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摘要：为主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部正积极推进新工科建设，对材料学科专业人才的培养提出了全新的要求，包括从业者信息技术的水平、多学科交叉融合的背景以及创新能力的需求。为适应新工科时代背景的需求，需要对材料类专业学生核心专业课程《材料科学基础》的课程教学进行改革，探索新形势下的教学方法与培养模式。
关键词：新工科；材料类专业；需求导向；材料科学基础
本文引用格式：唐延川,等.新工科背景下的《材料科学基础》课程教学的思考与探索[J].教育现代化,2019,6(82):80-82.
为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等一系列国家战略。2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。新工科可理解为新兴的学科及产业，其一是指对应新兴产业的学科交叉性强、综合性宽口径的新专业（譬如人工智能、云计算、智能制造等）；其二是指在传统工科专业的基础之上融合新兴的科技（譬如3D打印制造等）。新工科的时代背景对材料学科专业人才的培养提出了全新的要求，而《材料科学基础》作为材料类专业学生最重要的专业基础课，亟需对其课程教学模式进行改革，以适应新时代发展的需求。
一 新工科背景对材料学科人才的培养需求
（一）信息化时代的需求
材料发现和使用的历史贯穿了人类的整个发展史，材料的每一次进步都使人类步入一个新的时代[1]。作为四大文明古国之一，中国早在秦朝就出现了在宝剑表面利用铬盐氧化镀铬的技术，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺[2]。虽然中国在近现代及建国时期的钢铁材料水平远远落后于欧美国家的水平，但时至今日，在众多科技工作者的共同努力下，中国的钢铁材料、有色金属材料等材料行业的水平也逐渐跟上了欧美发达国家的步伐。
在以往的材料研究与开发过程中，“尝试法”是一种重要的研究方法。在理论知识系统尚不完备、计算设计条件尚不成熟的情况下，通过对材料成分及制备工艺进行多次试验尝试，可以获得材料最优的成分配比以及加工制备工艺，但其缺点在于需要耗费大量的人力、物力、财力以及时间。随着人类迈入信息化时代，计算机以及数据传输技术获得了飞跃式的发展，这也使得材料科技工作者可以借助信息化的辅助手段，从材料设计的角度出发，高效率地研发新材料。其中最为显著的一个例子就是“材料基因组计划”的启动，高效的跨尺度材料计算软件以及高通量实验方法大幅缩短了新材料的研发周期，降低了研发成本[3]。此外，伴随着工业4.0时代的到来,信息化技术与制造业全面融合。通过物联信息系统实现了智能化的制造，数据化的销售，快速、有效、个性化的产品供应[4-6]。这也对制造行业技术人员提出了信息技术水平提出了更高的要求。
简而言之，全新的信息化时代给材料科技工作者带来了巨大的机遇和挑战，如果不能充分的抓住机遇、正面迎接挑战，必将落后于整个时代，又跌落到关键核心材料受制于欧美发达国家的不利局面。
（二）多学科交叉的需求
信息技术的发展使得知识能够在全球范围内快速的传播，导致了科技的爆炸式发展。纵观近几十年内重大的科学技术突破，其大多数发生在不同学科之间的交叉领域。不管是核能发电技术，还是自动驾驶技术，都离不开多学科科技工作者间的协作[7-9]。而多学科间协作的基础是科技工作者本身多学科交叉的知识背景，尤其是在材料学科领域，这点尤为突出。材料科学与物理学的交叉融合催生了材料物理专业，其重点围绕信息材料与器件、新能源材料与器件、微纳结构制备与器件等研究方向[10]。材料与化学的交叉产生了材料化学专业，其研究方向包括功能高分子材料、绿色催化材料、材料与环境的交互作用、材料资源化处理技术等。材料科学与机械加工成形相结合，产生了材料成型及控制工程专业，其主要包括新材料制备与加工、材料成形过程控制与模拟、材料成形理论及质量控制等研究方向。由此可见，材料科学的发展离不开多学科的交叉融合。
而材料科技工作者在实际工作的过程中，更是离不开其他学科人员的协助与支持。以中国现今着力发展的航空航天领域为例，国产大飞机的设计制造是一个极其复杂的过程，材料科技工作者在其中扮演着举足轻重的地位，但铝锂合金、高强钛合金、镍基单晶高温合金、碳纤维复合材料等一系列先进材料的性能指标制定依据都依赖于流体动力学的模拟仿真计算数据、风洞实验结果、飞行器总体结构设计与强度分析等多学科的数据结果累积[11]。而最新的飞机零部件3D打印技术更是直接要求科技人员同时具备材料科学、光学以及机械制造技术等多学科的背景知识。因此，在现今这个科技大爆炸的时代，对材料科技工作者的学科背景知识提出了更高的要求，只有做到以材料科学为主、多学科交叉融合才能更好地适应时代的需求。
（三）创新型人才的需求
2012年前后是中国劳动力的拐点，中国的劳动力供给开始出现净减少，同时伴随着人口老龄化趋势带来的养老压力上升，使得传统低端制造业的劳动力供给不足。此外，中国经济的发展在提高了人们生活水平的同时也推高了劳动力成本。以上种种因素要求中国必须完成经济支撑产业的转型，从劳动密集型产业转到技术密集型。而技术密集型产业的发展依赖于科技的创新，需要大量的创新型人才。
不管是传统的黑色、有色金属产业还是快速发展中的新材料产业，都十分强调自主创新特别是原始创新能力。原始科技创新是材料产业发展的驱动力，只有企业手中拥有过硬的材料生产制备技术时，才能避免受制于人的局面。现今材料产业的高新技术专利大多被欧美发达国家的企业垄断，中国的材料行业水平虽然逐渐跟上了发达国家的步伐，但高品质特殊钢、超高强度碳纤维/碳化硅纤维、高端工程塑料等高精尖材料生产技术仍然掌握在日本新日铁、日本东丽、美国杜邦等发达国家企业手中[12]。中国亟需一大批创新型技术人才来填补国内材料产业技术的空缺，推动中国材料产业的发展，为实现中华民族伟大复兴的中国梦添砖加瓦。
二 契合新工科背景的课程教学模式探索
针对新工科背景的需求，《材料科学基础》课程在教学理念上要进行改革，探索新的教学模式。要增加信息化的教学手段，努力拓宽学生的知识体系，改革教学实践环节增加学生创新能力，从而适应新工科发展的要求。
（一）丰富教学手段
华东交通大学高度重视数字化校园建设，构建了信息化的智慧课堂，上线了大批精品课程、视频公开课以及教辅资源，极大的丰富了学生获取知识的渠道。与此同时，学校正积极搭建材料加工虚拟仿真实验室，目标是使学生多角度、全方位的了解材料的加工过程。通过借助虚拟仿真实验室，可以让学生将《材料科学基础》中的理论知识与材料加工制备的实际过程有机衔接，提高学生对基础理论知识的综合利用能力[13]。
材料科学与工程作为工科专业，学生培养计划中设有《计算机基础》、《微机原理及应用》、《程序设计基础》等计算机科学相关课程。但这些课程更多的是给学生提供背景知识，与材料专业学生的专业课结合较少。若能通过将现代化的数值模拟分析软件引入《材料科学基础》课程教学，以铸造、塑性加工、热处理等实际材料工程应用数值模拟分析结果为教学案例，可帮助学生更好地理解材料成分、组织、加工与性能四者之间的关系，同时培养学生借助现代化信息技术解决材料科学问题的习惯。此外，还可将《程序设计基础》与《材料科学基础》中涉及材料显微组织演变的知识点相结合，借助Fortan等编程软件，在现有程序的基础上进行修改，观察不同热力学、动力学条件下获得的显微组织形貌，这将有助于学生深刻理解材料再结晶、固态转变等显微组织演变相关知识点，同时让学生初步了解计算材料学的内容。
（二）拓宽知识体系
学生知识体系的拓展依赖于多学科交叉融合的课程教学，课堂内容不能仅限于本专业的知识内容，需要带领学生用更加广阔的视野去探索更大范围的知识，从更高的视角当中去重新审视所学的知识[14]。
针对《材料科学基础》的课程教学，可从两个方面来拓宽学生的知识体系。首先，从教师自身来说，应更多地结合学校的办学特色以及地方的行业特色。以华东交通大学为例，学校是一所以交通为特色、轨道为核心的大学；而江西省本身有着丰富的有色金属矿产资源，有色金属冶炼及加工行业较为发达。因此，教师可在课程教学的过程中多注意将高速列车系统关键材料（如受电弓滑板、铜接触导线、铝合金制动盘等）与材料科学基础的专业知识衔接起来，引导学生从高速列车服役安全性的角度去理解材料显微组织与服役性能之间的关系。其次，从学生角度来说，应加强自身的主观能动性，有效地借助网络资源、学校数据库资源、学校在线课程资源等多种辅助手段，来拓宽自己的视野，充实自己的知识背景，将不同学科的相关知识背景与《材料科学基础》的知识内容融会贯通，努力使自己成为具有多学科交叉背景的材料科学人才。
（三）改革实践环节
实践环节的教学是培养学生创新能力的主要渠道，而受“重知识、轻实践”等传统教学理念的影响，以及实践教学条件的限制，许多高校实验课程的教学大多以验证型的实验为主，且以教师的讲解和示范为主，缺乏对学生分析问题的综合能力的锻炼。
材料科学是一门以实验为基础的科学，实践环节在材料类专业的学生培养过程中占有举足轻重的地位。为适应新工科背景的需要，必须构建创新、系统、开放“三位一体”的实践教学体系。首先，《材料科学基础》的实践教学环节必须从培养学生的创新能力出发，将现有的以验证型实验为主的教学体系改变为以设计型实验为主的教学体系。例如在金属材料及热处理实验过程中，以实际工业产品零件要求的性能指标为实验目标，不指定热处理工艺路线、热处理设备、材料显微组织等具体内容，充分锻炼学生对专业知识的综合运用能力以及创新能力。其次，必须构建系统的《材料科学基础》实践环节。《材料科学基础》课程的各个章节逻辑关系联系紧密，前后各部分内容互为基础、不可割裂。因此，必须开设一个或多个综合性的实验，充分锻炼学生从全局角度出发的综合设计能力，帮助学生建立系统的材料科学知识体系。最后，对于新工科背景下的材料专业学生，依赖于课程教学学时范围的实践教学内容是远远不够的，必须增加额外的实践学习机会，这就需要依靠学校教学科研实验室资源的充分共享。华东交通大学材料科学与工程学院引入了本科生科技创新小组的机制，学院的教学实验室以及科研团队的科研实验室对加入了科技创新小组的本科生充分开放，同时选取相关专业教师对学生进行专业辅导，充分激发了学生的创新意识。
三 结语
新工科的时代背景对材料学科专业人才的培养提出了新的要求，包括信息化、多学科交叉以及创新能力等。而现阶段的《材料科学基础》课程教学与新工科的要求相去甚远，必须从教学手段、教学内容、实践过程等各个方面进行全方位的改革创新，以解决新工科背景下的实际需求与现阶段课程教学体系之间的矛盾，从而培养出符合时代需求的新型材料学科专业人才，以支撑国家产业经济转型与发展，抢占世界创新中心和人才高地，赢得全球工程领域的竞争力。
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