“卡脖子”困境下新工科教育中的原创思维培养与教学模式探索

［摘 要］ 当前，新一轮科技革命和产业变革正加速新工科的建设和发展，如何培养具有原创性思维的优秀人才，成为我国“卡脖子”困境及新工科背景下的重要课题。以“工程材料及其成形技术基础”课程教学实践为例，通过分析目前课程教学在培养学生原创性思维方面存在的突出问题，分别从知识体系和教学模式两个方面提出相应的课程教学改革路径。在课程知识体系方面，指出需要从知识体系的纵向发展、局部重构、内部关联和横向演化四个方向进行重塑，以适应当前新材料、新技术发展变革的新范式；在课程教学模式方面，提出基于课题小组的深度学习、基于创意竞赛的拓展学习和基于校企互访的工程学习三类创新性教学模式，引导学生对课程知识进行深度学习，提升学生的创新意识、创新动力和创新能力。

［关键词］ 新工科；原创思维；工程材料及其成形技术；课程教学

［基金项目］ 2020年度教育部第二批“新工科”研究与实践项目“三校联动，打造机械类新工科通专融合课程及教材体系”（E-JX20201515）；2021年度江南大学线上线下一流本科课程“互换性原理与技术测量”（YLKC2124）

［作者简介］ 马成龙（1990—），男，江苏扬州人，博士，江南大学机械工程学院讲师，主要从事激光增材制造研究；武美萍（1970—），女，江苏无锡人，博士，江南大学机械工程学院教授，博士生导师，主要从事智能制造研究；王全龙（1988—），男，山东临沂人，博士，江南大学机械工程学院副教授，主要从事超精密加工研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0153-04 ［收稿日期］ 2022-09-28

一、概述

近年来，“卡脖子”一词成为科技产业领域高频热词，其主要源自美国对我国发动的贸易摩擦，特别是对我国高新技术企业实施的制裁打压，使得一些重要科技产品生产销售受到严重制约，同时也暴露出我国在相关关键核心技术方面的严重短板问题。近年来先后发生的“中兴事件”与“华为事件”是“卡脖子”困境中的典型案例，这两个事件也促使集成电路、半导体等相关产品的研发上升为影响国家安全的重大问题［1］。不同于20世纪六七十年代“两弹一星”为代表的军工国防技术，当前面临的“卡脖子”技术所涉及的复杂程度与研发难度均呈指数级上升，短时间内很难通过集体攻关突破或寻找替代方案，具有潜在的战略武器特征，可显著影响我国国际竞争力、科技话语权和国际经济地位等。大量学者通过深入分析指出，我国当前面临的“卡脖子”困境的主要根源可归结为［1］：（1）基础研究较为薄弱；（2）技术轨道的积累性和排他性特征；（3）“政产学研用”协同创新体系尚不完善；（4）科技产业主体风险意识不强。一般来说，基础研究会自动引发应用技术创新，而在此基础上，经过长期技术积累便会形成技术壁垒，进而形成所谓的“卡脖子”技术。其中的关键在于原创性的基础研究。我国在原创知识体系与核心技术积累上的长期缺乏，导致我国在诸多高科技领域始终处于追赶和跟跑状态。

聚焦前沿、另辟蹊径的原创性思维是有效规避当下“卡脖子”困境、实现弯道超车的现实策略。李政涛［2］指出，原创性之“原”体现在：以自己特有的研究对象、视角、思维方式、命题等构成的论述框架与范式，成为同类研究的起点。然而原创性思维并不是一时形成的。郝凤霞和张春美［3］通过研究百年诺贝尔自然科学奖获得者的原创工作发现过程，认识到广博而交叉的跨学科知识组合及多元文化的教育背景是孕育原创性成果的重要条件，同时，合理的知识结构可以提高科学家的想象能力、联想能力和创造能力。因此，这指引我们在培养学生的原创性思维方面要着重注意学生丰富多元的知识结构体系构建。

未来5～15年正是新工业革命推动的传统工业化与新型工业化相互交织、相互交替的转换期，是工业化与信息化深度融合的过渡期，也是我国经济发展结构调整、转型升级的攻坚期［4］。新一轮的科技革命和产业变革将同我国加快转变经济发展形成历史性交汇，工程在社会中的作用已经发生了深刻变化，工程科技进步和创新将成为推动人类社会发展的重要引擎［5］。在此背景下，建设和发展新工科是提高国家未来竞争力，赢得全球市场竞争的重要途径。如何在新工科教育中培养学生的原创性思维将是重要环节。本文将从“工程材料及其成形技术基础”课程的教学实践出发，提出相应的原创思维培养方案与创新教学模式。

二、现有课程教学体系及教学现状

“工程材料及其成形技术基础”是高等教育工科院校机械类和近机械类各专业学生必修的重要技术基础课程，内容主要包括工程材料和材料成形技术两大部分。前者主要阐述各种常用工程材料的化学成分、组织结构、强化手段。使用性能及其它们间的相互关系与内在规律。后者则以研究制造金属构件的典型冷、热加工成形技术为主，涉及材料成形质量的各类工艺控制方法与原理。本课程的通用教学目标表现为，通过本课程学习，使学生获得机械零件材料基础知识，培养材料工艺分析初步能力，掌握机械零件选材，了解材料成形基本方法，为学习其他相关课程及从事机械工程与自动化方向的科学研究、新技术开拓奠定必要基础。

目前，我校开设的相关课程为“工程材料基础”，尽管课程名未提及材料成形技术，但实际所选用教材及教学安排中仍按照工程材料和材料成形技术两个部分进行教学。以作者所授的机电工程专业为例，该课程设置在大二下学期，总课时为48学时，其中包括6学时的实验环节。然而，从作者及相关课程教师的教学实践来看，当前课程教学体系尚存在诸多问题亟待解决。

（一）教学内容较为陈旧，与新技术发展严重脱节

课程教学一直以来均是将钢铁材料作为主体材料，并在讲述材料晶体结构、凝固结晶行为、相图、微观组织、成形及热处理工艺等基础知识中贯穿始末。而随着新一轮科技与产业变革速度的加快，大量新材料、新技术得到开发和广泛应用，如纳米晶材料、高熵合金材料、虚拟制造技术、快速成型技术等。这些新材料和新技术并没有很好地融入到课堂教学中，多数情况下仅作为课外延伸学习部分，使得学生对工程材料的发展与认识受到很大局限。

（二）教学内容编排关联性不强，知识呈现碎片化

课程教学内容偏于叙述性质，知识体系庞杂，仅工程材料部分就涉及大量基础理论与概念。同时，各章节间逻辑关联性不强，知识呈现出碎片化特征，特别是工程材料与成形技术两部分的教学内容安排往往缺乏紧密联结，彼此相对比较独立，没有建立起科学与工程间的良好互动。

（三）教学手段较为单一，启发性教学环节缺失

目前，课堂教学方式主要以多媒体课件讲解为主，教学手段单一，且对多媒体课件依赖程度显著。知识要点则多以灌输、概念讲解的形式机械讲授，缺乏启发性教学环节，致使学生被动接受知识，并基于死记硬背应付课程考核，难以实现对相关知识准确理解和充分掌握，同时也十分不利于学生创造性思维培养。

（四）教学内容实践环节较少，创造性实践几乎没有

目前课程仅设置了6个学时实验内容作为实践环节，且每项实验内容均为非常基础的实验操作，如金相和硬度实验，并未考虑兼具开放性和创造性的延伸实验设计。实验内容确实也与当下新材料、新技术发展所需的工程实践能力和新工科背景下的人才培养目标不相符。

三、围绕原创思维培养的课程知识体系重塑

针对“工程材料及其成形技术基础”课程教学现状中的前两个问题，现有基于传统工业思路的旧课程知识体系必须被打破，在此情况下提出课程知识体系重塑的四个方向。

（一）知识体系的纵向发展

知识体系的形成有其自身历史发展脉络。因此，课程知识的讲授要培植学生的大历史观和发展观，让学生能够从更大尺度、更全面的视角理解课程知识，了解知识的来龙去脉，为知识体系的进一步创造和延伸建立心理暗示。例如在工程材料教学中，可从材料发展历史进行纵向讲述；到近现代时期，材料本身又可理解为从物理、化学等基础学科剥离出去的交叉学科，通过不断发展形成丰富多彩的各类工程材料。工程材料的研发已由过去的尝试、实验法发展到如今功能导向的定向设计与机器筛选，新材料研发的这种范式变革可以加强引导学生的创造性思维。

（二）知识体系的局域重构

知识体系的局域重构在于，让学生身临其境感受知识创造的真实过程，通过自身实践去理解知识的形成过程。材料的发展史也是人类社会的进步史，在过去一百年里，许多诺贝尔物理学奖或化学奖均是与材料密切相关。因此，通过对大历史观梳理下的课程知识体系进行局部重构，穿插讲述这些诺奖级成果的发现之旅，可有效提升学生的求知欲，丰富知识，启发学生的创造性思维。同时在一些知识点讲授过程中，通过提供一些关键实验数据，让学生自己去发现、提炼和总结规律，推断出课本中的重要知识及其推论。

（三）知识体系的内部关联

作为一门工科院校的重要技术基础课程，科学与工程间的联结一定要非常紧密。工程材料主导基础理论知识，是属于科学的范畴，而成形技术主导工艺原理与技术方法，属于工程范畴，科学指导工程，工程推动科学，两者相辅相成。因此，课程知识体系中需要将两者交融在一起，而不应切割开分别讲授。比如材料的凝固结晶行为，从科学角度可以串联晶体结构、相变、相图等知识点，从工程角度则可引出铸造、焊接、热处理等热加工工艺。

（四）知识体系的横向演化

知识体系除了纵向发展脉络，还具有显著的横向演化特征。知识的纵向突破性延伸是艰难且需要长时间累积的，而知识的横向衍生和拓展是相对简单且易于实现的。因此，课程知识体系的横向枝杈总是非常繁杂，需要进一步在纵向主干下梳理出清晰的横向演化路径。例如铸造成形技术，其本质为液态成形技术，相似原理还发展出定向凝固技术、快速凝固技术等，这些技术本身又存在多种工艺手段来实现与支撑。通过这样的知识体系梳理，学生的思维能有效扩散与迁移。

四、围绕原创思维培养的课程教学模式探索

针对“工程材料及其成形技术基础”课程教学现状中的后两个问题，提出以下三点创新性课程教学模式。

（一）基于课题小组形式的深度学习

研究生是目前知识创造的主体，而知识创造的过程多数是基于项目、课题方式驱动，这样的学习创造模式可以进一步前移至本科教学阶段。依据课程知识体系划分为几个模块，每个模块设置一些相关的科学前沿问题（鼓励学生自己提出问题）；然后将学生分成几大组，每个大组再细分成几个小组，每个大组共享设置一个前沿问题，每个大组内的各小组间相互竞争，针对相同前沿问题，建立组内分工，结合课堂所学知识并查找资料、建立模型、计算推演，通过PPT答辩形式给出问题的解决思路和方案。基于课堂中的课题解析探讨，引导学生对所学知识加深理解，通过使用高级认知技能处理信息来实现长期而深刻的理解。

（二）基于创意竞赛形式的拓展学习

科创竞赛是促使学生进行深度学习的一种重要手段，但在此基础上如何提升学生的创造性思维，需要开辟出一些别出心裁的竞赛形式。知识迁移是一种非常好且有效的策略，如现有的微观摄影大赛，通过捕捉材料微观组织照片和后期渲染加工，形成充满想象力的图片。这个过程不仅需要工程材料知识，还需要微观表征技术知识、图片信息处理知识，最重要的就是想象力。基于课外的创意竞赛设置，引导学生进行知识迁移与技能拓展，激发学生的创造性思维和想象力，从而提高学生的创新能力，激发创新精神。

（三）基于校企互访形式的工程学习

实践环节的一个重要组成部分就是与企业的产教融合。在“卡脖子”困境和新工科发展背景下，课堂教学一定需要与企业问题紧密相连。一方面，带领学生参观相应行业知名企业研发部门和生产车间，切实了解产品生产整个环节和相应加工工艺，加深课堂知识的理解和迁移；另一方面，带领学生去参观一些重点工程设计部门（如桥梁、汽车、飞机等），了解这些工程材料应用型行业在选材及使用上的工程考量，建立真正意义上的工程思维，掌握目前工程应用方面存在的关键问题和难点。同时，也邀请行业技术部门专家、总师来校讲座，深刻解析当前工程领域面临的“卡脖子”问题，引导学生积极思考，提升学生的创新意识和创新动力。