材料專業工程問題教學法及其實踐

【摘 要】探討材料專業工程問題教學法及其實踐，包括學習團隊的組建，教學用工程問題的設計、實施和評價，以及實踐特點與教學效果。

【關鍵詞】材料專業 工程問題教學法

實踐

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2012）12C-

0149-02

在經濟全球化的視野下，通過類似“寬專業、厚基礎、強能力、高素質”等主流高等工程教育理念的多年實踐，我國高等學校工科專業的培養目標一直在由技術型工程師向工程型工程師轉變，即淡化專業技術細節培訓，注重眼界常識拓展，倡導人文情懷醞釀，以期滿足社會對復合型人才的迫切需要。但來自國家經濟建設一線的反饋和工科學生的切身感受都并不令人樂觀。筆者認為，造成這種結果的一個重要原因是一些主流教學理念不易具體落實。顯然，這個問題不是一朝一夕形成的，也不可能一蹴而就地解決，需要每個高等教育工作者一點一滴地去努力。筆者在材料科學與工程專業實踐多年的工程問題教學法（Engineering Problem Teaching，EPT）就是這些努力的一個實例。

一、EPT學習團隊的組建

EPT是一種團隊型工程教學方法，即學習團隊為解決既定工程問題而開展的有目的的知識組織和知識運用。教師和團隊學生共同構成這一教學活動的主體，而后者既是學習的直接受益者也是學習的最活躍因素。團隊每個成員的知識儲備、學習習慣、做事能力和就業態度（或職業期許）等皆對EPT教學效果有重要影響。這是以往高等教育研究長期忽略的問題。為此，EPT要求教師盡快了解學生的基本情況，遴選和組建有效的學習團隊。

具體來說，教師需要對學生的如下情況進行了解：一是學生的職業期許。無論是打工、創業還是走進機關，工科大學生一般都需要扎扎實實的工程意識培養和訓練，因為企業或政府管理部門的大多數工作崗位均需要任職者有大局觀念、整體意識、系統思想。二是學生的素質差異。學生的生活經驗、基礎科學與人文常識、已經具備的專業知識和技能因人而異，差別很大，并構成了實施EPT的重要前提。教師應對不同學生間的差異有所認知，但不可過分強調這種差異性，更應避免先入為主。三是學生的動手能力。事實上，學生的動手能力經常超乎教師的想象，教師需要做的事情應是調動學生動手的意愿。四是學生的學習習慣。筆者認為，學習能力首先應該表現為一定的學習習慣。學習習慣的差別并不宜用通常習見的是否帶書包、做筆記、講課、開小差等來評價，而是看學生對新知識是否表現出起碼的好奇心和自學習響應（這里主要指對學習中遇到的問題有主動繼續探求的行為）。

通過上述的了解，教師即可大致確定在自己的教學班級建立多大規模的EPT學習團隊，進而可以設計或修訂教學目標，著手開展EPT教學。

二、EPT教學用工程問題的設計、實施和評價

根據學生已具備的科學、人文、工程知識，生活常識，以及學習習慣和動手能力，結合教師對本專業的認知、工程經驗和專業現狀來設計合適的EPT教學用工程問題（以下簡稱“EPT問題”），是EPT的核心。由于實際工程項目往往需要遷就一時一地甚至一人的特殊要求，往往不具備普適性、開放性、拓展性和不確定性，反而容易給學生帶來先入為主的隱患。因此，EPT一般不主張直接引入已經投入使用或正在建設中的實際工程項目。

（一）設計。一個典型的EPT問題應具備普適性、開放性、拓展性和不確定性四個基本特性。其中，普適性要求EPT問題應為在很多行業獲得應用的典型工程問題，如工業煙囪、干燥裝置、除塵系統、多跨廠房設計等，而問題的核心內容（原理、結構或組成）在知識構成或求解程序上相似。開放性是指EPT問題應具有跨學科構成和跨專業應用的屬性，因此必然包含一些本專業課程體系（培養方案）未直接講授的知識。而通過對未知知識領域目標明確的探究，可以讓學生切實認識到工程意識的建立首先意味著要淡化專業，開闊視野，注重方法。拓展性則要求EPT問題的功能（或結構）應具有多方面開發延伸的可能。這樣可以訓練學生注意工程資料和工程經驗的積累，有效克服學習中的時效性習慣（即應試性學習）。不確定性是指EPT問題設計條件的不完備性和目標的多值性規定，前者旨在忽略或簡化一些未知、不確定或較深奧的影響因素，同時留下足夠的疑問和思考空間；后者是考慮實際工程項目建議、上馬、建成、驗收過程的一種常見情況，即可以按不同指標體系評價項目的優劣。

（二）實施。在完成EPT問題設計及確定學習團隊成員分工之后，先從基礎資料檢索出發，根據設計條件，參考相關實際工程案例，在學生現有知識范圍確定初步解決方案；在明確問題的目標、意義和具體功能后，學習并收集解決問題所需要的其他專業知識，形成可操作的解決方案；最后分工協作完成各項工作，如分析、設計、計算、繪圖、施工規劃、工程預算等（在條件允許時，也可以包括制作、裝配、建設施工等）。

在問題解決中，教師應提醒學生特別注意兩個問題：第一，牢固樹立全局觀，隨時注意各實施環節對總體目標的影響，及時溝通、協調或調整可能出現的問題；第二，加強規范意識，明白問題的解決必須遵循“細節處處有來歷”的原則，不可存創新意圖，行杜撰之實。對任何非常規做法，要能從基礎科學原理及相關專業常識迅速判定其合理性或有無繼續嘗試的必要，進而尋找可行的替代方案。

（三）評價。EPT問題涉及的知識領域較為廣泛，與現實社會的結合也比較具體，因此，對學習成績的評定不宜設置標準答案或預先公布所謂參考答案，而應基于“適合的最好”的理念進行評判，沒有唯一正確，沒有最好，也不一定需要更好。另外，EPT的一個重要目的就是讓學生對實際工程項目的完成有一個全面的了解，而項目完成情況的評價正是其重要組成部分，應盡量做到客觀、透明、規范、合理。

對于以不確定性為主要特征的問題，例如煙囪設計，其完成的優劣既要考慮設計的合理性、計算的準確性、圖文的規范性，同時也必須充分考慮學生的創造性及項目的多種應用可能，適當放寬設計條件，鼓勵學生給出盡可能科學的解釋。而對于以普適性為主要特征的問題，如廠房設計，一般可以將評價體系建立在實際工程考核的指標之上；也可以讓學生作為第三方（使用者、驗收者、供貨者等）換位思考，以某種人為指標（如施工難易、能耗高低、周期長短、影響大小、外觀美丑等），對自己的工作進行評價。

三、EPT的實踐特點與教學效果

（一）實踐特點。EPT在學習目標設計、學習內容擴展、學習效果評價以及對學生知識構成需求和對教師的隱性要求等方面均有所創新和思考，是一種基于工程觀、系統觀、發展觀的師生互動、教學相長的工程教學方法。此外，EPT既強調如何學，更注重如何教，與時下流行的CDIO模式有明顯差別。

教學法或教學模式的發明首先應該是實踐的結果，且必須對具體受教育群體發生積極作用才有意義。EPT充分考慮了教學主體（教師和學生）在具體時代甚至地區所應該承擔的使命，將教師的主導作用放在首位，積極充實自我，周到了解學生，把教學理念落實到和學生的每一次相遇，即從細微處入手，行大工程步履。在問題設計上，EPT由于其具普適性、開放性、廣延性和不確定性特點，而具有更廣泛的教學適應性、知識構建性和應用擴展性，便于不同專業背景的教師在教學中發揮各自的優勢，并能夠很好地克服“比葫蘆畫瓢”帶來的消極影響，使學生容易做到知其然也知其所以然。在實施策略和成績評價方面，EPT要求師生從教學活動一開始即在規劃層面、設計層面、管理層面和實施層面并重地構建和評估學生的工程經歷，并在各主要環節設置專題討論和考評制度，因而教學視野、知識構成和知識運用更加開闊、靈活、深入和系統化，學生經常參與教學活動即可實實在在地獲得工程歷練，增強就業信心與就業能力。

因EPT項目不脫離學生的生活常識（由問題的普適性決定），并能最大限度地應用于較廣泛的行業領域（由問題的開放性和拓展性決定），因此可以更好地調動學生已有的感性認識和動手意愿，使其積極開展相關信息的辨識、理解、收集和整理加工，有利于其在學習、討論和學習效果評價過程中形成共識，順利地進入交流與協作狀態，從而逐漸獲得專業知識學習的樂趣。

（二）教學效果。目前，筆者已經在專業課學習（典型教學案例如“陶瓷生產廠區規劃設計中工藝條件的影響分析”、“工業窯爐設計中的傳熱學計算”、“個人冬暖夏涼設計”等）、專業實驗（典型教學案例如“玻璃線脹系數測定方法與裝置”、“材料硬度分析的共性問題與個性解決”、“溫度測量與控制系統設計”等）、課程設計和畢業設計等教學環節開展了EPT嘗試，取得了良好的教學效果。

學生通過相互合作解決EPT問題，在建立專業興趣和一定成就感的同時，知識結構得到拓展與豐富，自主學習習慣得以形成與鞏固，發現問題、分析問題、解決問題意識得到增強，團隊協作和多專業協調工作方法得以形成。一些積極參與EPT教學活動的學生，在畢業前后的求職、任職和重新擇職中進一步體會到，所謂工程觀、系統觀、發展觀這些很難把握的東西，因為曾經得到過實實在在的踐行而對個人前途發生了積極的影響。

可以預期，教師在本科專業課教學期間不斷地跟蹤專業課所涉及主要工業部門與行業發展態勢，通過縝密的工程問題設計，可以積極引導學生強化專業歷練，同時亦將顯著提高自己解決實際生產技術問題的能力和專業教學水平。

【參考文獻】

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[2]E. F. Crawley， J. Malmqvist， S？ren ？stlund. Rethinking Engineering Education[M]. New York： Springer， 2007

【基金項目】常州大學教學研究基金（GJY10020018）

【作者簡介】杜慶柏（1962- ），男，河南焦作人，常州大學材料學院副教授，博士，研究方向：材料加工及材料表面工程應用；方必軍（1971- ），男，安徽巢湖人，常州大學材料學院教授，材料科學與工程教研室主任，博士，研究方向：電介質物理、晶體生長、水熱法合成等；魏 偉（1974- ），江蘇徐州人，常州大學材料學院副教授，博士，研究方向：金屬塑性加工及新金屬材料應用。

（責編 吳 筱）