解決復雜工程能力教育視角下《功能陶瓷材料》課程教學內容與方式實踐

周昌榮 袁昌來 陳國華 許積文

【摘 要】工程教育認證是一流本科教育與國際接軌的一體化要求，而工程教育認證教育中重要的一環是培養出具有解決復雜工程問題能力與創新精神的畢業生。本文基于解決復雜工程問題能力的視角，在功能陶瓷材料的教學過程中，將教學內容、教學理念和教學方法進行了一系列的變革，從學生所學的不同課程知識交叉、結合工程實際問題，從原理、過程及解決問題措施等方面強化解決復雜工程問題與創新能力的訓練。

【關鍵詞】功能陶瓷材料;工程教育認證;復雜工程問題;教學改革

中圖分類號： TB34-24文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）07-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.056

【Abstract】Engineering education certification is the requirement of integration for first-class undergraduate education with international integration. An important link of engineering education certification is that providing graduate with ability to solve complex engineering problems and creative spirit. A series of changes of content of courses， teaching idea and teaching method were made base on the ability to solve complex engineering problems in curriculum of functional ceramics materials. The trainings of ability to solve complex engineering problems and Innovation ability were conducted by knowledge crossing of different courses， combined with engineering practical problems.

【Key words】Functional ceramic materials; Engineering education certification; Complex engineering problems; Teaching reform

0 前言

《功能陶瓷材料》是材料科學與工程專業功能材料方向一門重要的專業課程，主要培養學生掌握典型功能陶瓷材料的種類、組織結構、性能特點以及它們之間的關系及制備方法。

要求學生能識別和判斷實際生產過程中出現的復雜功能材料工程問題，考慮材料與環境、經濟性、有效資源等多種制約因素，利用功能陶瓷材料的原理，合理地提出解決配方優化和性能改進的方法。在完成學習后能根據功能陶瓷材料實際應用工作條件合理選材，并根據功能特性初步設計功能陶瓷材料的組成與工藝，能運用功能陶瓷材料的新知識、新理論、新技術和新工藝，開發材料的功能特性，設計新的功能元器件。

在一流本科教育與工程教育認證的背景下，以新經濟、新產業為引領的科技創新視野下，新的功能陶瓷材料應用非常快捷，廣泛應用的功能陶瓷材料更新換代也非常頻繁，傳統的教材、教學內容、教學方式已經不能滿足當前本科教育的需要，課程教學內容、方式急需改變，以培養學生解決復雜工程問題的能力及創新性[1-5]。因此，本文基于一流新本科教育與工程教育認證為契機，以培養學生工程能力與創新精神為目標，探索功能陶瓷材料新的教學內容與方式的變革。

1 功能陶瓷材料解決復雜工程問題教學內容與方式的實踐

1.1 教學內容中增加功能陶瓷材料新進展、新應用

傳統的功能陶瓷材料定義通常具有一種或多種功能，如電、磁、光、熱、化學、生物等，或者耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等性能的陶瓷材料。在介紹功能陶瓷材料的定義時，介紹功能陶瓷這個概念的演繹過程，并與先進陶瓷材料、精細陶瓷、特種陶瓷、新型陶瓷、高技術陶瓷等不同名稱對比，加深學生對功能陶瓷材料的認識。

另一方面隨著功能陶瓷材料的迅速發展，各種新性能、新應用不斷被研究人員發現，并在新的領域應用，因此，在授課過程中，除了講解這些典型功能陶瓷外，還必須補充這些在傳統功能陶瓷上延申出來的新材料。例如，在講解鐵電功能陶瓷時，把它與鐵磁材料進行類比。在此基礎上，說明傳統的鐵電陶瓷為什么要求是絕緣陶瓷，但是現在鐵電-半導體新材料的出現，顛覆了以往鐵電陶瓷的概念、原理及應用，在鐵電光伏、鐵電催化、鐵電殺毒滅菌、鐵電光電子等領域產生層出不窮的新領域、新應用。在鐵電-半導體新材料的基礎上，現在鐵電導電材料，甚至鐵電超導材料及理論都被研究人員開發出來，并有可能在將來產生一些黑科技應用。

當然，要進行這方面的內容改革，需要授課老師不斷更新自己的知識庫，緊跟功能陶瓷材料各個領域的研究前言，對老師的能力提出更高的要求。不過在當前互聯網+的大環境下，授課老師需要采用新的工具來獲得最新的知識，比如關注一下功能材料領域的微信號，或者在ResearchGate上關注相關領域課題組的信息，這樣，一旦有新的功能材料出現，都能第一時間獲得資訊，同時可以更新豐富本課程的內容。

1.2 在傳統教學內容中培養解決復雜工程問題的能力

傳統的功能陶瓷材料對性能的要求種類繁多，如果按照平鋪直敘的教學方法，學生會感到非常乏味，并失去學習熱情。這樣，在課堂教學過程中，一定要引入常見的生活用品作為例子，來引出材料科學與工程問題，從而緊緊抓住課堂教學的注意力與適時拋出工程問題，引導學生在課堂上討論。比如，在講解電介質陶瓷時，從大家常用的手機入手，引入多層陶瓷電容器（MLCC）的電功能材料問題，如圖1所示。告訴大家現在的手機做的越來越精細，功能越來越多，離不開超微型化MLCC在手機上的應用。并從大學物理、數學、金屬材料與功能陶瓷材料四門課程的結合來闡述材料科學與工程問題。

比如超微型電容器追求超高介電常數的原因來自數學與大學物理所學的公式：C=εrS/d（相對介電常數εr， 面積S， 極板間距d）。這樣，設計微型化高電容，就要求增加電極面積S，降低介質厚度d，從器件設計的角度，采用MLCC的結構，并進一步引導是否還有其它方式可以實現類似MLCC的效果，并引入晶界半導體晶粒型電容。

在此基礎上，從材料設計的角度，進一步說明為什么介電陶瓷需要高介電常數εr，從而引出復雜工程問題，并當場進行場景角色轉換，假如自己就是公司該項目的技術負責人，如何設計實現超微型化高電容器件？在課堂討論的基礎上，在引入金屬材料中的電極問題。電容器陶瓷介質與電極共燒，陶瓷燒結溫度高，只能采用貴金屬鉑、鈀作為電極材料，從歷史發展的進程，說明為什么以前電器價格昂貴的原因，成本降低與電極材料的關系。低燒陶瓷材料與技術的進展，后面可以采用價格價格相對便宜的銀作為電極材料。隨著家電器競爭的加劇，成本需要進一步降低，需要采用成本更低的濺金屬如Ni，Cu等作為電極材料。但是這些濺金屬Ni，Cu等在與陶瓷介質共燒過程中容易氧化失去導電性，所以需要在保護氣氛如還原性氣氛燒結，但是也帶來陶瓷介質材料被還原導電的問題，進一步引導大家討論解決辦法，比如研發抗還原瓷料的方法。但是抗還原瓷料也帶來功能陶瓷材料課程后面內容“敏感陶瓷材料”中需要瓷料能被還原形成半導體的問題，為后面敏感材料的復雜工程問題的解決埋下伏筆，這樣整個課堂內容與體系在培養學生解決復雜工程問題的能力上形成系統、綜合及有機的統一。

2 結語

本文結合我校材料科學與工程專業參與工程教育認證過程中，在功能陶瓷材料專業主干課程中，在課堂教學內容與方式進行變革探索，將傳統功能陶瓷材料的內容與現在最新的研究、應用進展有機結合，將孤立、分散的不同功能陶瓷材料整合成一個系統，從數學、物理、金屬材料與功能陶瓷材料四門課程交叉的角度，從具體應用的元器件出發，并將科研成果融合到課堂教學內容中，激發學生學習興趣，培養學生解決復雜工程與創新能力，取得較為明顯的成效。

【參考文獻】

[1]林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求，高等工程教育研究，2016，5，17-38.

[2]馬萬征，李忠芳，馬月芹，李孝良.工程教育認證+“新工科”背景下《材料力學》教學改革的研究，山東化工，2018，47，169-192.

[3]張彩麗，楊海波.工程教育專業認證背景下基于STEM理念的復雜工程問題的構建，西部素質教育，2019，5（04），172-173.

[4]宋歌.《華盛頓協議》視域下工程科技人才職業能力提升路徑探析，高教論壇，2018，12，76-78.

[5]夏偉懷.建構主義視角下的本科工程教育教學設計研究，大學教育，2018，10，4-7.