新工科背景下强化实践，探索“现代表面工程与技术”课程教学新模式
摘要：论文在分析新工科对人才培养的要求及“现代表面工程与技术”课程特点的基础上，指出了传统教学模式的不足。提出优化课堂教学内容和方法，将表面技术实施的工程案例等引入课堂；特别是将现场参观、科研实验参与等多方式的实践融入教学，激发学生的学习兴趣和培养工程创新能力。并通过考评方法改革，确保强化工程实践落实的效果。
关键词：新工科人才培养，现代表面工程与技术，案例式教学模式，工程实践
1.新工科背景下对应用化学人才培养的要求
2017年2月教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，希望各地高校开展新工科的研究实践活动，深化工程教育。在教育部的文件中，新工科的主要研究内容归纳为“五个新”，其中与教师教学有关的有：高校要树立创新型、综合化、全周期工程教育“新理念”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”等[1]。
目前，以新技术、新业态、新产业为特点的新经济发展迅速，我国制造业处于转型升级关键时期，存在领军人才和大国工匠紧缺，基础制造、先进制造技术领域人才缺乏，支撑转型升级能力不强等不足。就工程人才培养而言，我国工程教育大而不强，制造业人才培养普遍与企业实际需求脱节，产业与教育融合不够深入、工程教育实践环节薄弱，学校和培训机构基础能力建设滞后[2]。与传统的工科人才相比，未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才[1，3]。
显然大学对于新工科人才培养需要探索新的教学方法、充实教学内容，促使学生在更广泛的专业交叉和融合中学习；强化学生的工程实践能力和创新能力的培养。这样培养出的新工科人才才能确保“中国制造2025”、创新驱动发展、“互联网+”等国家重大战略的实施。湖南大学化学化工学院应用化学专业（原金属腐蚀与防护专业）几十年来一直培养从事表面技术的工科人才，在当前的新经济形势下，应主动适应新工科要求，创新人才培养的新理念、新模式，提升培养质量，培养出符合国家建设需要的工程实践能力强、具有创新能力的新工科人才。
2.“現代表面工程与技术”课程的特点及传统教学模式的不足
“现代表面工程与技术”课程是应用化学专业的一门专业课，这门课讲授的很多表面技术可应用于新材料的改性和先进制造，对于培养制造业转型升级人才非常重要[4]。这门课程的特点是内容非常多、涉及的应用面很广、还有很多化学和材料的交叉知识[5-6]。具体而言，除表面科学等理论知识外，涉及的表面技术有13大类，如热喷涂、化学镀、化学转化膜技术等，每大类技术又包含几种发展中的技术。每种技术的特点、适用的工程领域、技术路线、典型设备、工艺参数、材料、性能等都不相同。涉及的材料有金属、无机、高分子、复合材料；涉及的性能有力学、摩擦磨损、耐腐蚀、功能等性能；应用的领域有：冶金、钢铁、矿山、电子电器、电力、汽车、机械等行业。
传统的教学方法基本是按表面技术的大类，逐一介绍，课堂教学以教师讲授为主，学生参与度不高。有些内容比较陈旧，如电镀技术的应用越来越受限；另外，学生很少观看过各种表面技术的实际使用的现场，因此对于所讲的知识没有感性认识，只有死记硬背，学过后就很快忘记，更难以把所学的知识灵活运用到工程实际[4-6]。这样的培养模式显然不能适应新工科人才培养的要求。
3.强化实践的课程教学新模式的思路
学生是教学的主体，教学需以学生为中心。欲提高教学效果，必须充分调动学生学习的积极性和学习的参与度[7-8]。改革的思路是从部分优化教学内容、将多方式的实践融入教学、课堂授课和考评方式改革等几个方面入手提高教学效果。
（1）课堂教学内容的优化
理清课程和各章讲授的主线，优化讲授内容。通过将表面技术的科研成果、工程应用的新进展等引入课堂教学，使学生在掌握理论知识的基础上，把握表面技术与工程发展动态，开阔视野，适应新产业的需要。
（2）将多方式的实践融入教学
将现场参观实践融入教学。带领学生有针对性地到生产现场参观学习1-2次。通过提前布置思考题、现场观察、提问等加强对工程实践的认识，训练学生将表面技术应用到工程实际的能力。
科研实验的实施。创新性学习是培养新工科人才的关键。充分利用专业课题组表面技术方向及实验室仪器设备的条件。让学生利用课余时间参观和参与课题组与表面处理相关的科研实验，提高对各种表面技术及应用的理解，并培养工程创新能力。
（3）课堂教学方法及考评制度的改革
采用案例式教学方法，充分利用多媒体等现代媒介，引导学生从多方位、多角度思考问题、课堂讨论，激发学生的学习热情和积极性。在课堂上启发学生把所学知识与工程问题联系起来，培养学生的工程观念。
成绩考评既要全面地考核学生对课堂知识的掌握程度，同时也要促使学生在平时努力并在学习中树立工程观念，能综合运用所学知识解决工程实际问题。
4.教学改革实施过程及效果
（1）课堂教学内容的优化
理清讲授主线，组织课堂内容。以各种表面技术为基本章节，对于每一种表面技术按照技术原理-特点-设备-工艺-应用的知识框架讲授。涉及具体应用案例时，以材料组成与结构-性能-制备技术-应用关系为线索。这样来组织讲课内容，逻辑非常清晰，容易突出每种表面技术的特点，还建立了材料基本研究方法。
引入新知识、新进展。结合现代表面工程与技术的发展，将比较陈旧的教学内容如电镀技术的课时压缩。把课题组涉及表面处理工程与技术的科研成果、学科发展前沿等引入课堂，提升教学效果。增加介绍热喷涂、气相沉积、电刷镀等表面处理技术的新工艺、新设备、应用领域新进展的内容。
（2）多种实践方式融入教学改革的实施
①现场参观实践融入教学的實施
现代表面工程与技术与其它理论课程的不同之处在于它不仅有丰富的理论知识，而且还具有很强的实践性。最终的教学效果不仅仅体现在学生考试成绩的高低，更重要的是学生运用所学理论知识解决实际问题的能力掌握得如何。在课前的业余时间组织学生到附近从事气相沉积的单位进行现场参观，将学生分为3-5组，每组重点参观和记录的内容各有侧重，如设备、工艺路线、质量控制、技改方向等。以参观记录的内容为基础，通过查找文献资料准备小组PPT，课堂教学时以此为典型案例进行专题讨论。学生分组讲授4-5分钟，然后同学和老师提问、讨论，通过这一比较完整的训练过程，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力以及表达能力。同时激发学生对生产实际的认识和学习的兴趣。
②科研实验的实施
本课程涉及的表面处理技术种类繁多，每一种表面技术各具其特点，而且相互独立。我充分利用课题组表面处理方向及实验室仪器设备的条件，积极给学生营造动手操作的机会。让学生利用课余时间参与课题组与表面处理相关的科研实验。学生分组参观了本课题组的铝合金硬质阳极氧化、化学镀等表面技术研究，我现场介绍硬质氧化与普通阳极氧化的性能优势、工艺要点等，解答化学镀的原理与应用前景。约有一半的学生饶有兴趣地课余参加了这两个课题的实验研究，通过亲自动手加深了对表面技术原理、设备、工艺等的掌握，课程教学质量和效果得到了提升。
（3）课堂教学方法及考评制度的改革
课堂教学方面，改变单一由老师讲授的不足。采用观看短视频、增加案例的讨论式教学等方法。下载了一些表面技术制备涂层或现场应用的短视频，一般控制在3分钟以内，增加学生的感性认识，如采用电刷镀技术在印刷线路板上镀铜、高速火焰喷涂修复炼钢轧辊等视频。
增加案例式教学。在第1次课后提前留下作业，平均每2章提出一个工程应用中的案例，学完相应章后让学生进行讨论，请2-4个同学发言，老师点评或启发同学联系所学知识分析和解决该问题。时间控制在10-15分钟。这样与简单重复的章末复习相比，学生综合运用知识解决工程实际问题的能力得到了提高。如在学习热喷涂技术时，启发学生从喷涂材料、涂层结构以及喷涂工艺、设备、实施过程等方面进行分析、考虑，提出矿山机械和耐酸泵的修复方案。在学习物理气相沉积技术时，给出一个要制备的合金膜层，让学生讨论如何分别使用真空蒸镀和溅射镀来实现等。总之，想方设法引导学生从多方位、多角度思考问题，启发学生把所学知识与工程问题联系起来，培养学生的工程观念。
考评方法是强化工程实践改革效果落实的重要保证。将考评分为三个方面：平时成绩，包括到课情况、课堂讨论表现、课后作业情况等，占总成绩的30%；实践操作成绩，包括实验报告、现场参观报告等，占总成绩的20%；期末考试成绩，占总成绩的50%，在期末考试中增加对工程实际问题进行分析、提出解决方案等主观题的比例，考查学生运用知识的能力。
经过1年的实践，学生普遍反映学习兴趣提高，对表面技术及其实际应用的理解不再抽象，觉得有收获。今后我将寻找更多、更好的案例，充分融入理论、技术、新应用，进一步提高讲课效果，为祖国培养更优秀的从事表面技术的新工科人才。
参考文献：
[1]胡波，冯辉，韩伟力，徐雷，加快新工科建设，推进工程教育改革创新——“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述，复旦教育论坛，2017， 15 （2）： 20-28
[2]阚凤云，陈彬，新工科：一场工程教育新革命？，中国科学报，（2017-03-14 第6版 动态）
[3]陈慧， 陈敏， 关于综合性大学培养新工科人才的思考与探索，高等工程教育研究， 2017 （2）： 19-23
[4]吕迎，李俊刚，王军，李慕勤，吴明忠，现代表面技术课程教学改革，中国冶金教育，2012 （4）： 26-29
[5]董志红，冯威，朱晓东，“表面工程技术”的教学改革初探，科教导刊2016（18），85-86
[6]田立辉，卢向雨，材料表面工程技术本科教学改革探索，2017， 16（3）： 217-218）
[7]张红松，陈晓鸽，地方院校表面工程技术课程教学改革探讨，郑州铁路职业技术学院学报，2014 （2）： 80-82
[8]刘薇，现代表面技术课程教学方法的改革，中国冶金教育，2009 （4）： 38-39
湖南大学校级教改项目资助。