材料工程專業碩士培養及能源材料課程CDIO教學模式探討與實踐

＊甘永平 張文魁 夏陽 張俊 黃輝

（浙江工業大學 材料科學與工程學院 浙江 310014）

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）的英文縮寫，CDIO教育理念是近年來國外關于工程教育模式改革的一個重要成果，是對工程教育經驗的總結，系統地提出了本科教育具有可操作性的能力培養、實施方法以及檢驗測評的標準[1]。我國2005年首次引入CDIO教學理念，2008年成立“教育部CDIO研究與實踐課題組”，試點高校已經超過100余所。近十年來，隨著中國經濟和社會的迅速發展，本科生招生規模不斷擴大，隨之而來的本科生就業困難和應用型專門人才短缺等問題日趨嚴重，增加專業碩士招生數量成為緩解上述問題的有效措施之一。目前，我校2021年專業型碩士和學術型碩士比例已接近1:1，但其教育模式多數沿襲學術型碩士培養方式，注重基礎理論研究，這種培養方法無法適應工程技術領域的人才需求。為此，2010年教育部下發《關于批準有關高等學校開展專業學位研究生教育綜合改革試點工作的通知》，批準60余所高校117個專業開展試點工作。“柔性培養模式”[2]“校企協同”[3]“五位一體”[4]等專業碩士培養模式被廣泛探索和實踐，力求將工程教育思想和工程實踐貫穿于專業碩士教學和研究之中，最終實現專業碩士的培養目標。

本教學團隊在分析我校材料工程專業學位培養和能源材料課程教學現狀的基礎上，借鑒CDIO教育教學理念，將構思、設計、實現和運作CDIO四要素契入能源材料課程教學之中，開展CDIO課程教學模式改革和實踐，為新工科建設背景下培養應用型高級工程人才提供有益的實踐經驗。

1.材料工程專業碩士教育教學現狀

材料工程專業學位主要培養具有堅實材料工程理論基礎和專業知識，了解材料工程行業內發展動向，掌握材料結構與性能分析方法、材料生產工藝、材料改性技術、材料工程規劃和質量監督等工程技術，具備從事新材料的研究和開發、生產工藝和設備管理和解決材料工程問題等方面專業技術能力的碩士研究生。目前，材料工程專業研究生培養尚存在許多問題，如課程體系不合理，研究生實踐基地運行困難，“雙導師”制度執行不到位等[5]。隨著專業學位碩士招生規模的擴大，我校近幾年對專業碩士培養和課程教學作了許多有益的探索，包括專業碩士和學術碩士培養分離，聘請企業導師及加強研究生企業實踐鍛煉等，就我校材料工程專業學位培養而言還存在以下問題。

(1)培養方案和培養模式不明確

我校材料工程專業方向包括金屬材料與成型，無機非金屬材料和高分子材料與成型，其培養方案經過多次高校之間調研，邀請企業專家座談和教學改革實踐，仍然存在專業方向特色不明顯，和市場需求結合不緊密，培養方案不能較好體現工程創新能力培養等缺點。培養模式一般第一學期以教學理論課程為主，后兩年完成學位論文課題研究，評價方式以發表學術論文或申請發明專利等形式考查是否達到申請專業碩士學位的標準。在這過程中無論是指導模式、學位論文選題、教學方法還是課程體系上均存在套用或沿襲學術型碩士培養模式，研究結果往往以發表學術論文所在期刊的影響因子評價學術水平，而不注重分析研究結果對解決實際工程問題的影響和工程創新性評價。材料工程專業碩士培養方案尚需進一步強化理論研究和工程實踐相結合，培養模式上需要增加實踐教學和工程研究環節，以適應工程型人才的迫切需求。

(2)課程體系設置不合理

材料工程課程體系是為培養材料類應用性高層次人才的課程群，我校材料工程專業學位課程體系在學術型碩士課程體系的基礎上，設立專業學位必修課程和選修課；其中選修課結合材料工程專業不同模塊方向和研究特色設置。如材料工程新能源材料方向主要包括材料結構與性能、材料電化學、新能源材料、燃料電池和鋰離子電池等主干選修課程，突出新能源材料方向鋰離子電池和燃料電池材料領域的研究特色。但課程體系涉及能源材料工程開發和工程管理方面課程欠缺，一方面，除少數導師具備較好的產業開發經驗外，多數青年教師甚至海外引進的高水平人才擅長理論研究，缺乏企業項目策劃、工程開發和質量監控等方面的實踐經驗，開設及教授工程類課程困難；另一方面，教學團隊在校內尚未建成中試規模的工程類產品教學實踐載體，一般通過參與企業合作項目或企業導師形式彌補工程實踐環節。

(3)企業導師制和實踐基地運行困難

企業導師制度是我校專業學位研究生培養提出的一種教育教學改革，每門課程和導師指導的專業學位研究必須聘任企業指導教師，要求企業導師具備高級工程師職稱，其目的是加強研究生和企業的聯系，有利于強化工程實踐教學，達到材料工程專業碩士學位的培養目標；但也存在許多問題，如企業導師所從事的專業和研究生課程教學或研究課題聯系不緊密，不具備良好的授課能力等。聘任的校外企業導師多數采用講座的形式，往往只是初步涉及企業發展狀況，工程開發背景和存在的部分工程問題分析，教育教學效果較差，更多流于形式甚至只是掛名，研究生得不到真實的實踐鍛煉和深入接觸工程項目、設備和管理等方面的關鍵問題。

實踐基地作為專業碩士培養工程能力的良好載體，研究生可以直接進入實踐基地參與相關工程項目開發和研究，但和本科生實踐基體不同，本科階段實習基地可以較好鍛煉本專業的學生分析問題，解決問題的能力。但研究生階段因導師課題千差萬別，跨學科跨專業或交叉學科比比皆是，實踐基地往往和研究培養課題不對應，甚至和部分研究課題完全不相關，同時企業也存在場地、資金、人員等方面不足，導致企業和學校建設研究生實踐基地的積極性不高，只限于掛牌或象征性示范，研究生實踐基地運行困難。

(4)材料工程專業能源材料課程教學中存在的問題

能源材料課程既是我校材料工程專業碩士的選修課，也是材料科學與工程本科專業功能材料方向的必選課，特別是為鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、氫能和生物質能源等研究方向研究生開設的具有一定工程背景的專業課，也是一門具有較強工程開發、工程管理等實踐性強和研究課題結合緊密的一門課程。總結該課程多年的教學實踐，主要存在以下問題：①學術型和專業學位研究生混班授課；②授課以講授為主，學生學習主動性不夠，發現問題、解決問題主觀意愿不強，不利于培養學生的創新意識和提高創新能力；③教學內容和教學方法，和企業需求、生產管理中存在的技術問題缺乏有效的聯系，學生欠缺工程背景知識和實踐，工程問題剖析往往成為教師的獨角戲；④課程中涉及工程問題的教學資源相對短缺，包括場地、生產設備、視頻資料等。

針對上述問題，學校專業碩士培養和課程教學不斷進行改革和實踐，包括企業、高校多方面調研完善培養方案和課程體系，優化課程設置和教學模式，凝練研究特色的同時強化工程問題訓練，完善企業導師制，加大專業學位碩士研究生在企業從事項目開發的時間等，力爭逐漸形成具有專業特色的材料工程專業學位研究生培養機制。同時加強課程教學改革，能源材料課程作為材料工程專業碩士實踐性很強的專業選修課，具有較強的工程背景和課程特點，將課程契合CDIO教育理念，從CDIO四要素出發進行教學模式探索和實踐，有利于改善上述缺點。

2.能源材料課程CDIO模式教學改革實踐

教學團隊在能源材料課程教學實踐中，將CDIO四要素：構思、設計、實現和運作滲透到教學目標、教學大綱、教學內容、教學模式和教學考核等各個環節中，通過案例分析、工程視頻、可行性分析報告、分組教學等形式，考查和培養研究生獨立思考、設計、分析和解決實際工程問題的能力。

(1)CDIO模式教學目標和教學大綱設計

能源材料課程教學目標為：培養學生獲取扎實的新能源利用技術和關鍵材料的基本理論；掌握關鍵材料的結構、性能、制備及工程應用，了解新能源材料的研究和發展狀況；了解新能源材料的研究、測試、生產工藝和質量監控方法；培養學生閱讀參考文獻和對所學知識整理、歸納和消化能力，培養學生理論聯系實際，研究和解決能源材料生產技術問題的能力，以適應和滿足當前新能源技術及關鍵材料迅速發展的狀況和人才需求。CDIO模式教學對此教學目標進行了修訂，強化工程方面的知識和技能培養，突出了材料研究和生產中解決實際問題的構思、設計、實現和運作能力的訓練。

CDIO模式能源材料課專業碩士課程教學大綱也進行了優化，教學內容上削減了部分能源材料基學科前沿的基礎性理論研究，增加了能源所指導教師研究項目，特別是企業開發的工程類項目運作分析，教學內容更側重于實際工程問題以及解決方案的構思和設計。課程考核方式采用分段式評價機制，除卷面基礎知識考核外，通過撰寫方案可行性分析報告，分組討論研究內容和解決方法等方式，增加企業實際問題分析及解決方案考核，以達到CDIO模式能源材料課程強化工程能力的實踐效果。

(2)CDIO模式教學組織實施

能源材料課程CDIO模式組織教學設計，以鋰離子電池部分章節為例如表1所示。教學內容結合能源材料課程的特點和教學團隊的科研基礎，特別是由企業提供大量的工藝和設備視頻資料，從新能源材料的發展前沿和生產工藝中存在實際問題出發，采用案例教學法、任務驅動教學法和分組討論法等，運用能源材料的結構、性質、測試方法和質量監控技術等理論基礎，分析討論新能源技術及關鍵材料中的工程技術問題。教學中運用CDIO理念，合理構思工程技術問題，直觀接觸企業產品、生產工藝（或工藝視頻）、了解質量控制方法等，在課程中觀摩產品工藝流程和生產管理，實施CDIO實現和運作環節，有利于加深對工程技術的理解和培養創新思維，訓練提高解決實際問題的能力。

表1 鋰離子電池關鍵材料CDIO模式教學設計

(3)CDIO模式教學任務準備

能源材料課程CDIO模式教學組織實施，需要布置教學目標、教學內容和構建問題等任務，并將學生進行分組和布置工程技術問題。由學生閱讀教材和查閱文獻，了解課題組與教學內容相關的項目實施情況，構思或與導師交流存在的工程技術問題，歸納文獻報道中該問題的研究狀況和解決方案。對教師而言需要系統的理論基礎和實驗技能，了解相關研究的前沿和行業動態，特別是需要具備豐富的工程技術開發經驗，熟悉教學內容涉及的工程技術、設備、工藝管理以及企業生產管理，并可以準備豐富的設備、測試和工藝流程等生產現場資料。具備條件也可以通過聘請企業導師開講座，或參觀企業實際生產線的方式組織實施教學。

(4)能源材料課程CDIO模式教學模式評價機制

CDIO教學模式注重構思、設計和實踐，可以體現較好的組織文獻、團隊合作、自主學習、溝通表達和分析問題的能力。通過聽課情況、分組發言、構建問題、總結資料、解決方案等多方面形成過程性評價；結合撰寫工程問題可行性報告（主要包括提出工程技術問題、評價當前該問題國內外研究狀況、解決實施方案、涉及主要工藝和設備、技術經濟分析等）和書面問題回答等評價該課程的學習和掌握情況。重點評價學生主動學習的能力、分析問題和解決問題的能力。

3.CDIO教育教學實踐總結

近年來，專業學位碩士培養模式被廣泛研究探討，本文從培養方案、課程體系、企業導師制和實踐基地等方面分析了我校材料工程專業學位培養的特點；重點分析了能源材料課程教學實踐中存在的問題；引入CDIO教育理念對該課程實施教學改革和實踐。研究表明能源材料課程CDIO模式可以取得以下積極效果：（1）大幅度提高研究生學習的主動性和自主學習能力；（2）有利于培養學生的工程實踐能力；（3）有利提高學生發現問題、分析問題和解決問題能力；（4）有利于培養應用型工程人才。但在該課程CDIO模式教學中也存在一些問題，主要包括：其一，學生本科專業背景不一，導致部分學生缺乏相應的材料科學基礎知識；其二，部分章節內容，教學團隊不具備該內容相關的工程項目和研究開發經驗；其三，評價體系不能兼顧到所有同學，僅適用于選課人數較少的班級實施。