参加“国家大学生创新性实验计划”、“广东省大学生创新性实验计划”、“学生研究计划”及由教师主持的国家、省级等各类研究项目，通过参与研究性、创新性工程实践课题，学生的实际工程能力和创新能力得到了锻炼和提升。
第三，教学内容实现“两化两性”。“两化”是指：一是系统化，即从专业方向和学生发展的角度出发，打破课程的界限，构成科学合理的内容体系。二是模块化，即按照模块化课程结构设计思想，把教学内容分为相对独立又相互联系的模块。“两性”包括：一是阶段性，即设立实践课时考虑到不同层次的需要及与理论课的协调，使每个学习阶段学生都能得到锻炼和提高。二是前沿性，即实践教学内容及时反映材料科学与技术的最新成果，根据不断扩展的研究领域及材料工业的'需求，将科研成果或生产实际课题设计成学生实验内容或综合性、设计性实验项目。
三、教学方法改革：凸显学生主体性，重视默会知识和个体知识
传统观点认为，学校教学的责任就是由教师向学生传授人类社会普遍化、客观的知识。“教师的工作就是先把书本上客观存在的、绝对正确的、确定无疑的东西复制到自己的头脑中，然后设法呈现、讲解、演示出来，一点一点地拷贝到学生的头脑中去;教师的目的就是使学生头脑中所接受到的东西与自己头脑中的、书本上的东西一模一样。”在这一过程中，教师是知识的掌握者，负责把知识传递给学生;而学生是一个“自动化的”知识容器，被动地接受知识。这种单向的、灌输式的教学是机械的，禁锢了学生的思想，扼杀了学生学习的能动性。然而，情境性在所有认知活动中都是根本性的。知识的意义是无法通过直接传递而实现的，而是由学习者在情境中自己主动建构起来的。当每个学生来到课堂时，就同时带来了他们生活中获得的默会知识和个体知识。正如杜威指出的，“……最好的一种教学，牢牢记住学校教材和现实生活二者相互联系的必要性，使学生养成一种态度，习惯于寻找这两方面的接触点和相互的关系。”在教学中，教师要创设有助于概念理解和问题解决的开放式环境以及学生探究、互动和社会化的实践环境，要提供与学生认知发展水平相符、有利于能力形成、有组织的课程内容以及包含着活动参与方式和现实问题的教学内容。课程内容嵌套在活动情境中，活动情境融合于课程内容，如此一来，既激发了学生的学习兴趣，又培养了学生正确的学习方法和灵活的知识迁移能力。材料科学与工程专业主动打破过去让学生按照实验指导书“照方抓药”的教学模式，积极采取以学生自主活动为基础的实践教学方法，从而实现实践教学由“以教为主”向“以学为主”的转变。针对不同实践模块采用不同的教学方法与手段，如对简单仪器的使用、操作技能的培训、验证性实验等，教师就安排学生到开放实验室随时开展实验;对综合性、设计性实验，教师一般预先提供知识范围和仪器设备，并要求学生自己查阅资料，独立设计实验方法，自主完成整个实验操作。以“材料物理化学实验”为例，考虑到在很多情况下，为提高无机材料性能和开发各种新型无机材料，需要通过无机材料固相合成反应才能得到具有优良性能或功能以及显微结构的新材料，该课程开设了“无机材料固相反应的综合设计性实验”，采取“设置问题的情境——确定问题——拟定解决问题方案——执行方案——总结与评价”等步骤，要求学生根据教师对实验的要求，联系所学的理论知识，自己选择原料，拟定配方和合成工艺，综合运用所学的各种测试手段和分析方法(如X射线分析、差热分析和微观结构的显微镜分析等)，自行完成实验的全过程。若课内时间不足，可在课外完成。通过这一综合性设计性实验环节的训练，学生加深了对材料结构与性能关系的理解，有效地提高了综合利用所学理论知识解决实际问题的能力。
四、实践平台建设：从实习场向实践共同体拓展
正如瑞典兰德大学Gustaf¨Ostberg教授指出的，“从科学观点来看，大部分材料科学家尤其是工程师从事工程工作时相对没那么复杂，但这些工程工作在其它方面有更高的要求，那就是要求学生具备比大学教育所能提供的更为宽泛的能力”;“这种能力不能仅仅依靠通过大学或职业学院或研究所的课堂教学所获取得到的材料科学与工程方面的知识，这些关键能力的主要附加要素或多或少来源于特定工业环境中的非正式教育”。学习的实质是个体参与实践，与他人、环境等相互作用的过程，是形成参与实践活动的能力、提高社会化水平的过程。校内学习具有个体化、抽象性等特点，但容易产生呆滞知识。而校外学习则具有合作性、情境化、具体性的特点，可以很好地弥补校内学习的不足。因此，材料科学与工程专业充分利用校内、校外实践教学资源，积极为学生打造实践教学平台，将课内、校内实践教学的“小课堂”延伸到课外、校外的“大课堂”，从实习场的设计向实践共同体拓展。
一方面，优化实习场的设计。实习场的设计试图通过创设基于工作的、模仿真实实践活动的学习环境，让学生通过“做中学”来实现知识的迁移。实习场既是一个虚拟世界，“相对来说没有压力、没有困惑，也无须承担真实世界里的风险”;同时也是一个集体世界，“拥有自己的各种资料、工具、语言和评鉴系统”，“展示了观察、思考和行为的特定方式”。以“陶瓷材料结构与性能综合实验”课为例，该课程安排2～3个学生为一组，实验时间为2周，要求学生在已有的陶瓷材料制造工艺理论知识的基础上，进行增强、增韧和新型原料的开发利用研究;小组成员通过查阅资料、制定实验方案及实验计划、现场实验、讨论实验结果、每天向老师提交实验进展小结，进一步了解陶瓷材料的制备工艺——结构——性能之间的相互作用规律。学生在实验课中通过与资料对话、与老师对话、与同学对话、与环境对话，实现了真正的学习：既拓展了理论知识、加深了对陶瓷工艺原理的理解，又提高了动手能力和解决问题的能力。
另一方面，构建实践共同体。实践共同体则是真正实现学习和日常社会中的工作实践融合的实践教学组织形式。材料科学与工程专业积极拓展校外实践教学资源，与广东唯美陶瓷有限公司、广东省梅州市塔牌集团有限公司、TCL集团公司、深圳市飞亚达(集团)股份有限公司、广州市珠江水泥有限公司、广州市粤秀混凝土有限公司、佛山市东鹏陶瓷公司、佛山塑料集团股份有限公司等29家大型企业签约建立了本科生“学生创新实践与就业实习基地”，同时配备稳定的实习指导教师队伍和良好的实习实践条件，从而构建起融人才培养、技术研发、学生就业等多种功能于一体的实践共同体。例如，两名学生在某陶瓷公司实践调研时发现，陶瓷粉料制备车间近年来采用了水煤浆替代柴油新技术新建成一座喷雾干燥的热烘炉，点火投产后却发现水煤浆燃烧过后会产生两个问题：一是在炉膛结渣严重，工人清渣劳动强度大;二是产生了大量的飞灰，随着高温气体喷入干燥塔内，被夹杂在干燥的陶瓷料中，影响了粉料的干燥质量。针对这个问题，他们克服种种困难，与企业技术人员一起通过对水煤浆炉现场的观察和试验，找到了问题的根源所在：一是炉体设计的水煤浆的燃烧空间不够大，二是水煤浆的内混喷枪使用的压力过大，三是炉体的结构不利于煤灰的沉降。他们通过大量的实验，提出了技术改进方案，并最终被公司采用。正是学生个体能够融入企业工程实践的共同体之中，并从旁观者转变为参与者，才能在真实的工程生产情境中提升自己的实践创新能力。
通过实践教学改革的系统、全面推进，材料科学与工程专业学生参与实践创新活动的热情高涨，每年参加“百步梯攀登计划”(校级)、“学生研究计划”(校级)、“国家大学生创新实验计划”、“广东省大学生创新实验计划”等各类学生科研项目的学生约占本专业在校生人数的15～20%。学生实践创新能力也得到明显提高：一方面在各类课外科技竞赛中取得了优秀成绩。自2003年至今，连续四届(每两年一届)均有本科生作品代表学校参加广东省、全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛，共有7件作品、28人次在比赛中获奖，其中全国三等奖1项，省级一等奖4项、三等奖2项。此外，本专业学生还获得美国大学生数学建模竞赛一等奖、第六届“挑战杯”瓮福中国大学生创业计划金奖、2010年首届全国(U30)大学生混凝土材料设计大赛二等奖、“索尼杯”全国大学生电子设计竞赛二等奖、全国“百万青年创业计划”铜奖等多个奖项。另一方面，学生认真总结自己的创新研究成果，积极在各类学术期刊上发表论文。自2003年以来，学生在《硅酸盐通报》、《物理学报》、《塑料工业》、《化纤与纺织技术》、《中国陶瓷》、《水泥》、《粉末冶金工业》、《环境科学学报》等具有重要影响力的期刊上公开发表论文310余篇。
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