工程教育认证的材料科学基础课程改革

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［摘要］在工程教育专业认证背景下，课程教学的宗旨是达成毕业要求。为了实现材料科学基础课程教学目标，基于工程教育专业认证的三个核心理念：学生中心、成果导向、持续改进，文章针对材料科学基础课程教学与考核体系存在的问题，从教学大纲、教学设计和考核评价体系三个方面进行改革与实践。

［关键词］工程教育专业认证；材料科学基础；改革与实践

一、课程改革背景

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度[1]。工程教育专业开展工程教育认证对引导专业教育改革和建设、加强工程教育实践、提高工程教育人才培养质量至关重要。工程教育专业课程以认证为契机，重构课程知识体系，突出毕业要求的支撑点，调整考核评价体系，有利于培养国际化工程技术人才，促进工程技术人员适应国际市场需求[2]。东华理工大学的材料科学与工程专业自开设23年以来，在课程教学理念、知识体系和教学方法等方面取得了长足的进步。但是在工程教育专业认证的背景下，课程教学在培养目标、内容设计、教学方法、考核评价等方面仍存在与毕业要求不相适应的地方，需要切实地改革与实践。

二、基于工程教育专业认证的课程调查与课程教学现状分析

（一）工程教育专业认证对课程教学的要求工程教育专业认证遵循以学生为中心、成果导向和持续改进三个核心理念。以学生为中心即教学活动以学生的学习和发展为中心，教师在教学过程从传统的知识传授角色转变为学生学习过程的引导者。成果导向指教学设计和教学实施的目标是学生的学习成果，通过学生的预期学习产出来组织和开展教学、测试和评价。持续改进是指通过评价和反馈，促进人才培养体系中各环节、各单元的质量持续提升[3]。

（二）课程状况与基于工程认证的主要问题历经数版大纲修订，课程内容由单一的无机非金属材料知识体系发展到面向材料科学与工程一级学科专业。既往的课程教学大纲涉及课程教学目标、教学内容、教学方法以及课程考核等方面。课程教学目标主要体现在知识目标和理解能力培养。课程内容比较宽泛，知识体系涵盖无机非金属材料、金属材料和高分子材料的知识点。教学方法以基本是线下课堂、教师主导的单一模式。教学资源基本局限于一本书和一堂课。课程质量评价以学校和学院层次督导为辅，教师主导评价为主，学生参与评价的份额比较小。课程考核尽管包括了平时成绩和开始成绩，但是平时成绩仅依据于作业和课堂考勤评定。教学大纲作为教学和人才培养的蓝本，应该体现《材料本科专业类国家教学质量标准》的共性和《工程教育专业认证标准》的个性，个性统一于共性。课程目标需要体现学生在知识、能力、素质三方面的能力。课程内容在保持面向一级学科专业的前提条件下，知识点的设置应围绕本课程对毕业要求的支撑点。教学设计旨在落实知识点，达成毕业要求。单一的线下一言堂教学模式需要切实改革，着力推行以学生为中心，采用线下线上混合模式，利用慕课资源，发挥学生自主学习的潜力，提高学习效果。匹配与教学方法相适应的考核评价体系，保证每一个教学环节有监督，有检查，见实效。

三、课程改革措施与实践

按照工程教育专业标准，基于我校材料科学基础课程教学现状，借鉴国内高校的经验，在课程教学实施过程进行了以下三个方面的改革与实践。

（一）教学大纲既体现工科教学大纲的共性，又突出工程认证标准的特性教学大纲的个性与共性的体现必须支撑毕业要求指标点[4]。新版教学大纲除了包涵既往教学大纲的项目外，特别增加了涉及学生知识、能力和素质三方面课程目标，课程目标对毕业要求的支撑，教学内容与毕业要求指标点的对应关系以及课程考核对课程目标的支撑。1.大纲内设置的课程内容紧盯实现课程目标。2018版大纲的计划学时从2014版的90学时调整为72学时，学时减少并不是简单的删节知识点，而是相关知识点的整合。例如，21014版大纲中的面缺陷、材料的表面结构和固体表面的润湿三个知识点分别设置在结构缺陷、表面与界面和表面热力学三个知识单元，这种设置引起内容零散，重复讲解。2018版大纲中把面缺陷、材料的表面结构和固体表面的润湿三个知识点融合在一起，以典型的工程案例为载体，从材料的结构、改性和性能方面整体贯通理论要点，学生在工程案例分析的过程中加深对基本概念和基本理论的理解，学会应用基础知识分析和解决工程问题，以期实现课程目标的知识、能力、素质三方面的要求。2.课程内容支撑毕业要求指标点。根据《工程教育专业认证标准》和本课程在材料科学与工程专业课程体系的地位，筛选十二条毕业要求之“工程知识”的细化指标点1—3，毕业要求之“分析问题”的细化指标点2—2，毕业之“研究”的细化标点4—2作为本课程对毕业要求的支撑点。3.依据课程对毕业要求的支撑，确立课程目标。通过本课程的学习，掌握材料科学与工程领域的工程基础知识和专业知识，包括表征材料工程复杂问题涉及的基础知识和技术；能够将所学知识用于解决材料科学与工程领域复杂问题；能够灵活运用基本原理、基础知识及基本技能识别和表述材料的结构、组成、加工及性能方面的复杂问题；充分运用所学基础知识、基本技能实施实验、分析、解释数据并通过合理演绎推理得出相关结论。

（二）课堂教学方式设计1.站在学生的基础水平上，运用通俗易懂的语言讲述科学原理。材料科学基础作为专业基础课，科学性比较强。科学原理的讲解应该尽可能接近学生的基础水平，运用通俗易懂的语言，深入浅出地讲解科学问题。例如讲述爱因斯坦光电效应这一经典理论时，如果直接从黑体辐射实验开始，学生将面临光量子、阈值等抽象概念，学习过程可能枯燥难懂。如果能举出学生看得见、摸得着的例子，效果就大不一样。举例太阳能电池的光伏效应，教师可以把光生电子过程类比为三级跳运动员跳远，运动员比作电子，电子需要克服的阈值比作沙坑跨度，那么运动员越过沙坑以后飞出的距离就可以形象比为光电子的初动能。初动能越大，运动员超过沙坑边缘的距离越远，类似于光电子的能量越高。总之，理论来自实践，科学理论是实验的总结和升华，理论教学可以寻求工程实例作为辅助，使抽象理论变得通俗易懂。2.“翻转课堂”实践“学生中心”。选取难易程度适当的知识点作为“翻转课堂”内容，学生先利用精品课程线下自学，然后在课堂进行报告与讨论，最后由教师释疑或总结。以缺陷方程的书写规则作为“翻转课堂”的选题，因为学生的线下学习成果有差别，课堂报告的内容表现为：学生或列举个别缺陷反应、或固溶分子式的书写规则、也有个别同学还能总结出缺陷方程的书写规则。尽管学生的报告内容有点面区别，深浅不同，但这些表现都是学生自主学习的成果，不同程度地反映了学习效果，最重要的是学生以主角参与了学习，课堂讨论过程更是培养了学生辨别是非和论述的能力。“翻转课堂”以学生为主导、充分调动了学生的积极性，同时培养学生的自主学习和分析总结的能力。3.工程案例的分析过程促进学生对基本理论的理解。工程案例反映了材料或器件在服役过程的工程问题，学生在工程问题的分析过程不仅掌握了基本理论，还可以扩展理解的深度和广度，甚至触及新的科学问题[5]。例如，学习多元系统扩散系数的内容时，克肯达尔效应（Kirkendalleffect）表述为“由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象”。学生对这样的抽象描述难以理解透彻。此时以电子器件的“紫灾”为例，教学效果明显提高。在集成电路中，引线处将金丝与铝焊在一起。在器件工作过程中，铝和金原子穿过界面相互扩散，由于扩散速率不同产生的空位聚集而形成空洞。随着空洞的长大，金—铝接头变弱，最终可能导致电子元件失效，接头周围由于出现合金化而变成紫色。学生亲眼看见发生“紫灾”的元器件，自然激发了寻找灾难原因的兴趣，教师顺势推演，阐述清楚了扩散机制。在此过程学生不但掌握了克肯达尔效应的理论意义，而且深入理解了克肯达尔效应的工程实际内涵，又培养了学生运用所学知识解决材料科学与工程领域复杂问题的能力。4.利用现代教育技术＋精品课程网络平台。多媒体作为现代教育技术的一种手段，具有直观性、生动性、交互性和可重复性等特点[6]。材料科学基础课程涉及大量的材料结构示意图和公式推导，这些内容在传统的授课过程存在着抽象难理解、推演费时间等问题。应用精品课程平台的多媒体资源，既能提高帮助学生理解抽象问题，又可以节约在线教学时间。例如，相图分析过程需要边画绘图边讲解，传统的板书绘图需要大量的课堂时间，而且难免出现反复涂改和曲线模糊的问题。多媒体课件则根据析晶的过程逐步播放，直观清晰，而且可以重复播放，帮助学生加深理解。另外，精品课程平台设置课间提问、随堂测验、单元作业、课堂讨论等教学任务和教学活动，以帮助学生有效进行学习。

（三）考核评价体系改革考核评价是对教学大纲实施效果的检验与评估，也是获得持续改进依据的途径。基于工程教育认证的考核评价针对各个教学环节逐项考核，形成一套完整的考核体系，该体系充分反映了“平时考核与期末考核相结合”“考试与考查相结合”“知识与能力相结合”的三结合方针，如图所示。

四、结论与展望

实施工程教育专业认证可以促进材料科学与工程专业人才国际化，这是机遇，更是挑战。为达到人才培养目标，达成毕业要求，深化课堂教学改革，提高课堂教学质量势在必行，而且一定是一个持续改进的过程。材料科学基础课程在达成毕业要求方面有切实的工作需要持续开展。另外，材料学科的前沿性决定了材料工程技术的快速更新，相应的工程技术人才的培养目标将不断跟进工程技术领域的要求。教育教学改革的使命不仅仅立足于现在，更着眼于未来。在工程认证的过程中，教育教学需要坚持标准，但又不能拘泥于标准，要以开放的视野，培养适应国际市场、适应科技进步的可持续发展的专业人才。

参考文献

［1］曾庆伟,王江川,罗洪镇,刘帅,赵玉萍.基于工程教育专业认证下的生物反应工程课程教学改革［J］.科技导报,2019(34):123-124.

［2］韩强,赵莉萍,李涛,冯佃臣.工程教育认证下的材料科学基础教学改革初探［J］.中国现代教育装备,2017(279):33-35.

［3］尤园.基于工程教育专业认证的本科人才培养模式研究［D］.绵阳:西南科技大学大学,2018.

［4］彭开萍,邵艳群,李湘祁.基于工程教育认证的材料科学基础课程建设［J］.高等建筑教育,2017,26(6):80-82.

［5］吴轲娜,赵文春,刘月林.基于工程案例的工程电磁场教学实践探讨［J］.大学教育,2019(9):89-91.

［6］王永东,王振廷,李柏茹,赵霞.应用型本科材料科学基础多媒体课堂教学探讨［J］.中国冶金教育,2013(5):19-22,23.

作者：郑举功 石俊 那兵 单位：东华理工大学