基于工程教育認證的材料科學基礎課程改革

鄭舉功 石俊 那兵

[摘 要]在工程教育專業認證背景下，課程教學的宗旨是達成畢業要求。為了實現材料科學基礎課程教學目標，基于工程教育專業認證的三個核心理念：學生中心、成果導向、持續改進，文章針對材料科學基礎課程教學與考核體系存在的問題，從教學大綱、教學設計和考核評價體系三個方面進行改革與實踐。

[關鍵詞]工程教育專業認證;材料科學基礎;改革與實踐

[基金項目]2017年江西省教育廳教學改革研究基金項目“基于工程教育專業認證要求的材料科學基礎課程教學改革”（JXJG-17-6-7）

[作者簡介]鄭舉功（1976—），男，甘肅定西人，博士，東華理工大學化學生物與材料科學學院副教授，主要從事材料科學與工程專業教學與研究。

[中圖分類號] TB3[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-03[收稿日期] 2020-05-25

一、課程改革背景

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度[1]。工程教育專業開展工程教育認證對引導專業教育改革和建設、加強工程教育實踐、提高工程教育人才培養質量至關重要。工程教育專業課程以認證為契機，重構課程知識體系，突出畢業要求的支撐點，調整考核評價體系，有利于培養國際化工程技術人才，促進工程技術人員適應國際市場需求[2]。東華理工大學的材料科學與工程專業自開設23年以來，在課程教學理念、知識體系和教學方法等方面取得了長足的進步。但是在工程教育專業認證的背景下，課程教學在培養目標、內容設計、教學方法、考核評價等方面仍存在與畢業要求不相適應的地方，需要切實地改革與實踐。

二、基于工程教育專業認證的課程調查與課程教學現狀分析

（一）工程教育專業認證對課程教學的要求

工程教育專業認證遵循以學生為中心、成果導向和持續改進三個核心理念。以學生為中心即教學活動以學生的學習和發展為中心，教師在教學過程從傳統的知識傳授角色轉變為學生學習過程的引導者。成果導向指教學設計和教學實施的目標是學生的學習成果，通過學生的預期學習產出來組織和開展教學、測試和評價。持續改進是指通過評價和反饋，促進人才培養體系中各環節、各單元的質量持續提升[3]。

（二）課程狀況與基于工程認證的主要問題

歷經數版大綱修訂，課程內容由單一的無機非金屬材料知識體系發展到面向材料科學與工程一級學科專業。既往的課程教學大綱涉及課程教學目標、教學內容、教學方法以及課程考核等方面。課程教學目標主要體現在知識目標和理解能力培養。課程內容比較寬泛，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。教學方法以基本是線下課堂、教師主導的單一模式。教學資源基本局限于一本書和一堂課。課程質量評價以學校和學院層次督導為輔，教師主導評價為主，學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于作業和課堂考勤評定。

教學大綱作為教學和人才培養的藍本，應該體現《材料本科專業類國家教學質量標準》的共性和《工程教育專業認證標準》的個性，個性統一于共性。課程目標需要體現學生在知識、能力、素質三方面的能力。課程內容在保持面向一級學科專業的前提條件下，知識點的設置應圍繞本課程對畢業要求的支撐點。教學設計旨在落實知識點，達成畢業要求。單一的線下一言堂教學模式需要切實改革，著力推行以學生為中心，采用線下線上混合模式，利用慕課資源，發揮學生自主學習的潛力，提高學習效果。匹配與教學方法相適應的考核評價體系，保證每一個教學環節有監督，有檢查，見實效。

三、課程改革措施與實踐

按照工程教育專業標準，基于我校材料科學基礎課程教學現狀，借鑒國內高校的經驗，在課程教學實施過程進行了以下三個方面的改革與實踐。

（一）教學大綱既體現工科教學大綱的共性，又突出工程認證標準的特性

教學大綱的個性與共性的體現必須支撐畢業要求指標點[4]。新版教學大綱除了包涵既往教學大綱的項目外，特別增加了涉及學生知識、能力和素質三方面課程目標，課程目標對畢業要求的支撐，教學內容與畢業要求指標點的對應關系以及課程考核對課程目標的支撐。

1.大綱內設置的課程內容緊盯實現課程目標。2018版大綱的計劃學時從2014版的90學時調整為72學時，學時減少并不是簡單的刪節知識點，而是相關知識點的整合。例如，21014版大綱中的面缺陷、材料的表面結構和固體表面的潤濕三個知識點分別設置在結構缺陷、表面與界面和表面熱力學三個知識單元，這種設置引起內容零散，重復講解。2018版大綱中把面缺陷、材料的表面結構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，從材料的結構、改性和性能方面整體貫通理論要點，學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，學會應用基礎知識分析和解決工程問題，以期實現課程目標的知識、能力、素質三方面的要求。

2.課程內容支撐畢業要求指標點。根據《工程教育專業認證標準》和本課程在材料科學與工程專業課程體系的地位，篩選十二條畢業要求之 “工程知識”的細化指標點1—3，畢業要求之 “分析問題”的細化指標點2—2，畢業之“研究”的細化標點4—2作為本課程對畢業要求的支撐點。

3.依據課程對畢業要求的支撐，確立課程目標。通過本課程的學習，掌握材料科學與工程領域的工程基礎知識和專業知識，包括表征材料工程復雜問題涉及的基礎知識和技術;能夠將所學知識用于解決材料科學與工程領域復雜問題;能夠靈活運用基本原理、基礎知識及基本技能識別和表述材料的結構、組成、加工及性能方面的復雜問題;充分運用所學基礎知識、基本技能實施實驗、分析、解釋數據并通過合理演繹推理得出相關結論。

（二）課堂教學方式設計

1.站在學生的基礎水平上，運用通俗易懂的語言講述科學原理。材料科學基礎作為專業基礎課，科學性比較強。科學原理的講解應該盡可能接近學生的基礎水平，運用通俗易懂的語言，深入淺出地講解科學問題。例如講述愛因斯坦光電效應這一經典理論時，如果直接從黑體輻射實驗開始，學生將面臨光量子、閾值等抽象概念，學習過程可能枯燥難懂。如果能舉出學生看得見、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，教師可以把光生電子過程類比為三級跳運動員跳遠，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，類似于光電子的能量越高。總之，理論來自實踐，科學理論是實驗的總結和升華，理論教學可以尋求工程實例作為輔助，使抽象理論變得通俗易懂。

2.“翻轉課堂”實踐“學生中心”。選取難易程度適當的知識點作為“翻轉課堂”內容，學生先利用精品課程線下自學，然后在課堂進行報告與討論，最后由教師釋疑或總結。以缺陷方程的書寫規則作為“翻轉課堂”的選題，因為學生的線下學習成果有差別，課堂報告的內容表現為：學生或列舉個別缺陷反應、或固溶分子式的書寫規則、也有個別同學還能總結出缺陷方程的書寫規則。盡管學生的報告內容有點面區別，深淺不同，但這些表現都是學生自主學習的成果，不同程度地反映了學習效果，最重要的是學生以主角參與了學習，課堂討論過程更是培養了學生辨別是非和論述的能力。“翻轉課堂”以學生為主導、充分調動了學生的積極性，同時培養學生的自主學習和分析總結的能力。

3.工程案例的分析過程促進學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，甚至觸及新的科學問題[5]。例如，學習多元系統擴散系數的內容時，克肯達爾效應（Kirkendall effect）表述為“由于多元系統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移動的現象”。學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”為例，教學效果明顯提高。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生的空位聚集而形成空洞。隨著空洞的長大，金—鋁接頭變弱，最終可能導致電子元件失效，接頭周圍由于出現合金化而變成紫色。學生親眼看見發生“紫災”的元器件，自然激發了尋找災難原因的興趣，教師順勢推演，闡述清楚了擴散機制。在此過程學生不但掌握了克肯達爾效應的理論意義，而且深入理解了克肯達爾效應的工程實際內涵，又培養了學生運用所學知識解決材料科學與工程領域復雜問題的能力。

4.利用現代教育技術+精品課程網絡平臺。多媒體作為現代教育技術的一種手段，具有直觀性、生動性、交互性和可重復性等特點[6]。材料科學基礎課程涉及大量的材料結構示意圖和公式推導，這些內容在傳統的授課過程存在著抽象難理解、推演費時間等問題。應用精品課程平臺的多媒體資源，既能提高幫助學生理解抽象問題，又可以節約在線教學時間。例如，相圖分析過程需要邊畫繪圖邊講解，傳統的板書繪圖需要大量的課堂時間，而且難免出現反復涂改和曲線模糊的問題。多媒體課件則根據析晶的過程逐步播放，直觀清晰，而且可以重復播放，幫助學生加深理解。另外，精品課程平臺設置課間提問、隨堂測驗、單元作業、課堂討論等教學任務和教學活動，以幫助學生有效進行學習。

（三）考核評價體系改革

考核評價是對教學大綱實施效果的檢驗與評估，也是獲得持續改進依據的途徑。基于工程教育認證的考核評價針對各個教學環節逐項考核，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合”“考試與考查相結合”“知識與能力相結合”的三結合方針，如圖所示。

四、結論與展望

實施工程教育專業認證可以促進材料科學與工程專業人才國際化，這是機遇，更是挑戰。為達到人才培養目標，達成畢業要求，深化課堂教學改革，提高課堂教學質量勢在必行，而且一定是一個持續改進的過程。材料科學基礎課程在達成畢業要求方面有切實的工作需要持續開展。另外，材料學科的前沿性決定了材料工程技術的快速更新，相應的工程技術人才的培養目標將不斷跟進工程技術領域的要求。教育教學改革的使命不僅僅立足于現在，更著眼于未來。在工程認證的過程中，教育教學需要堅持標準，但又不能拘泥于標準，要以開放的視野，培養適應國際市場、適應科技進步的可持續發展的專業人才。

參考文獻

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[3]尤園.基于工程教育專業認證的本科人才培養模式研究 [D].綿陽：西南科技大學大學，2018.

[4]彭開萍，邵艷群，李湘祁.基于工程教育認證的材料科學基礎課程建設[J].高等建筑教育，2017，26（6）：80-82.

[5]吳軻娜，趙文春，劉月林.基于工程案例的工程電磁場教學實踐探討[J].大學教育，2019（9）：89-91.

[6]王永東，王振廷，李柏茹，趙霞.應用型本科材料科學基礎多媒體課堂教學探討[J].中國冶金教育，2013（5）：19-22，23.

Abstract： Under the background of professional engineering education accreditation， the purpose of course teaching is to meet the graduation requirements. In order to reach the teaching objectives of the course in Fundamentals of Material Science， the teaching reform is really needed. Based on the three core concepts of engineering education accreditation： student centered， outcome-based education， and continuous quality improvement， this paper focuses on the problems existing in the teaching and the evaluation system of the course and reforms from the three aspects of teaching syllabus， teaching design and evaluation system.

Key words： engineering education accreditation; Fundamentals of Material Science; reform and practice