基于OBE理念的材料科學與工程專業綜合實踐課程教學改革*

馬冬威 趙紅利 張紅霞 羅成 沈培智 覃群

摘? 要? 針對當前材料科學與工程專業綜合實踐課程教學中存在的問題，以工程教育認證和省級重點專業建設的要求與理念為指導，系統開展專業綜合實踐課程教學改革。通過系統規劃，充分結合工程實際和學科競賽，開發具有開放性和設計性的專業綜合實驗項目，充分發揮學生的主動性，讓專業理論知識深度融入實踐教學中，提高學生的實踐動手能力，培養學生的創新意識以及解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞? 材料科學與工程；工程教育；OBE理念；綜合實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0142-04

0? 引言

工程教育專業認證是高等教育的重要組成部分，是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1-3]。對于高等院校，可以通過工程教育專業認證工作的開展，推動自身教育質量持續發展和進步[4-5]。成果導向教育（OBE，Outcomes-based Edu-cation）是工程教育認證的一個核心理念，在工程教育認證背景下，基于OBE理念的工程教育改革顯得尤為迫切和重要[6-7]。

湖北汽車工業學院秉承“工程教育回歸工程”的教學理念，堅持走“產學研創融合”的特色發展之路。培養和提升學生的工程能力是學校的重要責任和使命，專業綜合實踐是培養和提升學生工程能力的重要途徑[8]。通過專業綜合實踐訓練，學生將大學中學到的理論知識和技能充分融合與提升，培養創新意識和解決復雜工程問題的能力，最終成為現代企業發展所需要的復合型人才。

湖北汽車工業學院材料科學與工程專業綜合實踐是本專業學生必修的一門獨立設課課程，是學生學習本專業相關理論知識后進行專業技能訓練的重要方式。該課程重視理論與實踐相結合，以“重視應用、開拓思維、培養能力、提高素質”為指導思想，通過獨立實驗課程的學習和鍛煉，幫助學生深入理解相關金屬材料制備、強化、加工等相應專業知識，掌握具體的相關專業技能，培養學生實踐動手的能力、理論和實踐相聯系的能力以及對具體工程問題的分析和解決能力。

1? 傳統專業綜合實踐課程教學中存在的問題

1.1? 集約式以教師為主的傳統實驗模式

傳統專業綜合實踐課程同樣屬于獨立設課課程，有固定的上課時間，學生按照課表上的時間到實驗室上課。但是經過實踐教學發現，學生在規定的時間內只能完成簡單的綜合實驗項目，對于新開發的綜合多因素和培養綜合能力較強的設計性項目則難以完成，所以集約式的課程時間表已經不適應新的培養方案。在傳統的綜合實踐教學過程中，由于上課時長的限制，教師擔心學生在實驗過程中走彎路，在規定的時間內不能完成實驗，對實驗項目的講解過于細致，以至于有些需要學生按照自己的設計方案探索后才能獲得知識的環節被省略。

1.2? 實驗項目陳舊，缺乏開放性和設計性

傳統的專業綜合實驗項目基本是固定的幾個題目，學生不可以自主選擇研究對象，一般只要根據已有的實驗流程完成實驗，最后提交實驗報告即可。在這種教學方式下，學生最后所提交的報告大同小異，不能很好地體現創造性思維，因此，這類實驗項目不利于對學生材料分析和研究工作能力的培養。根據OBE理念，實驗項目需要具備開放性和設計性。比如，教師給每組學生一個具體的研究目的和要求，讓學生自己查閱資料、選題、設計實驗方案并實施，自己選擇檢測設備進行分析，然后完成報告。在整個過程中，教師在學生遇到問題時給予指導，這樣更有利于學生拓展知識范圍和提高解決實際工程問題能力。

1.3? 實驗項目所支撐的理論課程不夠豐富

專業綜合實踐開設于大四上學期，雖然是獨立設課課程，但是實驗項目需要的理論知識大都來自學生之前所學習的課程，因此，實驗項目的設計要有對應支撐的理論課程。但是一個實驗項目對應支撐的理論課程不能局限于一門課程，而是要在設計時體現出對多門課程的支撐，這樣才更有利于復合型人才的培養。

1.4? 與工程實際結合不夠緊密

傳統的專業綜合實踐課程教學大多局限于實驗室內部，實驗對象是統一的標準材料，學生在實驗室內完成實驗項目，項目內容與工程實際結合程度較弱，大多停留在對理論知識的驗證階段，對學生工程能力的培養遠遠不夠，這就迫切需要開發出適應當前工程教育理念的新教學項目。

1.5? 沒有線上教學內容

之前由于線上教學平臺較少，功能不夠齊全，線上教學方式受到限制，但是如今互聯網迅猛發展，線上教學平臺功能日益強大，可以滿足占用內存較多的視頻等教學資料的上傳。線上教學不僅僅是專業綜合實踐的一個輔助，更應成為教學內容的一部分。線上教學可以打破線下教學模式對于時間和空間的限制，學生通過線上教學資源的自主學習，對于教師講解部分可以進行一對一學習，對于實驗中可能用到的實驗設備和分析手段提前充分熟悉。

2? OBE理念導向的專業綜合實踐課程教學改革措施

2.1? 注重能力培養的教學內容設計

要開發具有開放性、設計性的能夠支撐多門理論課程知識的實驗項目。材料科學與工程專業綜合實踐開設于大四上學期，總學時為48 h，是學生做畢業設計之前重要的實踐環節，也是專業課程知識之間相互銜接和融合的平臺，實驗項目包括材料強韌化（10 h）、焊接工藝及組織研究（10 h）、材料表面處理（8 h）、失效零件的分析（10 h）和鋁合金熔煉與組織性能分析（10 h）。支撐的專業課程有材料熱處理原理及工藝、材料性能學、焊接冶金及金屬焊接性、材料表面工程、金屬腐蝕與防護、失效分析、汽車工程材料、材料合成與制備、金相技術、材料現代分析方法等。實驗項目與專業課程之間的支撐關系如圖1所示，可以看出新設計的實驗項目和專業課程之間存在多元支撐關系，即一個實驗項目可以支撐多門專業課程，主要目的是通過獨立實驗項目的學習和鍛煉，讓學生系統地掌握專業知識和工藝實踐方法并進行科學實驗和科學研究的基本訓練。著力培養和提高學生的實踐和創造能力，使學生成長為當今社會發展所需要的知識面寬、動手能力強、綜合素質高的人才。

2.2? 以學生為中心的教學過程

每個實驗項目開始前先要做一些必要的準備工作。以“鋁合金熔煉與組織性能分析”為例，教師先講解實驗項目背景、安全教育和注意事項，然后學生分組，發放實驗過程中需要的單晶硅、鋁錠、細化劑、變質劑、中間合金等原材料。每個小組設立一名組長，組長負責本組成員間、組與組之間以及和教師的溝通協調，并把握本組實驗進度。每組需要根據實驗指導書，查閱鋁合金熔煉、鋁合金強化和組織性能分析等方面的文獻資料，進行實驗方案設計，方案中需要體現對變量參數設置和實驗方法選擇的分析，要求每組之間的實驗參數不能重復。實驗方案制定后，需要以組為單位進行方案的可行性論證，學生講解本組實驗方案制定的依據、特點和預期效果；教研室教師作為評委，如果發現方案不具備實施條件或實施意義，指導學生進行修訂。

教師給出該實驗項目結束時間，實驗正式開始后，實驗進度由每組學生自行把握，學生可按照自己的時間節點到實驗室進行實驗，按照方案完成原材料配比計算、材料準備、熔煉、澆鑄和組織性能分析等過程，中間如果遇到問題可以請教，教師給予指點。整個實驗過程中都需要學生發揮創造性思維和主觀能動性去完成實驗項目。實驗項目結束時，每組學生需要進行項目答辯，評委教師對學生實驗開展和結果分析情況進行點評，指出學生完成實驗項目過程中的亮點和不足之處，以利于學生持續改進和學習。實驗項目結束后，指導教師按照課程評分標準，綜合學生實驗方案設計、實驗過程中的總體表現、實驗答辯和實驗報告等多個環節對學生實驗項目進行成績評定。

2.3? 教學項目與工程應用及學科競賽緊密聯系

按照OBE理念設計的實驗教學項目增強了項目與工程應用之間的聯系。以“失效零件的分析”實驗項目為例，采取開放性選擇項目研究對象，部分學生之前參與過課題，可以選擇之前研究過的失效零件作為研究對象，也可以選擇教師提供的零部件作為研究對象。教師大多與企業聯系緊密，平時做項目時積累了大量的失效零部件，這些來自企業實際的零部件均可以拿來作為開展實驗項目的對象。學生進行實際零件的失效分析研究，而不是簡單的試樣分析，可以大幅提高解決復雜工程問題的能力。

“失效零件的分析”實驗項目還結合“全國失效分析大獎賽”，比賽過程中，參賽學生除了對失效零件進行系統研究外，還需要掌握失效分析的理論知識。通過競賽，讓實驗項目得到進一步的延伸和拓展，學生的綜合能力也得到進一步提升。“材料強韌化”實驗教學項目結合“中國大學生材料熱處理創新創業大賽”和“全國大學生金相技能大賽”兩項國家級賽事，學生通過選擇不同的材料，制定相應的熱處理工藝方案進行熱處理實驗，然后通過金相制備、組織分析和力學性能分析等手段對材料強韌化的機理進行研究。該教學項目可以系統鍛煉學生在熱處理和金相技能方面的設計、實踐與歸納分析能力，為學生參加競賽奠定基礎。

2.4? 開發線上教學資源

目前，材料科學與工程專業綜合實踐基于學習通平臺上傳許多線上教學資源，如課程介紹視頻、教學實錄視頻、教學大綱、實驗指導書、電子書、金相圖譜和國家標準等。其中，課程介紹視頻詳細說明課程目標和要求、安全教育、注意事項等；教學實錄視頻介紹實驗材料、設備、流程和防護措施；電子書、金相圖譜和國家標準提供給學生查閱，用于熟悉實驗項目背景知識、制定實驗方案和分析結果。除了學習通平臺之外，還為學生提供一些虛擬實驗資源，如熱處理虛擬實驗、鑄造虛擬實驗等。通過虛擬實驗資源，學生可以對一些比較危險的實驗步驟有清晰的認識，對實驗流程提前預演，減少后期實操過程中的失誤。

3? 結束語

綜合實踐是材料科學與工程專業工程教育中培養學生工程能力的重要環節。基于OBE理念，以具有設計性、開放性的緊密聯系工程應用和學科競賽的綜合實驗項目為載體，實現以學生為中心、課程學習成果為導向、持續質量改進的課程教學模式，有利于學生專業課程知識和技能的充分融合、提升，有助于培養學生在工程實踐中的團隊合作意識、創新意識和解決復雜工程問題的能力。

參考文獻

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[7] 孫晶，張偉，任宗金，等.工程教育專業認證畢業要求達成度的成果導向評價[J].清華大學教育研究，2017，38（4）：117-124.

[8] 趙紅利，張紅霞，羅成.《材料工程基礎綜合實驗》教學改革探索[J].科技創新導報，2019，16（21）：206-208.

*基金項目：湖北汽車工業學院教改項目（JY2021025，JY2021077）；湖北省高校實驗室研究項目（HBSY2021-22）；湖北省高等教育學會專項課題（2021-39）；湖北省高校實驗室研究項目（HBSY2020-01）；湖北高校省級教學研究項目（2021382）；湖北汽車工業學院課程思政教育教學改革研究專項課題（21mdsz04）。

作者：馬冬威，湖北汽車工業學院，高級實驗師，研究方向為金屬材料及失效分析；趙紅利，湖北汽車工業學院，正高級實驗師，研究方向為材料表面工程及失效分析；張紅霞，湖北汽車工業學院，教授，研究方向為汽車工程材料；羅成，湖北汽車工業學院，教授，研究方向為粉末冶金；沈培智，湖北汽車工業學院，副教授，研究方向為新能源材料；覃群，湖北汽車工業學院，副教授，研究方向為材料表面工程（442002）。