材料科学与工程专业人才培养方案的综合改革与实践.docx
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材料科学与工程专业人才培养方案的综合改革与实践
世行贷款21世纪初高等理工科教育教学改革项目
“材料科学与工程专业人才培养方案的综合改革与实践”
项目实践报告
自1999年材料科学与工程专业人才培养方案开始在试点班实施以来，已有4届12个班完整执行了新课程体系，10个班执行了部分课程，300多名学生参与本项目的课程体系实践。
一、进行了多层次办学模式探讨
●进行一级学科专业办学模式探讨
材料学院在材料科学与工程专业试点班进行一级学科专业办学模式探讨，目前已形成一整套切实可行的一级学科专业办学模式实施方案。
与二级学科专业培养方案相比，一级学科专业办学模式中课程体系的设置更注重大材料学科基础的强化，强调对理工结合关系、宏观与微观关系、共性与个性关系的考虑，同时注意到交叉学科多样性的特点。
该培养计划中课程体系由公共基础课、学科基础课、专业课和选修课等四级知识平台构成，取消了专业方向模块。
●实施学硕连读“3.5+2.5”制人才培养模式
截止2001年，材料科学与工程专业学硕班已实施招收计划5年。
通过对教学计划、教学大纲、教学保障体系、教学管理模式等系列改革，学硕连读班的“3.5+2.5”人才培养模式已形成。
其培养方案在充分体现一级学科专业办学思路的同时，注重不同培养阶段中目标和要求的侧重和协调。
在本科阶段课程设置上，注重基础理论，拓宽专业面；在硕士阶段培养计划上，强调在专业方向上的发展，并注意与现行的材料类专业硕士培养方案的衔接。
本科-硕士之间通过第七学期的双向选择后实现过渡。
学硕连读班实行选拔-淘汰动态管理模式。
该选拔-淘汰是在学硕连读班的前三年中进行，每学年实施一次，为选拔优秀的人才进入学硕班提供了途径；选拔和淘汰在材料科学与工程专业中进行，确保了选拔上来的学生和淘汰下去的学生学习的连贯性。
尽管2003年起，该办学模式已未在运行，但从中积累的改革经验非常宝贵。
●国际合作“2+2”办学模式的探讨
我国加入WTO后，教育国际化趋势愈加明显，如何增强学校及培养学生参与国际竞争的能力是我们面临的问题，探讨国际合作办学之路，是解决此问题的最有效途径。
在学校大力支持下，2002年4月材料学院与澳大利亚Monash大学工程学院签署了材料科学与工程专业本科生“2+2”合作办学协议，即前两年在国内进行学科基础课、专业基础课学习，后两年在澳大利亚进行专业课学习。
完成学业后，学生可同时获得由澳大利亚工程师协会认可的Monash大学的材料工程学士学位和中国国家教育部认可的武汉理工大学的工学学士学位。
根据协议，该班已于2002年开始招生，目前有三届在校生，2002级学生正在办理出国手续。
“2+2”国际班教学培养方案不仅注重强化英语能力的培养，而且注重将我校材料类专业教学计划与Monash大学教学计划相互衔接，整体实现“2+2”教学计划的优化。
二、课程体系的改革
由于材料学科的研究内容和领域处于不断发展之中，学科体系尚未形成清晰的脉络，原金属材料、无机非金属材料、复合材料、高分子材料等专业原所属行业不同，对材料科学与工程专业学科基础课、专业基础课的设置及课程内容的组织方面，都有很大的差距。
因此如何推进课程内容改革，科学地界定各课程的学科范围，正确处理课程之间的横向与纵向关系，使其成为一个科学的整体，成为影响教学改革效果的关键点及难点。
为此，我们在以下几个方面开展了工作：
1、提高学科基础课涵盖面
“材料科学基础”课程，是在原来《金属材料学》、《无机材料物理化学》二级学科课程的基础上组建材料科学基础一级学科课程。
其从材料组成、结构、性质之间的关系及变化规律。
课程在介绍基础材料的同时，重点突出新材料，诸如梯度材料、生物材料、能源转化材料等功能材料以及高温材料。
“材料工程基础”课程，在原“流体力学”、“热工基础与设备”、“工程研究方法”基础上拓宽，是以培养学生具有较扎实的工程理论基础和分析解决工程问题的基本能力为教学目的而设置。
该课程内容覆盖面较宽，它不仅介绍了工程流体力学、传热学、燃料与燃烧理论、工程测试研究方法等基本理论知识，还使学生了解到材料生产过程中存在的工程研究问题及解决问题的方法。
授课过程中通过大量研究实例，使学生在学习处理工程问题方法的同时，认识所学知识的应用背景，开拓视野，提高兴趣。
2、实现理论课与实践环节的合理分离与有机结合
对某些理论课程进行理论教学与实验教学的合理分离。
对“材料研究方法与测试技术”课程，单独设立“测试技术实验”，增加学生上机操作机会；对原附属于“热工基础与设备”、“粉体工程”的课程实验，分离出来，与流体力学、传热学、燃烧实验共同组成“材料工程基础实验”（粉热流综合实验），以培养提高学生的动手能力和综合分析问题能力。
配合“材料科学基础”、“材料工艺与设备”、“无机非金属材料工学”等理论课，设立“材料合成与加工实验”、“材料性能测试实验”，使其与理论课有机结合起来，再现理论课中的基本原理，使学生对材料制备过程的原理、方法、材料性能的表征等有一个直观的认识。
把“材料合成与加工实验”、“材料性能实验”与毕业实习、毕业论文结合起来，使学生了解实验条件下材料制备和实际工厂材料生产过程的联系与区别，并在毕业论文环节中得到充分运用。
表1是课程体系改革前后相关课程内容的比较。
由表1可以看出，通过课程体系的改革、特别是理论教学环节与实验教学环节的合理分离与有机结合，理论教学课程的门数减少了，但课程的内容得到凝练，教学的重点更加突出。
同时，实验教学课程的门数大大增加。
实验教学与相关理论教学在内容上紧密结合，成为理论课程教学内容的自然延伸和必要补充，使学生能够更好的认识、理解和把握理论课程中学到的基础理论和基本知识。
表1课程体系改革前后相关课程内容的比较
课程体系改革前
课程体系改革后
理论课程
实验课程
理论课程
实验课程
材料研究方法与测试技术（有实验）
近代测试技术
测试技术实验
热工基础与设备（有实验）
材料工程基础
材料工程基础实验
粉体工程（有实验）
电工电子技术
电工电子实习
电工电子技术（有实验）
材料工艺与设备
材料合成与加工实验
材料科学基础（有实验）
材料科学基础
材料科学基础实验
材料工艺与设备
材料性能测试实验
无机非金属材料工学
3、增设各平台选修课，拓宽专业知识面
在公共基础课平台开设“经济管理法律类”、“文史哲与艺术类”等课程，要求选修8学分；在学科基础课平台开设“材料与环境”、“机电一体化”、“能源概论”、“生命科学导论”等课程，要求选修2学分；在专业课平台开设“纳米材料概论”、“薄膜材料与技术”近20门课程，要求选修8-10学分。
使学生可以根据其兴趣面，自主选择相关课程，而且这些课程反映了材料及其相关领域的最新发展状况，从而达到拓宽专业知识面的目的。
课程体系改革前后开设选修课程的对比见表2。
由表2可以看到，课程体系改革后不仅开设选修棵的数量大幅度增加，而且选修棵的配置更加合理，涉及到所有层次的课程平台。
需要指出的是，在专业选修课平台开设的选修棵包含了现有的金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各大类材料的知识，还涉及到了功能材料、纳米科学与技术、表面与界面科学、光电子材料等材料科学前沿发展方向的内容，这有利于开拓学生的视野，为学生选择专业发展方向提供帮助。
表2课程体系改革前后开设选修课程的情况
课程平台
课程内容改革前
课程内容改革后
课程名称
学分
课程名称
学分
公共基础课平台的选修课
美学与艺术类
２
文史哲与艺术类
要求选修8学分
文学与文化类
２
经济管理法律类
社会科学类
２
自然学科与工程技术类
专业选修课
平台
无机材料性能
２
金属材料学
２
计算机工程应用
２
金属热处理及工艺
２
特种水泥
２
金属焊接性基础
２
特种玻璃
２
高分子材料学
２
新型装饰材料
２
功能高分子
２
特种陶瓷
２
聚合物加工原理应用
２
复合材料学
２
无机非金属工学
２
生物材料
２
现代功能材料
２
精细陶瓷与工艺
２
薄膜材料与技术
２
凝胶材料化学
２
固体表面与界面
２
固体激光技术
２
电子陶瓷与器件
2
纳米材料学
2
光电子材料及应用
2
表面工程新技术
2
粉体表面改性
2
表面化学与多相催化
2
跨学科选修课平台
机电一体化进展
2
仪表及自动化
2
能源科学概论
2
材料与环境科学概论
2
工业设计基本基础
2
生命科学
2
4、进行重点课程的课堂教学内容的改革与实践
本项目重点进行了学科基础课“材料科学基础”、“材料工程基础”、“材料概论”等主要基础课的改革与实践，获得较好效果。
“材料科学基础”课程，教学方法改革推出新举措。
在教学过程中，积极引导学生走上讲台，变被动学习为主动学习，不仅培养了学生独立获取知识的能力，而且使学生真正了解了专业，树立了热爱专业的思想。
使学生对专业的认识实现了“从前途一片灰暗到前途一片光明”的转变，改革效果在武汉理工大学校报、材院通讯、材料学院网站的报道。
在教学手段上，积极推进多媒体教学建设，率先进行多媒体教学探索，全面拉动其他课程教学手段的改革，为教学辅导、答疑网络化奠定基础。
该课程2002年被列为湖北省优质建设课程，2003年被列为湖北省精品课程。
“材料工程基础“课程，根据学科特点，充分考虑作为材料科学与工程专业的技术人才所需要的基本理论知识和所应具有的基本工程能力，在体现专业特色的同时，拓宽教学内容。
课程教学内容主要分为基本理论、工程研究方法、工程应用三部分。
基础理论部分涵盖无机非金属材料工程和金属材料工程所涉及的流体力学、传热学、工程研究方法等内容。
与传统教学相比，课堂教学的信息量有较大幅度的提高。
为避免旧课程体系中不必要的重复和相关知识的割裂，在课堂教学过程中，使各部分内容相互穿插、融合，有机地成为一体，在教学内容上体现其联贯性和完整性。
为了加强工程能力的培养，在教学内容上，设置了工程研究方法和工程测试技术两大块内容，使学生具有科学研究的思想和能力。
在教学中，我们采取灵活多样的教学方法，一是科学地安排课内外学时比例，给学生更多的自主学习和独立思考的空间，在课堂教学中，突出重点，精讲多练，对基本知识体系讲深讲透，并结合启发思维，增加讨论。
二是推行启发式、讨论式和研究式教学方式，通过安排部分内容自学、阅读一些必要的参考书、撰写小论文等形式，开阔学生的视野，引导学生提出问题，独立思考，探索未知。
尽管“材料工程基础”课程仅在材料科学与工程试点班开设三年，但2003年被列为学校优质建设课程，2004年被评为学校精品课程，并按计划在2003级材料科学与工程专业9个班全面推行。
“材料概论“课程，有机整合了远“材料导论”、“专业英语”、“文献检索”等3门课程的内容，采用英文教材、双语教学模式、主要向学生讲授材料与文明的关系、材料与工程的关系、材料的组成、制备工艺、结构与材料性能的关系、材料的基本种类及其应用等方面的基本知识。
通过该课程的学习，使学生了解有关材料的基本知识，掌握科技英语的常用语法、词法和修辞方法，培养运用英文阅读专业文献的能力，为学习后续基础理论课和专业课打下基础。
课程采用闭卷及专题小论文相结合的考核方式。
经过两年尝试后，该课程自2002年9月开始在2000级材料科学与工程专业11个班全面推行。
“计算机在材料科学与工程中的应用”课程，立足“材料科学与工程”大专业，加强学生对基础知识、基本方法的掌握，重在应用。
既考虑材料专业各研究方向的共性又兼顾材料科学研究领域的广泛性和多学科的相互渗透性给计算机在材料科学中的应用带来的复杂性和特殊性，加强解决实际问题能力的培养。
让学生通过本课程的学习，了解怎样将计算机技术用于解决材料科学与工程领域中的实际问题，并使之能初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去，培养学生的动手能力。
课程还介绍计算机技术在材料领域取得的最新成果和最新动向，通过介绍计算机技术这一强有力的工具在材料学科的应用，极大地促进了材料科学研究的深入发展，积极培养和引导学生的创新意识。
该课程教材已于2004年由武汉工业大学出版社出版。
该课程2003年也被列为学校优质建设课程，2004年参加学校精品课程评比。
三、教材建设
在对课程体系和教学内容进行改革和优化后，原有的教材不能适应新的培养计划的要求，一些课程没有合适的教材成为材料科学与工程专业教学活动教材中存在的突出问题，教材建设就成为材料科学与工程专业建设与改革中的紧迫问题。
在学校的大力支持下，本项目成员积极申报教育部招标的“十五”重点教材，《材料学》、《材料概论》、《材料物理》等课程的教材建设被列入“十五”国家教材建设规划，将分别由高等教育出版社、武汉理工大学出版社等出版社出版。
配合本项目实施，结合国家“十五”教材建设规划，我校出版社在2001年材料科学与工程教学指导委员会南京会议之前，根据以下原则确定了一批重点建设的教材：
一是多校合作组织编写系列教材，使该系列教材不但可以满足大多数学校的专业教学要求，还具有一定的导向作用，给更多的学校作为课程设置与教学的参考；二是本系列教材的专业定位为面向材料科学与工程（一级学科）的“大材料”，以拓宽专业面的指导思想来编写教材，使该套系列教材的编写和出版具有体系新颖、结构合理、内容权威、知识最新的特色。
在系列教材编写出版的基础上，再考虑扩展二级学科的专业方向课程及二级学科以下的方向选修课程，制定并启动了《材料学》、《材料概论》、《材料物理》、《材料科学基础》、《材料工程基础》、《计算机在材料科学中的应用》、《材料科学研究与测试方法》、《材料工程研究与测试方法》、《材料物理性能》、《材料化学》、《材料力学性能》、《粉体工程》等14门材料科学与工程系列教材出版计划。
其中，《计算机在材料与工程的应用》、《材料科学基础》、《材料物理》等教材已由武汉理工大学出版社出版发行，并在材料科学与工程专业、材料物理专业、材料化学专业得到广泛应用，《材料科学基础》成为国家精品教材建设项目。
同时，我校还制订了本校的教材建设规划，已有一些自编教材陆续推出。
为了推行双语教学，项目执行单位组织教师编写了《材料概论》课程的英文教材，目前《材料概论》校内教材已连续使用4届，为双语教学推广积累了经验。
在材料合成与加工、材料性能测试实验教学实践的基础上，组织教师编写了材料合成与加工、材料性能测试实验讲义，目前编写工作已基本完成。
武汉理工大学出版社材料科学与工程系列出版情况见表3。
可以看出，系列教材的编写和出版大大缓解了解决实施新培养计划后的教材配套问题，为课程体系的改革和教学内容的优化提供了有力的支撑。
这些教材将在2005年前陆续出版发行，届时专业主干课程的教材问题将得到根本解决。
表3武汉理工大学出版社材料科学与工程系列教材
书名
出版情况
材料科学基础
已出版
材料工程基础
在编
材料科学研究与测试方法
在编
材料工程研究与测试方法
在编
材料物理性能
在编
材料力学性能
已出版
材料物理
已出版
材料化学
在编
计算机在材料科学与工程中的应用
已出版
粉体工程
在编
混凝土工程与技术
已出版
建筑材料性能学
已出版
建筑功能材料
已出版
建筑材料质量检测与控制
在编
无机非金属材料工业热工设备
在编
相变理论基础及应用
在编
材料力学性能实验
已出版
四、实验教学体系及教学基地的综合改革
本项目实验教学内容的改革重点在于综合性、设计性实验的内容的规划，在于“材料合成与加工”、“材料性能测试”实验课程的实施。
我们按照各种材料的制备和性能测试的系统性去安排实验，并根据各种材料的研究需要去体现实验的综合性，让学生系统地理解所开实验的目的意义、原理，掌握实验方法，掌握材料生产质量控制和科学研究基本技能，提高分析问题、解决问题的能力。
对于99级材料科学与工程专业的学生，“材料合成与加工”、“材料性能测试”实验课程安排了19项实验，在“材料合成与加工”实验中主要是进行材料的固相合成与制备、薄膜材料的溶胶-凝胶制备以及材料的SHS合成、微波合成等新型材料制备方法的实验教学。
在“材料性能测试”实验中主要进行材料的导电学性能、光学性能等方面的实验。
对于其后的00-01级材料科学与工程专业的学生，由于学校从多种途径大幅度增加对实验教学设备的投入，“材料合成与加工”、“材料性能测试”实验课程的内容不断得到丰富和多样化，在“材料合成与加工”实验课程中增加了材料的自组装合成与制备、SPS烧结、磁控溅射法制备薄膜材料等实验教学内容。
在“材料制备与性能测试”实验中增加了材料的介电性能、压电性能、铁电性能、磁学性能、热学性能等方面的实验内容。
目前，材料科学与工程专业的“材料合成与加工”、“材料性能测试”实验课程共安排了31项实验。
实验教学内容的充实和完善加深了学生对专业理论知识的认识和理解，提高了分析问题、解决问题的能力，培养了学生的创新能力。
表4、表5和表6分别列出了近3年来专业实验的开设情况，近3年专业实验的统计情况见表7。
可以看到，近3年来不仅专业实验的数量逐年增加，而且其内容也在不断丰富和多样化。
目前，“材料合成与加工”实验涉及到不同维度（包括有机-无机纳米复合材料、超微细粉体、薄膜、块体等）、不同用途（包括结构陶瓷和功能材料）的材料的化学合成、制备和加工；“材料性能测试”实验则以较为系统的材料电学性能（包括导电性能、介电性能、压电性能、铁电性能、半导体电性等）测试为主要内容，同时涉及到力学、热学、磁学、光学、电化学等材料性能。
需要说明的是，“材料合成与加工”实验与“材料性能测试”是一个贯通的体系，既要求学生在完成材料的合成、制备与加工，再对所获得材料的性能进行测试和分析。
这种一体化的实验内容安排，使学生不仅仅是学会一些具体的实验知识和操作技能，更重要的是初步培养学生设计实验方案、实施实验计划和分析实验结果的意
表42002年专业实验教学情况
授课专业
实验课程名称
授课班级
授课时间
99级学硕，99级材料科学与工程专业
材料合成与加工
多孔陶瓷的制备与加工
02年下半年
自蔓延高温合成
02年下半年
放电等离子体烧结
02年下半年
PTC陶瓷的制备
02年下半年
溶胶-自燃烧法制备PZT粉末
02年下半年
磁控溅射法制膜
02年下半年
99级学硕，99级材料科学与工程专业
材料性能测试
绝缘电阻测试
02年下半年
居里温度测试
02年下半年
压电陶瓷的介电频谱
02年下半年
变温电导率测试
02年下半年
红外辐射率测试
02年下半年
循环伏安特性测试
02年下半年
介质陶瓷的谐振特性
02年下半年
不同频率下的介电损耗测试
02年下半年
多孔陶瓷的吸水率及密度测试
02年下半年
材料透光性能的测试
02年下半年
材料的热稳定性测试
02年下半年
差热分析
02年下半年
磁天平测磁化率
02年下半年
识和能力，在提高学生知识能力的同时，培养和提高其创新意识和能力。
表52003年专业实验教学情况
授课专业
实验课程名称
授课班级
授课时间
00级学硕，00级材料科学与工程专业
材料合成与加工
多孔陶瓷的制备与加工
03年下半年
自蔓延高温合成
03年下半年
放电等离子体烧结
03年下半年
介质陶瓷的极化
03年下半年
溶胶-自燃烧法制备PZT粉末
03年下半年
磁控溅射法制膜
03年下半年
PTC陶瓷的制备
03年下半年
00级学硕，00级材料科学与工程专业
材料性能测试
绝缘电阻测试
03年下半年
居里温度测试
03年下半年
压电陶瓷的介电频谱
03年下半年
变温电导率测试
03年下半年
红外辐射率测试
03年下半年
循环伏安特性测试
03年下半年
介质陶瓷的谐振特性
03年下半年
不同频率下的介电损耗测试
03年下半年
多孔陶瓷的吸水率及密度测试
03年下半年
材料透光性能的测试
03年下半年
材料的热稳定性测试
03年下半年
差热分析
03年下半年
磁天平测磁化率
03年下半年
电滞回线测试
03年下半年
材料的热膨胀系数测试
03年下半年
压电系数
03年下半年
微位移测试
03年下半年
表62004年专业实验教学情况
授课专业
实验课程名称
授课班级
授课时间
01级学硕，01级材料科学与工程专业
材料合成与加工
多孔陶瓷的制备与加工
04年下半年
自蔓延高温合成
04年上半年
放电等离子体烧结
04年上半年
介质陶瓷的极化
04年下半年
溶胶-凝胶法制备超细粉末
04年上半年
磁控溅射法制膜
04年上半年
层状氧化物的制备
04年下半年
液相反应合成有机-无机组装材料
04年上半年
熔融淬冷法制玻璃
04年上半年
材料的磨片、抛光与金相纤维观察
04年下半年
01级学硕，01级材料科学与工程专业
材料性能测试
绝缘电阻测试
04年下半年
居里温度测试
04年上半年
压电陶瓷的介电频谱
04年上半年
变温电导率测试
04年下半年
红外辐射率测试
04年上半年
循环伏安特性测试
04年上半年
介质陶瓷的谐振特性
04年下半年
不同频率下的介电损耗测试
04年上半年
多孔陶瓷的吸水率及密度测试
04年上半年
材料透光性能的测试
04年下半年
材料的热稳定性测试
04年上半年
差热分析
04年上半年
磁天平测磁化率
04年下半年
电滞回线测试
04年上半年
材料的热膨胀系数测试
04年上半年
压电系数
04年下半年
非线性光学性能测试
04年上半年
电化学性能测试
04年上半年
磁导率测试
04年上半年
半导体性能测试
04年下半年
紫外、可见、荧光光谱测试
04年上半年
微位移测试
04年上半年
表72002-2004年专业实验教学统计
年级
专业
班级
合成与加工实验
材料性能实验
总计
99级
学硕
学硕9901
6
9
15
材科
材科9908
6
13
19
00级
学硕
学硕0001
6
13
19
材科
材科0007、0008
7
17
24
01级
学硕
学硕0101
7
15
22
材科
材科0107
10
21
31
五、师资队伍建设
本项目在材料科学与工程专业的办学中突破了原有的由专业教研室或院系封闭、独立办材料类专业的格局，全面调动全校材料学科的优质教师资源来承担教学任务，探索出一条高水平师资队伍建设的有效新途径。
表8为材料科学与工程专业部分任课教师的情况。
由表8可以发现，材料科学与工程专业的任课教师来自材料科学与工程学院、材料复合新技术国家重点实验室、硅酸盐工程教育部重点实验室、材料研究与测试中心等材料学科的主要组成单位，汇集了本校在与课程内容相关的领域内有较高学术造诣和丰富教学经验的教师，任课教师队伍中绝大部分教师都具有高级职称或博士学位，这样一支高水平的师资队伍确保了教学培养质量的显著提高。
表8材料科学与工程专业部分任课教师的情况
教师姓名
授课名称
职称/学位
所在单位
陈文
材料科学基础
教授（博导）/博士
升级会员 