基于OBE-CDIO模式的復合材料與工程專業計算機能力培養體系的構建與實踐

馬馳 王娜 于智

摘 ?要：隨著國際工程教育認證的不斷開展，對學生利用計算機解決復雜材料學問題的能力培養也越來越受到重視，但是在傳統培養模式下，復合材料與工程專業的計算機類課程體系已很難有效支撐現階段的培養目標和畢業要求，亟須進行有效改革。文章結合復合材料的專業特點和多年來的教學改革實踐，從目前復合材料與工程專業計算機類課程體系的現狀分析入手，提出在先進OBE-CDIO培養模式引領下，通過課程體系優化、教學內容創新以及考核方式改革等舉措全面提升復合材料與工程專業學生的計算機能力水平，以期為相關院校的專業課程體系改革提供有益的借鑒。

關鍵詞：復合材料與工程專業;計算機能力培養;課程體系建設;OBE-CDIO模式

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2022）10-0136-04

復合材料是將兩種或兩種以上化學或物理性質不同的材料，通過先進制備技術組合優化而成的一種新型材料，可廣泛應用于航空航天、裝備制造、電器電子等領域，其不僅在國民經濟生活中占有重要地位，而且已經成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。復合材料與工程專業正是以培養具備復合材料專業基礎知識和生產應用技能的高素質人才為目標的普通高校本科專業，其于2012年正式納入《普通高等學校本科專業目錄》，近年來隨著復合材料產業的不斷發展，對該類型人才的需求量也大幅增加，對人才的培養質量要求也越來越高，截至2020年10月，全國已開設有復合材料與工程專業的學校有44所，如何提升復合材料與工程專業學生的培養質量，對接國際工程教育認證，構建合理的知識結構體系，已經是開設該專業的全國各高校關注的焦點[1-2]。在復合材料與工程專業能力培養中，利用計算機及現代科技手段解決復合材料領域中復雜工程問題已成為十分重要的能力培養目標之一，也是國際工程認證重點考核畢業要求之一[3-4]，但由于復合材料與工程專業建設起步較晚，且計算機能力培養屬于交叉領域學科，對教師知識面的深度和廣度要求較高，全國尚沒有完善的案例可參考，亟須探索出一套切實可行的、符合中國國情的復合材料與工程專業計算機能力培養體系。沈陽化工大學于1996年便開設了復合材料與工程專業，目前已有近三十年的歷史，并且于2003年率先為復合材料與工程專業開設了“計算機在材料科學中的應用”課程，經歷近20年的努力，在計算機能力培養方面積累了豐富的經驗。本文從復合材料與工程專業計算機能力培養中先進培養理念引進、課程體系優化、教學模式創新、訓練平臺建設、考核方式改革等方面入手，探討復合材料與工程專業人才培養的經驗和模式，為提高復合材料與工程專業人才培養質量，提升學生創新能力、實踐能力和應用現代化技術手段解決復雜工程能力提供有益參考，對促進國內復合材料與工程專業發展，對接國際工程認證具有重要借鑒作用。

一、復合材料與工程專業計算機能力培養體系的現狀

目前理工科院校開設的復合材料與工程專業，大都延續了傳統材料學專業的特點，比較注重材料學基礎知識體系和實踐能力的培養，開設的課程內容主要包括材料科學基礎、材料物理、材料化學、復合材料加工工藝學和復合材料成型設備與模具等課程，很大程度上可幫助學生建立起復合材料學研究所需的專業知識體系，而像計算機科學基礎、電工學、管理學等課程長期以來主要作為公共選修課或限選課加以開設，用來作為專業基礎知識的補充，而沒有受到足夠的重視。對于計算機能力的培養，有的院校僅單純地依賴非本專業的老師開設的“計算機科學基礎”一門課作為支撐，在未進行工程認證之前，這種現象在很多開設該專業的高校中十分普遍。目前，對于計算機類課程體系的設置本身存在以下幾個問題：

（一）對于計算機類課程的重視程度不夠

目前計算機的發展已經日新月異，滲透到復合材料制備的每一個環節，甚至已經成為復合材料學研究的一個重要分支，僅以通識性的計算機科學基礎作為復合材料與工程專業的計算機能力支撐顯得過于單薄，也無法保障學生在畢業后能夠獨立利用計算機解決復合材料學中的問題，因此，僅僅通過這一門課的安排顯然無法達到學生計算機能力培養的要求，亟須院校提升對計算機類課程的重視程度，以更好地支撐復合材料與工程專業的培養目標。

（二）計算機類課程內容過于單一，缺乏專業性和實效性

近年來隨著國際工程教育認證的開展，各專業的教學培養模式也越來越完善。在國際工程教育認證體系中，對于學生畢業時的計算機能力也有著明確的要求，在十二項畢業要求中占據著十分重要的地位，因此越來越多的院校也逐漸意識到計算機類課程的重要性，不但將“計算機基礎”課程設為必修課，而且增加了“計算機在材料科學中的應用”等課程，以期為該項能力培養提供更好的支撐。但在實際操作的過程中卻發現，由于復合材料與工程專業計算機課程是一門新興的課程，可參考的經典案例很少，很多高校的復合材料專業大都采用了之前針對金屬類專業學生開設的課程內容和教材，里面包括相圖的計算機輔助分析、鍛造等工藝過程的計算機仿真等內容，與復合材料的實際生產過程相差甚遠，針對性不強，并且由于該教材是十多年前編寫的，近年也沒有再版，一些新型的計算機分析手段也沒有提及，實效性大打折扣，亟須引入復合材料相關的教學內容和先進的分析方法來提高學生對該現代分析手段的認知。

（三）目前所采用的教學手段較為單一，實踐性不強

目前大多數院校講授的計算機類課程其理論學時都占了大多數，而實踐內容較少，不利于學生充分掌握計算機技能。雖然計算機理論在計算機使用過程中有著十分重要的作用，但計算機實際操作技能在學生利用計算機解決復雜材料學問題時起著至關重要的作用。重理論、輕實踐的教學方法，不利于學生能力的培養，高校亟須提升計算機類課程的實踐上機學時數，在實踐中培養學生的計算機能力。

（四）師資力量薄弱，考核方式單一

由于是要培養學生利用計算機解決復合材料工程中的問題，這就要求任課教師既要懂得計算機知識，還得了解復合材料學中的一些基本原理，該領域屬于交叉學科領域，對任課教師的能力要求較高，以往全部請計算機專業的老師任教，顯然無法達到專項能力培養的要求，而復合材料與工程專業的老師又很少有計算機專業背景，凸顯出該類課程優秀任課教師的匱乏、師資質量亟待提高等問題。此外，對于計算機能力的考核方式大多仍停留在筆試考核，由于筆試考核的局限性，很難反映學生真實的利用計算機解決實際問題的能力。

伴隨著國家“雙一流”建設和國際工程教育理念的深入人心，高校人才培養更加強調學科的實用性、交叉性與綜合性，但傳統復合材料與工程專業計算機能力培養體系嚴重滯后于目前專業技術水平的發展，很難滿足國際工程教育認證對于學生該方面能力的要求，因此對復合材料與工程專業計算機課程體系的改革具有充分的必要性和緊迫性。

二、復合材料與工程專業計算機能力培養體系的改革內容

通過國際工程教育認證使全國各具有復合材料與工程專業的院校都充分認識到了對學生計算機能力培養的重要性，但是如何構建完善的、可操作性強的、針對復合材料與工程專業的計算機能力培養的教育教學體系，成為困擾教育教學管理者的難題。近年來，針對這一問題，沈陽化工大學進行了多次的教學體系改革，逐漸探索出一條適合復合材料與工程專業學生計算機能力培養的新途徑和新舉措，取得了良好效果，具體改革內容如下：

（一）先進培養理念引進

對于一個專業來說，完善的教學體系，離不開先進培養理念的指引。為了適應目前復合材料的發展方向和現代化人才培養要求，沈陽化工大學在復合材料與工程專業的人才培養方案和具體課程大綱的制定上就充分吸收和引入先進的教育教學理念，以“113”應用型人才培養體系的構建為基礎，引入成果導向（OBE）的優秀人才培養理念[5]，遵循構思、設計、實現和運作（CDIO）的人才培養模式。“113”人才培養模式基于反向設計原則，強調能力本位教育，要求能力結構與課程體系之間有一種清晰的映射關系。通過對在校生、畢業生和用人單位等的走訪、問卷調查、電話和會議交流等方式獲得對復合材料與工程專業學生應具有的計算機技能的第一手資料。然后根據調研結果，通過專家工作組和專業教師的多次研討，將需求轉換為人才培養目標，再根據工程認證標準將人才培養目標確定為學生畢業時應具有的計算機知識、能力和素質的畢業要求，依據OBE理念將畢業要求細化為復合材料與工程專業的畢業標準。而落實CDIO模式的第一個環節正是課程體系設計，通過對CDIO工程教育模式的深入學習和討論，理清了計算機類課程體系設計的思路。以課程間的知識、方法、問題等邏輯聯系為結合點，通過課程的整合，設置了課程群，建立了課程之間的有機聯系，使先進培養理念融入每一個課程教學環節。

（二）課程體系優化

在OBE+CDIO培養模式的指引下，沈陽化工大學對復合材料與工程專業的計算機課程體系進行大幅優化，進行了課程的“加減法”。原先第二學期開設的“計算機科學基礎”課程不變，但學時由原來的48學時減少為32學時，取消第四學期開設的“C語言程序設計”限選課，在第五學期增加“計算機在材料科學中的應用”課程，并且由原先的32學時增加為40學時，并且將原先的24學時理論+8學時上機實踐，改為16學時理論+24學時上機，大幅增加學生實踐比例。此外，在第七學期還增加了復合材料制品的課程設計實踐，讓學生利用計算機進行復合材料結構的設計，在課程設計實踐中，增加其實際解決復合材料問題的應用能力。并且在畢業論文中，也安排一部分學生通過計算機仿真針對某一實際生產單位的復合材料產品進行設計，進行成果導向的專項研究與創新實踐。

（三）教學內容創新

摒除目前復合材料與工程專業計算機類課程教學中陳舊性或針對性不強的課程內容，取消在“計算機科學基礎”中的DOS操作原理，“計算機在材料科學中的應用”中的金屬相圖分析軟件的使用等內容講解，僅提供相關素材和資源供其校外閱讀。增添復合材料與工程專業使用較多、實用性較強，并且符合時代發展趨勢的專業軟件課程內容。如增加PAM-RTM、MoldFlow等復合材料制備及加工仿真軟件的使用講解，引入如Origin、ImageJ等數據和圖片處理軟件的介紹，拓展Matlab人工神經網絡及復合材料網絡數據庫的相關內容講解。在實際授課過程也一改以往單一的理論教學，引證更多的實例，使學生在每一個案例中逐漸體會軟件的思路和具體的操作技巧。如在講解PAM-RTM使用時，以復合材料層合板為例，講解不同纖維鋪設方向對復合材料力學性能和熱力學性能影響的仿真分析，使內容更符合應用實際。在ImageJ的教學中，以無機粒子在聚合物基體中的分散為例，講解利用該軟件進行粒徑分析的具體過程，進而判斷其分散狀況，而不是枯燥地講解每一操作菜單的使用，使學生通過實例來理解軟件的操作邏輯，再結合理論課的內容，讓學生進一步體會軟件的計算原理，以后根據不同應用場合合理使用適當的方法，使學生在掌握軟件使用方法的同時，提升其再開發的能力。通過設置更加合理的課程教學內容，更好地服務后續課程設計和畢業論文研究的需求，支撐培養目標的達成。此外，為了提升教師在該方面的教學和專業技能，派遣有潛力、高素質的優秀年輕教師利用假期積極參與專業軟件的應用技能培訓班，并且不定期地舉辦周圍院校相關專業的教學研討會，不斷提升教師在該方面的教學理念和教學水平。

（四）考核方式改革

計算機類課程傳統的考核方式大多為筆試，但是該類課程大多為實際應用性較強的課程，筆試很難考查出學生的真實能力水平。為了更好地考查此類課程的教學效果，沈陽化工大學復合材料專業對計算機類課程的考核方式也進行了大膽地改革，取消平時成績的比例限制，教師可根據實際教學情況大幅提高平時成績的比例，使計算機類課程的期末成績不再“一考定輸贏”，淡化期末考試成績的重要性。但這種考核方式并不代表完全放松對學生的考核要求，為了配合這種考核方式，必須制定嚴格的平時成績判定標準和行程性評價制度。要求在教師在平時教學過程中，不但要及時認真地評閱和收集學生的課后作業和實踐結果，還要求所有作業和實踐練習必須做到“一人一題”，避免學生的簡單復制，造成大量雷同。如在進行利用計算機進行聚酰胺的分子式繪制時，安排學生根據學號繪制不同的分子式，學號第一位加1為多元酸的碳原子數，第二位為多元胺的碳原子數，這樣就使每一位同學繪制的分子式都不同，更有利于對其真正能力進行考查，并通過在實踐過程中的按比例打分的模式，對學生實踐過程、思路想法和最終結果進行綜合評判，使平時成績更加客觀，并且結果要在第一時間公布給同學，接受學生監督，所有平時成績相關的行程性評價內容都必須有據可查，確保最終成績的合理性和有效性。

三、結語

經過多年的不斷探索和改革，針對復合材料與工程專業的計算機能力培養體系構建取得了積極成果，經在校生的綜合測評，計算機類課程的滿意度由2015年的63.8%，提升至2020年的95.2%。在對用人單位的問卷調查中，認為畢業生計算機能力可基本滿足企業需要的由原來的42.3%提升至92.1%，教學改革效果十分明顯，有效提升了復合材料與工程專業學生的社會認可度，也是對OBE-CDIO人才培養模式的有益探索和實踐。復合材料專業是一個國家綜合科技實力的體現，該領域專業高技能人才的培養對我國的科學技術發展和經濟建設起到至關重要的作用，只有不斷提升人才培養理念，完善人才培養體系，才能使國內的復合材料與工程專業的人才培養水平與國際接軌，為社會主義經濟建設和科技發展提供更有效的智力支撐。

參考文獻：

[1] 韓克清，金俊弘. 復合材料與工程專業工程實踐能力培養體系的構建與思考[J]. 高分子通報，2019（08）：79-82.

[2] 潘育松，盛紹頂，王靜，等. 復合材料工程專業“雙創型”人才培養模式研究[J]. 教育教學論壇，2019（10）：156-157.

[3] 朱凱，王儀. 以專業認證促工科“一流專業”建設的探討[J]. 大學，2021（23）：31-33.

[4] 楊少鋒，周航，楊亞楠，等. 工程認證背景下的復合材料專業教育培養體系建設研究[J]. 教育現代化，2019，6（04）：78-80.

[5] 毛廣湘. 基于OBE理念的人才培養方案編制[J]. 大學，2021（25）：26-29.

（責任編輯：羅欣）

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“高分子材料成型加工虛擬仿真雙創中心”（項目編號：201801205013）;沈陽化工大學一流課程建設項目“計算機在材料科學中的應用”;沈陽化工大學教育教學培育工程項目“新工科視域下《高分子化學》金課建設”。

作者簡介：馬馳（1979—），男，博士，沈陽化工大學材料科學與工程學院副教授，研究方向為復合材料教學;王娜（1977—），女，博士，沈陽化工大學材料科學與工程學院院長，教授，研究方向為復合材料教學;于智（1969—），女，博士，沈陽化工大學材料科學與工程學院副院長，副教授，研究方向為材料化學教學。