基于OBE理念的新能源材料與器件專業實驗教學探索與實踐

趙春霞 周靜 顧少軒 楊爽

摘? 要：新能源材料與器件是新興專業，文章從該本科專業的建設背景、現狀和發展態勢出發，闡述了實驗教學改革的必要性和迫切性。并以武漢理工大學為例，簡述了該專業立足武漢理工大學材料學科優勢，基于OBE理念，圍繞具有創新意識、批判性思維和創新能力的卓越人才培養和實踐新工科建設的探索。

關鍵詞：實驗教學;新工科;OBE;人才培養

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）18-0083-03

Abstract： New Energy Material and Devices （NEMD） is a new bachelor profession in China. This article briefly reviews the background， current status and developing trend of NEMD. The necessity and urgency of NEMD experimental teaching reform is demonstrated. Taking Wuhan University （WUT） of Technology as an example， the practice for cultivating outstanding talents with innovative consciousness， critical thinking and innovative ability is explored， which is based on OBE concept and Emerging Engineering Education and the advantages of materials science and engineering discipline of WUT.

Keywords： experiment teaching; emerging Engineering education; outcome-based education; talent cultivation.

近二十年來，我國在新能源技術和相關產業方面取得了令人矚目的成績，但也暴露出一些發展中的不足，特別是相關高層次專業人才的缺乏[1]。新能源材料與器件專業是由教育部2010年批準在高等學校設置的新專業，旨在適應我國新能源產業發展需要。截至目前，已在華北電力大學、武漢理工大學、合肥工業大學、北京理工大學、同濟大學等76所院校開設。

武漢理工大學2012年獲批設立新能源材料與器件本科專業，2013年開始在材料類招生。我校該專業的建設思路是，立足材料科學與工程“雙一流”學科，圍繞太陽能、電化學能、溫差能等可再生能源的利用、轉化與儲存的關鍵新材料、新技術與核心器件，結合納米材料與納米技術、新能源類型及應用等產業發展對專業人才知識、能力、素質的綜合要求辦學，培養適應我國戰略型新興產業發展需要的高層次科學研究與工程技術人才。

2013年我國成功加入國際工程教育專業認證（簡稱“專業認證”）互認協議，這是我國高等工程教育提升教育水平、加快與國際接軌的重大契機。我院把握新工科發展機遇，先后完成了5個專業的工程教育認證工作，有效提升了人才培養質量。習近平總書記在2018年全國教育大會上發表重要講話，深刻闡明了教育在黨和國家工作大局中的戰略地位，指出堅持深化教育改革創新是新時代教育改革發展的必由之路。

在我校材料類專業綜合性實驗教學多年累積的基礎上，本文就新能源材料與器件專業在實驗教學方面的探索與實踐進行了總結。

一、新能源材料與器件專業實驗教學的現狀與存在問題

由于專業開設不足十年，各高校的新能源材料與器件專業建設還處于自由探索階段，且一般依托本校的辦學特點建設此專業，涉及冶金、能動、機械、電子、化工、材料等學科。依托的學科領域不同，該專業的人才培養目標定位也不同，課程體系具有學科交叉程度高的特點。

不論是傳統的工科專業還是新興工科專業，在人才培養中專業實驗教學與理論教學都是相輔相成、緊密銜接的，前者一般具有基礎性、通用性和典型性，既是課堂理論教學的拓展和延伸，又是學生綜合實踐能力的載體，對培養大學生的批判性思維、創新思維、協作能力、工程素養等有著重要作用，故在國內外高等院校中均設有必修類專業實驗課。

目前高校普遍存在專業實驗教學中演示性、驗證性實驗偏多，學生實際動手操作的機會少的狀況，主要受限于經費緊張導致的設備臺套數不足。大多數高校的新能源材料與器件專業雖然開設了設計性或綜合性專業實驗，但基本上是基于現有設備條件或教師專業背景的實驗項目，而非基于目標導向的實驗教學，且在實施過程中，學生幾乎沒有實際參與到設計環節，還停留在“照著做”的狀態。此外，專業實驗教材欠缺也是專業實驗教學的短板，且實驗教材或講義內容更新較慢，特別是關于材料合成、成型、工藝、性能檢測方面的實驗，甚至部分落后于行業技術水平，無法有效激發學生的積極性和創造性，不利于實現創新型人才培養目標的達成。然而，新型材料制備、結構表征和性能測試等設備通常比較昂貴，且需要專門人員維護管理。目前高校普遍存在教學經費緊張，導致設備臺套數不足。

二、新能源材料與器件專業實驗教學改革的必要性

在我國建設創新型國家和發展新工科的形勢下，工程技術類人才培養面臨新的挑戰，特別是要具備創新意識、創新思維和創新能力。新能源材料與器件專業具有明顯的新工科特性，因此專業實驗教學是培養本專業大學生批判性思維、創新思維、協作能力、工程素養等的重要環節。它不僅幫助學生把學科基礎、專業基礎知識融會貫通，強化學生對專業知識的理解與運用，而且在方案設計、過程實施、數據收集與整理、分析與討論等環節培養學生的科學精神和批判性思維，訓練學生的自主能力和協作意識，進而培養學生的綜合素質[2-4]。

隨著教學改革的深入，專業實驗教學逐步成為適應新工科建設不可或缺的重要環節。在新能源材料與器件專業實驗教學中，如何把全國教育大會和新工科建設的內涵貫徹到教學思想和教學理念中，把專業認證的核心理念在實驗教學內容、教學方法和考核方式中落地，充分發掘大學生的主觀能動性和創造性，探索出一條培養基礎扎實、專業技術過硬、富于創新創業能力大學生的實驗教學途徑、實現新能源材料與器件人才培養的可持續發展已成為當務之急。

三、基于OBE理念的專業實驗教學改革與探索

（一）把OBE理念貫徹到實驗教學體系

成果導向教育（Outcome-Based Education，簡稱OBE）[5，6]是專業認證的一個核心理念。專業認證就是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價[7]，并強調建立人才培養持續改進機制，形成持續改進文化，保證教育質量和教育活力[8]。專業認證的通用標準中要求學生具備問題分析、設計/開發解決方案、研究和使用現代工具等能力。因此，我們在設計專業實驗教學體系時，應把“以學生為中心”、“目標導向”和“持續改進”的理念貫徹其中，強調學生能力的培養和目標達成[9]。

（二）構建OBE實驗教學體系

基于OBE理念，做好實驗教學的頂層設計，構建綜合教學體系，是創新型人才培養不可或缺的核心內容。近年來，我院依托本校材料科學與工程學科優勢，以材料科學與工程國家實驗教學示范中心、材料復合新技術國家重點實驗室、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室、光纖傳感技術國家工程實驗室、國家資質檢驗檢測機構——材料研究與測試中心等八個高水平研究基地，開展校內實驗實踐教學和創新創業訓練，構建了人才培養三層次實驗教學體系。分別是一級學科基礎實驗平臺，設置學科大類基礎實驗;二級學科專業基礎和專業綜合實驗平臺，設置了新能源材料專業實驗室;三級科技創新共享實驗平臺，是依托上述高水平研究基地設置，包括材料科學與工程基本實驗技能培養基地、新材料研究能力創新實踐基地、材料工程能力創新實踐基地和現代材料分析能力創新實踐基地。

（三）設計OBE專業綜合實驗教學大綱

以我校的“新能源材料與器件制備與性能”專業綜合性實驗為例，該課程是本專業高年級本科生的必修課，共有5個學分（160學時）。基于OBE理念和課程體系設計，明確本課程的教學目標，圍繞教學目標，設置了實驗教學內容，使得實驗項目和專業知識相輔相成，共同為培養學生解決復雜工程問題能力服務。同時，在教學實施中，將動腦與動手、個人與團隊、科學與工程有機地結合起來，培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，培養創新意識和批判性思維。

該課程包含15個實驗項目，3個主要項目類型，分別是設計研究性、綜合性和驗證性/演示性（見表1）。其中，綜合性和設計研究性實驗項目是在新能源材料專業實驗室（二級平臺）上實施的。該平臺是在2014年通過教育部修購專項投入420萬建設的[10]。在教學實施中，基于OBE理念改革教學方式和考核方法，通過材料合成、樣品制備、結構表征、性能測試、數據整理、結果分析、報告撰寫與匯報等環節，使專業實驗更趨內容豐富和形式多樣，綜合訓練和培養學生分析和解決問題的能力、批判性思維、創新能力和協作精神。

此外，汲取新能源材料與技術發展的新成果，在三級科技創新共享實驗平臺上開設了部分驗證性和設計研究性實驗項目。請科研基地杰出的研究者參與到人才培養工作中，把學術前沿、科研成果、技術手段和大型儀器設備引入到實驗教學當中，踐行科教協同。例如在燃料電池湖北省重點實驗室開設的“質子交換膜燃料電池單電池組裝及性能測試”，在材料復合新技術國家重點實驗室開設的“自蔓延高溫合成”、“放電等離子體燒結”等，把大型科研設備向人才培養開放，拓展學生的科技視野和國際視野，提高學生的學習興趣和創新思維，提升學生對專業和行業的認知度和認可度。

（四）加強專業實驗教學教材建設

當前，本專業還沒有普適的專業實驗教材或指導書，這與高校依托自身的學科特色、學科交叉、專業規劃和發展方向辦學有關。因此，新能源材料與器件專業的實驗教材建設迫在眉睫。我校立足本校材料學科特點，逐步修訂本專業實驗教學的教學大綱和教改方案，形成了一部既有新能源材料與器件專業特色、又可面向材料類學生的實驗教材《新能源材料制備與器件性能表征》，全文主要包含材料設計與制備、器件設計與組裝、性能測試與分析三大部分，包含二十個典型實驗項目，從能源的類別、能源的產生與轉化、能源的存儲與利用、器件設計與組裝等幾個方面，進行電、熱、聲、光、磁、電化學等性能的測定、表征和分析，擬于本年度出版。

（五）逐步完善教學質量保障體系

為進一步規范實驗教學，提升教學質量，我校先后出臺了《關于加強實驗教學基地建設和管理的若干意見》和《武漢理工大學關于綜合性、設計性實驗基本要求的若干意見》等制度性文件，推進小組實驗教學，每組2～3名學生，實現人人動手，加強實踐動手能力訓練。同時，還加大了對“實驗室開放基金項目”、“自主創新基金項目”“大學生創新研究訓練計劃”、“大型儀器操作證書”等本科生科技項目的支持力度，并依托我校特色活動“材料文化節”，搭建了內涵豐富、形式多樣的“金字塔”式學生創新創業訓練平臺。上述人才培養的舉措，踐行了新工科建設和卓越人才培養的指導思想，有效促進了新能源材料與器件專業人才培養的可持續發展。

四、結束語

我國十二五以來能源結構不斷優化，能源科技創新取得新突破，節能減排和環境污染成效顯著。部分高校依托自身學科優勢，制定了相應的專業培養方案，開展了新能源材料與器件人才培養的探索和實踐。其中，作為工科專業不可或缺的實驗教學改革直接關系到學生實踐能力訓練、創新能力培養和綜合素質提高。我校創新性的把學科的科研資源優勢融入到實驗教學當中，構建了人才培養三層次實驗教學體系，出臺了相關保障制度文件。特別是在基于OBE的課程體系設計、探索高端設備開放、創新創業文化熏陶等方面形成了特色，取得了良好的人才培養效果。當然，在新工科建設和卓越人才培養的大潮下，如何持續開展新能源材料與器件專業實驗教學的創新性改革，推陳出新，與時俱進，仍是我們今后努力的方向。

參考文獻：

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[4]劉克江，張樹玉.大學生科創能力培養開放式實驗體系的探索與實踐[J].高教學刊，2018（11）：25-26+30.

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[9]施曉秋.遵循專業認證OBE理念的課程教學設計與實施[J].高等工程教育研究，2018（05）：154-160.

[10]趙春霞，顧少軒，徐慶，等.新能源材料與器件專業建設探索——以武漢理工大學為例[J].教育觀察，2017，6（1）：90-91.