工程教育認(rèn)證的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革

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［摘要］在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，課程教學(xué)的宗旨是達(dá)成畢業(yè)要求。為了實(shí)現(xiàn)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)，基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的三個(gè)核心理念：學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)，文章針對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)與考核體系存在的問題，從教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計(jì)和考核評(píng)價(jià)體系三個(gè)方面進(jìn)行改革與實(shí)踐。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認(rèn)證；材料科學(xué)基礎(chǔ)；改革與實(shí)踐

一、課程改革背景

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度[1]。工程教育專業(yè)開展工程教育認(rèn)證對(duì)引導(dǎo)專業(yè)教育改革和建設(shè)、加強(qiáng)工程教育實(shí)踐、提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。工程教育專業(yè)課程以認(rèn)證為契機(jī)，重構(gòu)課程知識(shí)體系，突出畢業(yè)要求的支撐點(diǎn)，調(diào)整考核評(píng)價(jià)體系，有利于培養(yǎng)國(guó)際化工程技術(shù)人才，促進(jìn)工程技術(shù)人員適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)需求[2]。東華理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程專業(yè)自開設(shè)23年以來，在課程教學(xué)理念、知識(shí)體系和教學(xué)方法等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，課程教學(xué)在培養(yǎng)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)等方面仍存在與畢業(yè)要求不相適應(yīng)的地方，需要切實(shí)地改革與實(shí)踐。

二、基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程調(diào)查與課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程教學(xué)的要求工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)三個(gè)核心理念。以學(xué)生為中心即教學(xué)活動(dòng)以學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展為中心，教師在教學(xué)過程從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者。成果導(dǎo)向指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，通過學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出來組織和開展教學(xué)、測(cè)試和評(píng)價(jià)。持續(xù)改進(jìn)是指通過評(píng)價(jià)和反饋，促進(jìn)人才培養(yǎng)體系中各環(huán)節(jié)、各單元的質(zhì)量持續(xù)提升[3]。

（二）課程狀況與基于工程認(rèn)證的主要問題歷經(jīng)數(shù)版大綱修訂，課程內(nèi)容由單一的無機(jī)非金屬材料知識(shí)體系發(fā)展到面向材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科專業(yè)。既往的課程教學(xué)大綱涉及課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及課程考核等方面。課程教學(xué)目標(biāo)主要體現(xiàn)在知識(shí)目標(biāo)和理解能力培養(yǎng)。課程內(nèi)容比較寬泛，知識(shí)體系涵蓋無機(jī)非金屬材料、金屬材料和高分子材料的知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)方法以基本是線下課堂、教師主導(dǎo)的單一模式。教學(xué)資源基本局限于一本書和一堂課。課程質(zhì)量評(píng)價(jià)以學(xué)校和學(xué)院層次督導(dǎo)為輔，教師主導(dǎo)評(píng)價(jià)為主，學(xué)生參與評(píng)價(jià)的份額比較小。課程考核盡管包括了平時(shí)成績(jī)和開始成績(jī)，但是平時(shí)成績(jī)僅依據(jù)于作業(yè)和課堂考勤評(píng)定。教學(xué)大綱作為教學(xué)和人才培養(yǎng)的藍(lán)本，應(yīng)該體現(xiàn)《材料本科專業(yè)類國(guó)家教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的共性和《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》的個(gè)性，個(gè)性統(tǒng)一于共性。課程目標(biāo)需要體現(xiàn)學(xué)生在知識(shí)、能力、素質(zhì)三方面的能力。課程內(nèi)容在保持面向一級(jí)學(xué)科專業(yè)的前提條件下，知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)圍繞本課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)旨在落實(shí)知識(shí)點(diǎn)，達(dá)成畢業(yè)要求。單一的線下一言堂教學(xué)模式需要切實(shí)改革，著力推行以學(xué)生為中心，采用線下線上混合模式，利用慕課資源，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛力，提高學(xué)習(xí)效果。匹配與教學(xué)方法相適應(yīng)的考核評(píng)價(jià)體系，保證每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)有監(jiān)督，有檢查，見實(shí)效。

三、課程改革措施與實(shí)踐

按照工程教育專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于我校材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀，借鑒國(guó)內(nèi)高校的經(jīng)驗(yàn)，在課程教學(xué)實(shí)施過程進(jìn)行了以下三個(gè)方面的改革與實(shí)踐。

（一）教學(xué)大綱既體現(xiàn)工科教學(xué)大綱的共性，又突出工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的特性教學(xué)大綱的個(gè)性與共性的體現(xiàn)必須支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)[4]。新版教學(xué)大綱除了包涵既往教學(xué)大綱的項(xiàng)目外，特別增加了涉及學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)三方面課程目標(biāo)，課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐，教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐。1.大綱內(nèi)設(shè)置的課程內(nèi)容緊盯實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。2018版大綱的計(jì)劃學(xué)時(shí)從2014版的90學(xué)時(shí)調(diào)整為72學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)減少并不是簡(jiǎn)單的刪節(jié)知識(shí)點(diǎn)，而是相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的整合。例如，21014版大綱中的面缺陷、材料的表面結(jié)構(gòu)和固體表面的潤(rùn)濕三個(gè)知識(shí)點(diǎn)分別設(shè)置在結(jié)構(gòu)缺陷、表面與界面和表面熱力學(xué)三個(gè)知識(shí)單元，這種設(shè)置引起內(nèi)容零散，重復(fù)講解。2018版大綱中把面缺陷、材料的表面結(jié)構(gòu)和固體表面的潤(rùn)濕三個(gè)知識(shí)點(diǎn)融合在一起，以典型的工程案例為載體，從材料的結(jié)構(gòu)、改性和性能方面整體貫通理論要點(diǎn)，學(xué)生在工程案例分析的過程中加深對(duì)基本概念和基本理論的理解，學(xué)會(huì)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)分析和解決工程問題，以期實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的知識(shí)、能力、素質(zhì)三方面的要求。2.課程內(nèi)容支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》和本課程在材料科學(xué)與工程專業(yè)課程體系的地位，篩選十二條畢業(yè)要求之“工程知識(shí)”的細(xì)化指標(biāo)點(diǎn)1—3，畢業(yè)要求之“分析問題”的細(xì)化指標(biāo)點(diǎn)2—2，畢業(yè)之“研究”的細(xì)化標(biāo)點(diǎn)4—2作為本課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐點(diǎn)。3.依據(jù)課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐，確立課程目標(biāo)。通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的工程基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，包括表征材料工程復(fù)雜問題涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)；能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)用于解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜問題；能夠靈活運(yùn)用基本原理、基礎(chǔ)知識(shí)及基本技能識(shí)別和表述材料的結(jié)構(gòu)、組成、加工及性能方面的復(fù)雜問題；充分運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析、解釋數(shù)據(jù)并通過合理演繹推理得出相關(guān)結(jié)論。

（二）課堂教學(xué)方式設(shè)計(jì)1.站在學(xué)生的基礎(chǔ)水平上，運(yùn)用通俗易懂的語(yǔ)言講述科學(xué)原理。材料科學(xué)基礎(chǔ)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，科學(xué)性比較強(qiáng)?？茖W(xué)原理的講解應(yīng)該盡可能接近學(xué)生的基礎(chǔ)水平，運(yùn)用通俗易懂的語(yǔ)言，深入淺出地講解科學(xué)問題。例如講述愛因斯坦光電效應(yīng)這一經(jīng)典理論時(shí)，如果直接從黑體輻射實(shí)驗(yàn)開始，學(xué)生將面臨光量子、閾值等抽象概念，學(xué)習(xí)過程可能枯燥難懂。如果能舉出學(xué)生看得見、摸得著的例子，效果就大不一樣。舉例太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)，教師可以把光生電子過程類比為三級(jí)跳運(yùn)動(dòng)員跳遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)員比作電子，電子需要克服的閾值比作沙坑跨度，那么運(yùn)動(dòng)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(dòng)能。初動(dòng)能越大，運(yùn)動(dòng)員超過沙坑邊緣的距離越遠(yuǎn)，類似于光電子的能量越高?？傊?，理論來自實(shí)踐，科學(xué)理論是實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和升華，理論教學(xué)可以尋求工程實(shí)例作為輔助，使抽象理論變得通俗易懂。2.“翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)踐“學(xué)生中心”。選取難易程度適當(dāng)?shù)闹R(shí)點(diǎn)作為“翻轉(zhuǎn)課堂”內(nèi)容，學(xué)生先利用精品課程線下自學(xué)，然后在課堂進(jìn)行報(bào)告與討論，最后由教師釋疑或總結(jié)。以缺陷方程的書寫規(guī)則作為“翻轉(zhuǎn)課堂”的選題，因?yàn)閷W(xué)生的線下學(xué)習(xí)成果有差別，課堂報(bào)告的內(nèi)容表現(xiàn)為：學(xué)生或列舉個(gè)別缺陷反應(yīng)、或固溶分子式的書寫規(guī)則、也有個(gè)別同學(xué)還能總結(jié)出缺陷方程的書寫規(guī)則。盡管學(xué)生的報(bào)告內(nèi)容有點(diǎn)面區(qū)別，深淺不同，但這些表現(xiàn)都是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的成果，不同程度地反映了學(xué)習(xí)效果，最重要的是學(xué)生以主角參與了學(xué)習(xí)，課堂討論過程更是培養(yǎng)了學(xué)生辨別是非和論述的能力?！胺D(zhuǎn)課堂”以學(xué)生為主導(dǎo)、充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和分析總結(jié)的能力。3.工程案例的分析過程促進(jìn)學(xué)生對(duì)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(xué)生在工程問題的分析過程不僅掌握了基本理論，還可以擴(kuò)展理解的深度和廣度，甚至觸及新的科學(xué)問題[5]。例如，學(xué)習(xí)多元系統(tǒng)擴(kuò)散系數(shù)的內(nèi)容時(shí)，克肯達(dá)爾效應(yīng)（Kirkendalleffect）表述為“由于多元系統(tǒng)中各組元擴(kuò)散速率不同而引起的擴(kuò)散偶原始界面向擴(kuò)散速率快的一側(cè)移動(dòng)的現(xiàn)象”。學(xué)生對(duì)這樣的抽象描述難以理解透徹。此時(shí)以電子器件的“紫災(zāi)”為例，教學(xué)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(kuò)散，由于擴(kuò)散速率不同產(chǎn)生的空位聚集而形成空洞。隨著空洞的長(zhǎng)大，金—鋁接頭變?nèi)酰罱K可能導(dǎo)致電子元件失效，接頭周圍由于出現(xiàn)合金化而變成紫色。學(xué)生親眼看見發(fā)生“紫災(zāi)”的元器件，自然激發(fā)了尋找災(zāi)難原因的興趣，教師順勢(shì)推演，闡述清楚了擴(kuò)散機(jī)制。在此過程學(xué)生不但掌握了克肯達(dá)爾效應(yīng)的理論意義，而且深入理解了克肯達(dá)爾效應(yīng)的工程實(shí)際內(nèi)涵，又培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決材料科學(xué)與工程領(lǐng)域復(fù)雜問題的能力。4.利用現(xiàn)代教育技術(shù)＋精品課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。多媒體作為現(xiàn)代教育技術(shù)的一種手段，具有直觀性、生動(dòng)性、交互性和可重復(fù)性等特點(diǎn)[6]。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程涉及大量的材料結(jié)構(gòu)示意圖和公式推導(dǎo)，這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的授課過程存在著抽象難理解、推演費(fèi)時(shí)間等問題。應(yīng)用精品課程平臺(tái)的多媒體資源，既能提高幫助學(xué)生理解抽象問題，又可以節(jié)約在線教學(xué)時(shí)間。例如，相圖分析過程需要邊畫繪圖邊講解，傳統(tǒng)的板書繪圖需要大量的課堂時(shí)間，而且難免出現(xiàn)反復(fù)涂改和曲線模糊的問題。多媒體課件則根據(jù)析晶的過程逐步播放，直觀清晰，而且可以重復(fù)播放，幫助學(xué)生加深理解。另外，精品課程平臺(tái)設(shè)置課間提問、隨堂測(cè)驗(yàn)、單元作業(yè)、課堂討論等教學(xué)任務(wù)和教學(xué)活動(dòng)，以幫助學(xué)生有效進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（三）考核評(píng)價(jià)體系改革考核評(píng)價(jià)是對(duì)教學(xué)大綱實(shí)施效果的檢驗(yàn)與評(píng)估，也是獲得持續(xù)改進(jìn)依據(jù)的途徑?；诠こ探逃J(rèn)證的考核評(píng)價(jià)針對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)逐項(xiàng)考核，形成一套完整的考核體系，該體系充分反映了“平時(shí)考核與期末考核相結(jié)合”“考試與考查相結(jié)合”“知識(shí)與能力相結(jié)合”的三結(jié)合方針，如圖所示。

四、結(jié)論與展望

實(shí)施工程教育專業(yè)認(rèn)證可以促進(jìn)材料科學(xué)與工程專業(yè)人才國(guó)際化，這是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。為達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)，達(dá)成畢業(yè)要求，深化課堂教學(xué)改革，提高課堂教學(xué)質(zhì)量勢(shì)在必行，而且一定是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程在達(dá)成畢業(yè)要求方面有切實(shí)的工作需要持續(xù)開展。另外，材料學(xué)科的前沿性決定了材料工程技術(shù)的快速更新，相應(yīng)的工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)將不斷跟進(jìn)工程技術(shù)領(lǐng)域的要求。教育教學(xué)改革的使命不僅僅立足于現(xiàn)在，更著眼于未來。在工程認(rèn)證的過程中，教育教學(xué)需要堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)，但又不能拘泥于標(biāo)準(zhǔn)，要以開放的視野，培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)、適應(yīng)科技進(jìn)步的可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)人才。

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作者：鄭舉功 石俊 那兵 單位：東華理工大學(xué)