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摘 要：前沿科学研究作为基础知识的发展方向，在创新型人才的培养中占有重要作用，因此在材料科学类课程的教学中引入前沿科学知识，将最新的科研成果带入课堂，能够极大地提升材料类课程的教学质量。从教学内容和教学方法等方面对教学模式进行改革，在理论教学中引入最新科学研究成果，更新教材中的错误内容，使得学生在课堂上学习到先进的科学知识；其次，在实践教学中引导本科生进行创新型科学实验，并且加强外协合作与国际交流，建立健全学生学习质量评估体系，激发学生的主观能动性，开拓学生的视野，培养学生的创新思维能力，为祖国培养出具有前瞻性、国际化、高质量的创新型人才。
关键词：前沿科学；材料科学；创新型人才；教学模式
本文引用格式： 翁瑶瑶，毛向阳 . 基于前沿科学的材料科学类创新型人才培养模式的探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(32):68-71.
exploration on the Cultivation Mode of Innovative Talents in Material Science Based on frontier Scientific Research
WEnG Yaoyao, MAO Xiangyang
(School of Materials Science and Engineering, nanjing Institute of Technology, nanjing Jiangsu)
Abstract: As the development direction of basic knowledge, frontier scientific research plays an important role in the cultivation of innovative talents. Therefore, introducing frontier scientific knowledge into the teaching of materials science courses and bringing the latest scientific research achievements into the classroom can greatly improve the teaching quality of materials science courses. First, reform the teaching mode from the aspects of teaching content and teaching methods, introduce the latest scientific research results into the theoretical teaching, update the wrong contents in the textbook, and enable students to learn the most valuable scientific knowledge in class. Second, guide undergraduates to carry out innovative scientific experiments in practical teaching, and strengthen foreign cooperation and international communication, establish and improve the students’ learning quality evaluation system, stimulate students’ subjective initiative, broaden students’ horizons, train high- quality innovative talents for our country.
Keywords: frontier science; material science; innovative talent; teaching model
一 引言
材料科学作为新工科发展的先行基础学科，涵盖了材料学、金属材料学、功能材料学、焊接科学、力学等多方面的内容，涉及到材料科学基础、材料的热处理工艺、工程制图、金属的物理性能等多方面的课程，是培养我国工科型人才的重要学科，承载着国家工业发展的先进动力。材料科学类人才作为国之重器，在中国科技进步和经济提升中占据着举足轻重的作用 [1-3]。随着科学技术的日益发展，国家对于具有创新性、高质量、国际化的材料科学类人才的需求越来越多，因此培养出新一代材料科学类人才至关重要。国家提出以突出培养造就创新型科技人才为目标，努力造就一批世界水平的科学家、工程师和高水平创新团队 [4-5]。科学研究作为现阶段前沿科学发展的主要途径，在材料学科发展和国家新工科建设中都起着重要作用。高等学校作为国家人才储备的重要基地，加大自身对科研的投入、提升自身的科研创新能力已经成为其发展的重要战略趋势 [6-8]。
在高等教育中，科研与教学相结合的培养模式具有悠久的历史，早在十九世纪初，德国教育学家、柏林大学的创始人洪堡就提出来“教学与科研相统一”的原则。科学研究是发展基础理论和探索科技前沿的有效途径，是创新型人才培养的重要模式。实时地将前沿科学引入到教学中，能够不断丰富教学内容，逐渐形成教学科研有机结合的创新人才培养模式 [9-11]。 因此，探索一种基于前沿科学的培养材料科学类本科生创新能力的新途径至关重要。现阶段，材料科学类课程与前沿科学相结合的教学模式仍不成熟，在实施的过程中仍存在诸多问题。首先， 在材料科学课程的理论与实践教学中缺乏前沿科学知识，现有教材中的知识较老旧；其次，学校的科研平台及实验设备缺失，无法实现本科教学全员参与科学研究；最后，师资队伍不足也是影响前沿科学进入教学的一大阻力。在材料科学高速发展的今天，将科学前沿与传统知识融合学习，增加教学的层次性，激发学生的学习兴趣和动力，创新教学模式、改革教学理念、更新教学内容，是决定教学效果的关键内容。
二 材料科学类本科生科研的整体形势
基于国家定位本科生培养的基本目标，即较扎实地掌握本门学科的基础理论、专门知识和基本技能，并具有从事科学研究工作或担负专门技术工作初步能力的高级人才，这就要求高校在培养本科生时以教授基础专业知识为主，以开展科学研究为辅。因此，现阶段大部分高校中本科生仍以学习基础专业知识为主要内容，前沿科学研究在本科生的培养中占比不大。材料科学作为工科专业的基础，其前沿的科学研究以实验为主，这为本科生参与科学研究提供了大量的机会。近年来，已有部分高校认识到前沿科学研究在本科生教育中的重要作用，大力鼓励本科生在时间和精力允许的情况下进行相当的科学研究，推进本科生在科学研究中的参与程度， 比如鼓励学生们参加大学生创新创业项目、教师的科研项目以及参与研究生的科学实验等 [12]。现如今有越来越多的本科生以第一作者发表科研论文和发明专利，说明科学研究在本科教学中已逐步渗透 [13]。促进前沿科学在本科生教育中的应用，提高本科生的创新能力和思维能力，探索新型的创新型人才培养模式仍然是现阶段材料科学领域的重要战略任务。
三 前沿科学在材料科学类高等教育中存在的问题
（一） 理论与实践教学中缺乏前沿科学
随着材料科学的迅猛发展，新材料、新工艺、新理论层出不穷，然而现阶段高校的教学内容较陈旧，相关概念存在错误，与最新的前沿科学相脱节，如果按照现有教材教授学生，则会误导学生，无法传授给其最新的科研成果。例如在《材料分析方法》课程里“透射电子显微镜”这一章节中，讲到透射电镜由成像模式向衍射模式转变的方法是调节中间镜的位置，然而这一方法是早期电镜刚问世时的方法， 而现如今电镜早已更新换代，电镜的成像原理也发生变化，但是课本中却没有相应更新。此外，教科书中的参考文献较老旧，没有引用最新发表的期刊论文，无法覆盖前沿科学中的新发现，具有狭隘性和局限性。
为了培养工科专业学生的实践动手能力，除了理论课程教学之外，高校大力发展实践课程，期望在实践中加深同学们对知识点的掌握，因此高校中多数实践课程为理论课程的辅助，主要涉及关于基础概念和基本理论的实验，旨在帮助学生们理解理论课程中晦涩难懂的概念和原理。例如碳钢的微观组织观察实验用于加深学生对铁碳相图的理解；金属材料的热处理实验是为了让同学们更深刻地了解合金的固态相变过程，包括碳钢的相变过程和铝合金的析出强化过程等。而这些相关实践课程缺乏知识点的科学创新，容易忽视对学生创新能力以及主观能动性的培养，无法深刻地启发学生进行科学探索。
（二） 科研平台及实验设备的缺失
虽然国家对高校科研方面的投入在逐年显著增加，但是由于国内的资源分配模式的特点和资源的集中， 科研资助的大部分主要集中在高水平的全国名校中，而对于普通的高等院校，仍然存在科研平台和相关实验设备缺失的问题，导致校内的师生，尤其是本科生们，没有机会接触到先进的科研平台和高端的实验设备， 使得本科生无法参与到相关科学研究和实验当中。另外，在高水平院校中，也存在科研设备集中的问题， 设备的使用权限集中在某一学院或者某些课题组里，使得其他学院或课题组使用设备较困难，也会造成实验设备确实的问题。俗话说“巧妇难为无米之炊”，在科研平台及实验设备短缺的情况下，学生们很难开展相关科学研究。
（三） 师资短缺及评估标准不足
虽然现阶段每年都有很多博士毕业，高水平院校的师资力量也日渐雄厚，但就普通高校而言，大部分教师的学历层次还不够高，师资力量还不够充实， 高水平的教授数量较少，优秀青年学者、长江学者、院士等高层次科研大家非常缺失，大多数教师对于科研的理解还不够深入， 关于前沿科学研究的创新和实验设备的运用较欠缺，仍旧缺乏具有高学历、高创新性和高教学水平的师资力量。此外，学校的评估标准也存在缺陷，传统的理论课程评估方式主要为考试成绩、平时表现和随堂作业等，没有量化参与前沿科学研究所占成绩比重，难以调动学生的积极性去自主参与科学研究，无法提高学生主动发现问题和解决问题的创新能力。
四 基于前沿科学的创新型人才培养新模式
（一） 基于前沿科学的创新教学模式
材料科学类课程由于其内容繁多、难度较大， 传统的教学理念和教学方法已经难以满足现阶段培养创新型人才的需求，急需进行新教学模式的探索。为了使教学内容跟上时代步伐，将前沿科学研究引入到专业教学中刻不容缓，做到科研结果进课堂来培养学生的创新思维能力尤为重要。以《材料科学基础》这门课程为例，在讲解“材料的结构” 这一章节时，引入现阶段高水平论文中发表的关于纳米析出相的原子结构的相关内容，使得同学们更深刻地认识各种单胞的原子结构、空间群、晶胞常数等知识。此外，还可以采用先进的原子模拟软件Materials studio 和 VESTA 等进行三维建模并制作动画，立体地为同学们呈现单胞或者超胞的原子结构， 加深对知识的理解，激发学生的学习兴趣和调动学生的学习积极性。在“固态相变 - 沉淀强化”这一章节中，引入可热处理强化的铝合金和镁合金的相关最新文献，使得同学们深入理解这一概念的原理和应用，引发学生创新性思考和积极发现前沿科学中所存在的问题。
高等学校中传统的实践课程以基础理论的验证为主，探索性的实验则相对较少。为了进一步培养创新型人才，促进学生自主创新学习的能力，在高校的实践课程中应当创建开放性实验，引导学生自主发现教学过程中存在的科学问题，鼓励学生进行科学实验研究。在实践教学中引入前沿科学研究中的热点问题，有助于开拓同学们的眼界和思维能力， 引导学生独立思考和解决前沿问题。另外，对本科生的实践教学进行导师制管理，为学生配备独立的导师，由导师带领学生进行科学实验，鼓励本科生们参与导师的科研项目，深入接触科学研究。以研究前沿科学问题为中心，不局限于课本中的教学内容，更加注重实验过程和数据分析过程，引导学生多方面认识问题，使得学生将所学的知识创造性地运用到科学研究中，这一模式更有利于培养学生的科学思维和创新能力。
（二） 增强外协合作与国际交流
科技的快速发展使得研究手段更加高端，深入的科学观察对于高校的科研平台提出了更高的要求。在对本科生的培养中，认识并理解材料的各种分析手段有助于提高学生解决问题的能力，促进学生自主思考能力。然而就材料科学而言，部分实验设备价格昂贵，如透射电子显微镜、球差矫正扫描透射电子显微镜、三维原子探针等，大多数高校无法负担其高昂的价格和维修费用。虽然在科学研究中， 有些研究需要用到上述所提到的高端设备，但需求量并不大，多数实验还是以基础实验为主，因此若每个高校都购入这些高端设备，不仅高校自身实力不允许，而且会造成严重的资源浪费，无法最大限度地实现高端设备的价值。这时除了加强自身设备平台的建设之外，增强外协合作交流就显得尤为重要。例如在讲授《材料测试分析方法》这门课程时， 相关院校负责人可以联系外协单位进行合作，让学生能够实物观察并操作相关设备，加深学生对于实验设备的理解。
创新型人才的培养不仅要求学生具有解决问题的能力，还需要学生具有开拓的视野、创新的思维。前瞻性的培养依赖于学生自主地研读最新发表的文献，还需要跟科研大牛们深入交流，这就要求高校负责人能够有意识地多去邀请科研大家来学校开展主题讲座，为同学们讲解相关研究领域的前沿知识， 激发学生挖掘科学前沿问题的动力，提高学生的创新积极性。在经济全球化的现代，知识无国界，我们要加强国际合作交流，积极参加国际会议与学术探讨，汲取国外领先的科学技术和先进的科研知识。
（三） 完善师资队伍及健全学生学习质量评估体系
在师资队伍的完善方面，各大高校都提出丰厚的引进策略来吸引人才，学校的师资队伍也愈加充实。此外，创新性人才的培养除了在教学内容方面的改革外，还需要加强教学方式的创新，量化科学研究在学生评价中的比重，健全学习质量评估体系， 提高学生学习的主观能动性。首先在每章节内容结束的时候，鼓励和引导学生找出教材中错误或者不完善地方，并给出解决方案，给能够找出的同学更高的平时成绩，激发学生的学习积极性。并且，鼓励学生按照章节内容，选择感兴趣的知识点检索最新的科研成果并进行整理汇总，以论文的形式进行提交，老师对每位同学的论文进行打分并作为最终成绩的组成部分。老师可以选取优秀的论文，让学生制作相关演示文稿，以演讲的形式将自己总结论文分享给同学们，这样不仅让学生们都参与到教学内容的更新中，还可以体会到关注科研动态的乐趣和意义，培养自己的科研创新思维。基于前沿科学的创新型人才培养新模式概括如图 1 所示。
图 1 基于前沿科学研究的创新型材料科学类人才培养新模式
将最新的前沿科学知识引入到材料科学类课程的教学当中，是对现有课本知识的补充和扩展，改革教学内容和教学方法，能够使学生更好地理解和掌握基本知识及前沿科学，加深学生对于抽象概念的理解，同时提高学生的主观能动性和科学创新思维，为祖国培养材料科学类创新型人才。
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