工程教育認(rèn)證的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革

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［摘要］在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，課程教學(xué)的宗旨是達(dá)成畢業(yè)要求。為了實現(xiàn)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)，基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的三個核心理念：學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進，文章針對材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)與考核體系存在的問題，從教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計和考核評價體系三個方面進行改革與實踐。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認(rèn)證；材料科學(xué)基礎(chǔ)；改革與實踐

一、課程改革背景

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度[1]。工程教育專業(yè)開展工程教育認(rèn)證對引導(dǎo)專業(yè)教育改革和建設(shè)、加強工程教育實踐、提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。工程教育專業(yè)課程以認(rèn)證為契機，重構(gòu)課程知識體系，突出畢業(yè)要求的支撐點，調(diào)整考核評價體系，有利于培養(yǎng)國際化工程技術(shù)人才，促進工程技術(shù)人員適應(yīng)國際市場需求[2]。東華理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程專業(yè)自開設(shè)23年以來，在課程教學(xué)理念、知識體系和教學(xué)方法等方面取得了長足的進步。但是在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，課程教學(xué)在培養(yǎng)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法、考核評價等方面仍存在與畢業(yè)要求不相適應(yīng)的地方，需要切實地改革與實踐。

二、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程調(diào)查與課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）工程教育專業(yè)認(rèn)證對課程教學(xué)的要求工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進三個核心理念。以學(xué)生為中心即教學(xué)活動以學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展為中心，教師在教學(xué)過程從傳統(tǒng)的知識傳授角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者。成果導(dǎo)向指教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，通過學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出來組織和開展教學(xué)、測試和評價。持續(xù)改進是指通過評價和反饋，促進人才培養(yǎng)體系中各環(huán)節(jié)、各單元的質(zhì)量持續(xù)提升[3]。

（二）課程狀況與基于工程認(rèn)證的主要問題歷經(jīng)數(shù)版大綱修訂，課程內(nèi)容由單一的無機非金屬材料知識體系發(fā)展到面向材料科學(xué)與工程一級學(xué)科專業(yè)。既往的課程教學(xué)大綱涉及課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及課程考核等方面。課程教學(xué)目標(biāo)主要體現(xiàn)在知識目標(biāo)和理解能力培養(yǎng)。課程內(nèi)容比較寬泛，知識體系涵蓋無機非金屬材料、金屬材料和高分子材料的知識點。教學(xué)方法以基本是線下課堂、教師主導(dǎo)的單一模式。教學(xué)資源基本局限于一本書和一堂課。課程質(zhì)量評價以學(xué)校和學(xué)院層次督導(dǎo)為輔，教師主導(dǎo)評價為主，學(xué)生參與評價的份額比較小。課程考核盡管包括了平時成績和開始成績，但是平時成績僅依據(jù)于作業(yè)和課堂考勤評定。教學(xué)大綱作為教學(xué)和人才培養(yǎng)的藍(lán)本，應(yīng)該體現(xiàn)《材料本科專業(yè)類國家教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的共性和《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》的個性，個性統(tǒng)一于共性。課程目標(biāo)需要體現(xiàn)學(xué)生在知識、能力、素質(zhì)三方面的能力。課程內(nèi)容在保持面向一級學(xué)科專業(yè)的前提條件下，知識點的設(shè)置應(yīng)圍繞本課程對畢業(yè)要求的支撐點。教學(xué)設(shè)計旨在落實知識點，達(dá)成畢業(yè)要求。單一的線下一言堂教學(xué)模式需要切實改革，著力推行以學(xué)生為中心，采用線下線上混合模式，利用慕課資源，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛力，提高學(xué)習(xí)效果。匹配與教學(xué)方法相適應(yīng)的考核評價體系，保證每一個教學(xué)環(huán)節(jié)有監(jiān)督，有檢查，見實效。

三、課程改革措施與實踐

按照工程教育專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于我校材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀，借鑒國內(nèi)高校的經(jīng)驗，在課程教學(xué)實施過程進行了以下三個方面的改革與實踐。

（一）教學(xué)大綱既體現(xiàn)工科教學(xué)大綱的共性，又突出工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的特性教學(xué)大綱的個性與共性的體現(xiàn)必須支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點[4]。新版教學(xué)大綱除了包涵既往教學(xué)大綱的項目外，特別增加了涉及學(xué)生知識、能力和素質(zhì)三方面課程目標(biāo)，課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐，教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系以及課程考核對課程目標(biāo)的支撐。1.大綱內(nèi)設(shè)置的課程內(nèi)容緊盯實現(xiàn)課程目標(biāo)。2018版大綱的計劃學(xué)時從2014版的90學(xué)時調(diào)整為72學(xué)時，學(xué)時減少并不是簡單的刪節(jié)知識點，而是相關(guān)知識點的整合。例如，21014版大綱中的面缺陷、材料的表面結(jié)構(gòu)和固體表面的潤濕三個知識點分別設(shè)置在結(jié)構(gòu)缺陷、表面與界面和表面熱力學(xué)三個知識單元，這種設(shè)置引起內(nèi)容零散，重復(fù)講解。2018版大綱中把面缺陷、材料的表面結(jié)構(gòu)和固體表面的潤濕三個知識點融合在一起，以典型的工程案例為載體，從材料的結(jié)構(gòu)、改性和性能方面整體貫通理論要點，學(xué)生在工程案例分析的過程中加深對基本概念和基本理論的理解，學(xué)會應(yīng)用基礎(chǔ)知識分析和解決工程問題，以期實現(xiàn)課程目標(biāo)的知識、能力、素質(zhì)三方面的要求。2.課程內(nèi)容支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點。根據(jù)《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》和本課程在材料科學(xué)與工程專業(yè)課程體系的地位，篩選十二條畢業(yè)要求之“工程知識”的細(xì)化指標(biāo)點1—3，畢業(yè)要求之“分析問題”的細(xì)化指標(biāo)點2—2，畢業(yè)之“研究”的細(xì)化標(biāo)點4—2作為本課程對畢業(yè)要求的支撐點。3.依據(jù)課程對畢業(yè)要求的支撐，確立課程目標(biāo)。通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的工程基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，包括表征材料工程復(fù)雜問題涉及的基礎(chǔ)知識和技術(shù)；能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識用于解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜問題；能夠靈活運用基本原理、基礎(chǔ)知識及基本技能識別和表述材料的結(jié)構(gòu)、組成、加工及性能方面的復(fù)雜問題；充分運用所學(xué)基礎(chǔ)知識、基本技能實施實驗、分析、解釋數(shù)據(jù)并通過合理演繹推理得出相關(guān)結(jié)論。

（二）課堂教學(xué)方式設(shè)計1.站在學(xué)生的基礎(chǔ)水平上，運用通俗易懂的語言講述科學(xué)原理。材料科學(xué)基礎(chǔ)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，科學(xué)性比較強。科學(xué)原理的講解應(yīng)該盡可能接近學(xué)生的基礎(chǔ)水平，運用通俗易懂的語言，深入淺出地講解科學(xué)問題。例如講述愛因斯坦光電效應(yīng)這一經(jīng)典理論時，如果直接從黑體輻射實驗開始，學(xué)生將面臨光量子、閾值等抽象概念，學(xué)習(xí)過程可能枯燥難懂。如果能舉出學(xué)生看得見、摸得著的例子，效果就大不一樣。舉例太陽能電池的光伏效應(yīng)，教師可以把光生電子過程類比為三級跳運動員跳遠(yuǎn)，運動員比作電子，電子需要克服的閾值比作沙坑跨度，那么運動員越過沙坑以后飛出的距離就可以形象比為光電子的初動能。初動能越大，運動員超過沙坑邊緣的距離越遠(yuǎn)，類似于光電子的能量越高。總之，理論來自實踐，科學(xué)理論是實驗的總結(jié)和升華，理論教學(xué)可以尋求工程實例作為輔助，使抽象理論變得通俗易懂。2.“翻轉(zhuǎn)課堂”實踐“學(xué)生中心”。選取難易程度適當(dāng)?shù)闹R點作為“翻轉(zhuǎn)課堂”內(nèi)容，學(xué)生先利用精品課程線下自學(xué)，然后在課堂進行報告與討論，最后由教師釋疑或總結(jié)。以缺陷方程的書寫規(guī)則作為“翻轉(zhuǎn)課堂”的選題，因為學(xué)生的線下學(xué)習(xí)成果有差別，課堂報告的內(nèi)容表現(xiàn)為：學(xué)生或列舉個別缺陷反應(yīng)、或固溶分子式的書寫規(guī)則、也有個別同學(xué)還能總結(jié)出缺陷方程的書寫規(guī)則。盡管學(xué)生的報告內(nèi)容有點面區(qū)別，深淺不同，但這些表現(xiàn)都是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的成果，不同程度地反映了學(xué)習(xí)效果，最重要的是學(xué)生以主角參與了學(xué)習(xí)，課堂討論過程更是培養(yǎng)了學(xué)生辨別是非和論述的能力。“翻轉(zhuǎn)課堂”以學(xué)生為主導(dǎo)、充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，同時培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和分析總結(jié)的能力。3.工程案例的分析過程促進學(xué)生對基本理論的理解。工程案例反映了材料或器件在服役過程的工程問題，學(xué)生在工程問題的分析過程不僅掌握了基本理論，還可以擴展理解的深度和廣度，甚至觸及新的科學(xué)問題[5]。例如，學(xué)習(xí)多元系統(tǒng)擴散系數(shù)的內(nèi)容時，克肯達(dá)爾效應(yīng)（Kirkendalleffect）表述為“由于多元系統(tǒng)中各組元擴散速率不同而引起的擴散偶原始界面向擴散速率快的一側(cè)移動的現(xiàn)象”。學(xué)生對這樣的抽象描述難以理解透徹。此時以電子器件的“紫災(zāi)”為例，教學(xué)效果明顯提高。在集成電路中，引線處將金絲與鋁焊在一起。在器件工作過程中，鋁和金原子穿過界面相互擴散，由于擴散速率不同產(chǎn)生的空位聚集而形成空洞。隨著空洞的長大，金—鋁接頭變?nèi)酰罱K可能導(dǎo)致電子元件失效，接頭周圍由于出現(xiàn)合金化而變成紫色。學(xué)生親眼看見發(fā)生“紫災(zāi)”的元器件，自然激發(fā)了尋找災(zāi)難原因的興趣，教師順勢推演，闡述清楚了擴散機制。在此過程學(xué)生不但掌握了克肯達(dá)爾效應(yīng)的理論意義，而且深入理解了克肯達(dá)爾效應(yīng)的工程實際內(nèi)涵，又培養(yǎng)了學(xué)生運用所學(xué)知識解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力。4.利用現(xiàn)代教育技術(shù)＋精品課程網(wǎng)絡(luò)平臺。多媒體作為現(xiàn)代教育技術(shù)的一種手段，具有直觀性、生動性、交互性和可重復(fù)性等特點[6]。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程涉及大量的材料結(jié)構(gòu)示意圖和公式推導(dǎo)，這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的授課過程存在著抽象難理解、推演費時間等問題。應(yīng)用精品課程平臺的多媒體資源，既能提高幫助學(xué)生理解抽象問題，又可以節(jié)約在線教學(xué)時間。例如，相圖分析過程需要邊畫繪圖邊講解，傳統(tǒng)的板書繪圖需要大量的課堂時間，而且難免出現(xiàn)反復(fù)涂改和曲線模糊的問題。多媒體課件則根據(jù)析晶的過程逐步播放，直觀清晰，而且可以重復(fù)播放，幫助學(xué)生加深理解。另外，精品課程平臺設(shè)置課間提問、隨堂測驗、單元作業(yè)、課堂討論等教學(xué)任務(wù)和教學(xué)活動，以幫助學(xué)生有效進行學(xué)習(xí)。

（三）考核評價體系改革考核評價是對教學(xué)大綱實施效果的檢驗與評估，也是獲得持續(xù)改進依據(jù)的途徑。基于工程教育認(rèn)證的考核評價針對各個教學(xué)環(huán)節(jié)逐項考核，形成一套完整的考核體系，該體系充分反映了“平時考核與期末考核相結(jié)合”“考試與考查相結(jié)合”“知識與能力相結(jié)合”的三結(jié)合方針，如圖所示。

四、結(jié)論與展望

實施工程教育專業(yè)認(rèn)證可以促進材料科學(xué)與工程專業(yè)人才國際化，這是機遇，更是挑戰(zhàn)。為達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)，達(dá)成畢業(yè)要求，深化課堂教學(xué)改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量勢在必行，而且一定是一個持續(xù)改進的過程。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程在達(dá)成畢業(yè)要求方面有切實的工作需要持續(xù)開展。另外，材料學(xué)科的前沿性決定了材料工程技術(shù)的快速更新，相應(yīng)的工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)將不斷跟進工程技術(shù)領(lǐng)域的要求。教育教學(xué)改革的使命不僅僅立足于現(xiàn)在，更著眼于未來。在工程認(rèn)證的過程中，教育教學(xué)需要堅持標(biāo)準(zhǔn)，但又不能拘泥于標(biāo)準(zhǔn)，要以開放的視野，培養(yǎng)適應(yīng)國際市場、適應(yīng)科技進步的可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)人才。

參考文獻

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作者：鄭舉功 石俊 那兵 單位：東華理工大學(xué)