趙春霞，周 靜，劉曰利

(武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070)

工程教育認(rèn)證導(dǎo)向材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

趙春霞，周 靜，劉曰利

(武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070)

武漢理工大學(xué)以工程教育認(rèn)證理念為指導(dǎo)，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(OBE)，針對材料物理專業(yè)特點(diǎn)，以“預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出”為中心，依托材料科學(xué)與工程優(yōu)勢學(xué)科特色，并結(jié)合專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，探討材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐。文中介紹了在材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)建設(shè)持續(xù)改進(jìn)方面的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

工程教育認(rèn)證；材料物理；持續(xù)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

美國工程與技術(shù)認(rèn)證委員會(ABET)是國際工程教育專業(yè)認(rèn)證互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的發(fā)起組織之一。2013 年，我國工程教育成功加入《華盛頓協(xié)議》，這是我國提升工程教育水平、加快與國際接軌的重大契機(jī)。在工程教育認(rèn)證背景下，重新審視材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)建設(shè)過程中的問題和不足，持續(xù)改進(jìn)，是優(yōu)化與完善人才培養(yǎng)體系的重要內(nèi)容。

工程教育認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)的基本理論知識，具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷，具備設(shè)計(jì)和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的能力，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。此基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(outcomes-based education，OBE)最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革[1]。

William G. Spady認(rèn)為OBE實(shí)現(xiàn)了教育范式的轉(zhuǎn)換，學(xué)生學(xué)到了什么和是否成功，遠(yuǎn)比怎樣學(xué)習(xí)和什么時候?qū)W習(xí)重要[2]。西澳大利亞教育部門把OBE定義為“基于實(shí)現(xiàn)學(xué)生特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育過程。教育結(jié)構(gòu)和課程被視為手段而非目的。如果它們無法為培養(yǎng)學(xué)生特定能力作出貢獻(xiàn)，它們就要被重建”[3-4]。 因此，“以學(xué)生為中心”“目標(biāo)導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”，是工程教育專業(yè)認(rèn)證的基本理念[5]。

材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)是本學(xué)科大學(xué)生最重要的實(shí)踐和創(chuàng)新能力訓(xùn)練之一。武漢理工大學(xué)通過持續(xù)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)和提升實(shí)驗(yàn)室管理水平，推進(jìn)了材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。本文是在武漢大學(xué)材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年累積的基礎(chǔ)上，以工程教育認(rèn)證為引導(dǎo)，將OBE理念引入材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)中，持續(xù)改進(jìn)，提出一些心得體會來和大家分享。

1 材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義

學(xué)科間或跨學(xué)科活動，形成新的知識體系而構(gòu)成了交叉科學(xué)。學(xué)科交叉點(diǎn)往往是科學(xué)新的生長點(diǎn)、新的科學(xué)前沿，最有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破[6]。材料科學(xué)是重要的交叉學(xué)科之一，材料物理專業(yè)的特色方向在半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料、光電子材料、磁性材料以及和微電子器件等領(lǐng)域。材料物理是一門基礎(chǔ)與應(yīng)用、理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)本領(lǐng)域本專業(yè)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。它不僅可以通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證理論課學(xué)習(xí)的相關(guān)知識，強(qiáng)化學(xué)生對專業(yè)知識的理解與運(yùn)用，同時也可以通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探索創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新思維，進(jìn)而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力[7]。

當(dāng)前，提高我國高等工程教育的質(zhì)量是我國培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人員的重點(diǎn)之一。在我國建設(shè)創(chuàng)新型國家、高校建設(shè)創(chuàng)新型大學(xué)的形勢下，人們對材料物理類人才培養(yǎng)提出了更高的要求。

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇，新型功能材料，特別是新能源類、新信息類和新型環(huán)保類材料，以及基于新型功能材料和納米結(jié)構(gòu)的特殊電學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)、磁學(xué)等性能，成為各國科技發(fā)展的前沿和戰(zhàn)略重點(diǎn)。這就要求材料物理類專門人才不僅通曉傳統(tǒng)材料的制備、結(jié)構(gòu)、特性與性能，還特別需要了解材料物理的理論前沿、應(yīng)用前景和最新發(fā)展動態(tài)，具備創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。因此，以工程教育認(rèn)證理念為指導(dǎo)，基于OBE模式，針對材料物理專業(yè)特點(diǎn)，以“預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出”為中心，依托材料科學(xué)與工程優(yōu)勢學(xué)科特色，并結(jié)合本專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，探討材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐，無疑是十分重要和迫切的。

材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與相關(guān)專業(yè)理論教學(xué)緊密銜接，是課堂理論教學(xué)的拓展和延伸，具有明顯的基礎(chǔ)性、通用性、典型性，對培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思想、創(chuàng)新能力和動手能力有著重要作用，被許多高校設(shè)為專業(yè)基礎(chǔ)必修課。

然而，材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，學(xué)生實(shí)際動手操作的機(jī)會少。部分高校雖然開設(shè)了設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn)，但也普遍是由授課教師設(shè)計(jì)，學(xué)生沒有實(shí)際參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。此外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢，傳統(tǒng)的材料物理性能實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容較單一、滯后，缺乏創(chuàng)意，無法有效激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，難以適應(yīng)新形勢下人才培養(yǎng)的需求，不利于實(shí)現(xiàn)材料物理創(chuàng)新型工程技術(shù)人員培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。然而，新材料制備和性能測試需要新的試驗(yàn)設(shè)備，這些設(shè)備通常比較昂貴。目前高校普遍存在教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，無法做到及時更新。另外，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教材和指導(dǎo)書欠缺，學(xué)生所用的基本上為自編講義。

2 材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

隨著教學(xué)改革的深入，材料物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)將逐步建設(shè)成為適應(yīng)整個材料科學(xué)與工程專業(yè)不可或缺的實(shí)踐課程。如何通過教學(xué)改革，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、更新教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，實(shí)現(xiàn)材料物理創(chuàng)新型工程技術(shù)人員培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成已成為當(dāng)務(wù)之急。

2.1 持續(xù)完善綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

材料物理學(xué)科是一個理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，因此，我們提倡要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)放在與理論教學(xué)同等重要的地位。為此，我校2004年開設(shè)了材料物理綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是一種完全有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[8-9]。我們通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和課程體系進(jìn)行不斷優(yōu)化整合，做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相互協(xié)調(diào)，逐步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的知識結(jié)構(gòu)，將孤立、分散的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，使學(xué)生掌握材料科學(xué)研究方法和手段及實(shí)驗(yàn)流程，親自動手，完成從材料制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測試、結(jié)果分析到實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的全部環(huán)節(jié)。

在新形勢下，為使綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)更趨科學(xué)化、系統(tǒng)化，我們總結(jié)了10年的教學(xué)實(shí)踐改革經(jīng)驗(yàn)，提出使教學(xué)和科研充分融合，以科研引領(lǐng)教學(xué)，改革教學(xué)方法，豐富教學(xué)內(nèi)容，逐步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[10]。近年來，湖南科技大學(xué)在材料化學(xué)專業(yè)教學(xué)中，也提出了“科研與教學(xué)互動”的教學(xué)理念，把科研課題與材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，取得了良好的教學(xué)效果[11]。

表1 材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目 名

注：1)實(shí)驗(yàn)類型中，1為設(shè)計(jì)研究；2為綜合性

2.2 共享科研設(shè)備，逐步更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中，注重把握新能源、信息、環(huán)保等新功能材料探索方向和我國科技發(fā)展的前沿和戰(zhàn)略重點(diǎn)，逐步更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。針對我校材料物理專業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合我校材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室和材料學(xué)科特色，2010年以來，不斷汲取材料物理學(xué)科技術(shù)發(fā)展的新成果，開設(shè)一系列選做實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)。請科研一線的教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，把科研成果和科研手段逐步引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積極探索實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享，以求緩解本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大型設(shè)備購置難的問題。即把新型科研設(shè)備引入教學(xué)，借助這些費(fèi)用昂貴的新型設(shè)備，增設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，緊跟材料物理學(xué)科發(fā)展前言，拓展學(xué)生的視野，提高自主學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步促進(jìn)大學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。基于科研平臺而開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表2。

此外，在材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極探索中，主動申請教育部財(cái)政部改善基本辦學(xué)條件項(xiàng)目，更新陳舊設(shè)備，補(bǔ)充臺/套數(shù)不足，申購新型教學(xué)設(shè)備，逐步改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，穩(wěn)步更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，與國家戰(zhàn)略性研究和學(xué)科前沿接軌。擬申購的設(shè)備主要是面向新能源材料與器件方向的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。依托我校材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、燃料電池與氫能源技術(shù)國家工程研究中心、湖北省燃料電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合我校在新能源材料與器件研究的特色，擬開設(shè)鋰離子電池正極材料制備與電池性能測試、太陽能電池材料制備與微加工實(shí)驗(yàn)、熱電材料制備與性能測試、燃料電池制備與性能測試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中對于本科生動手能力、創(chuàng)新能力、工程化能力培養(yǎng)的達(dá)成度。

表2 基于科研平臺的材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

注：1)實(shí)驗(yàn)類型中，1為演示性；2為驗(yàn)證性

2.3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材建設(shè)

國內(nèi)兄弟院校大都是根據(jù)自身學(xué)科特色、專業(yè)規(guī)劃和發(fā)展方向等開設(shè)實(shí)驗(yàn)，造成指導(dǎo)學(xué)生所用的基本上為自編講義，指導(dǎo)書欠缺，還沒有材料物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的普適教材或輔導(dǎo)書。這與各高校自身的學(xué)科特色、專業(yè)規(guī)劃和發(fā)展方向有關(guān)。我們立足本校材料物理專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，對材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)大綱和教改方案逐步修訂和完善，編纂出版了材料物理專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材《功能材料制備及物理性能分析》[13]。全文圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、合成與制備、性能表征、結(jié)果分析展開，結(jié)合不同材料的性能特點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對功能材料的熱學(xué)、電學(xué)、電介質(zhì)、聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、電化學(xué)等性能進(jìn)行測試和表征。隨著材料物理專業(yè)創(chuàng)新型綜合性實(shí)驗(yàn)建設(shè)的持續(xù)改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材建設(shè)仍是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容。

3 結(jié)束語

在工程教育國際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸轉(zhuǎn)向以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方式。施行結(jié)果表明，學(xué)生無論是在學(xué)習(xí)積極性、理論知識的完善，還是工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面都有顯著提高。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革必將成為注重動手能力、工程能力和創(chuàng)新能力的一種行之有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。引入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促使學(xué)生逐步探索，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。此外，項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)模式有利于實(shí)驗(yàn)室的深度開放，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理制度的不斷創(chuàng)新。面對其存在的一些問題，我校創(chuàng)新性的把科研成果和科研手段融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，積極探索先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享，進(jìn)一步拓展教學(xué)手段，豐富和更新教學(xué)內(nèi)容，取得了良好的教學(xué)效果。如何開展材料物理專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性改革，將學(xué)科前沿的科研成果有機(jī)地融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仍是我們今后努力的方向。

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Study of Experiment Teaching of Materials Physics under the Circumstances of Engineering Education Accreditation

ZHAO Chunxia, ZHOU Jing, LIU Yueli

(School of Materials Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070，China)

Based Education (OBE) is a process that tries to improve learning outcomes for individual student by actively assessing and adjusting teaching curriculum. OBE has been successful in many education systems and is favored in many countries. Guided by the engineering education accreditation, we investigated and practiced the comprehensive experiment teaching of material physics under materials science and engineering platform by applying OBE methodologies. In details, we combined the characteristics of material physics subject, the cultivation for talented students with innovative awareness and ability, and together with the conditions of the current experiment teaching in our university to achieve the intended learning outcomes. The practice and experience in sustaining improvement of material physics experiment teaching was then discussed and summarized, aiming to help improve the undergraduate students’ practical engineering and innovation capability.

engineering education accreditation; materials physics; sustaining improvement; experiment teaching

2014-07-09

湖北省教學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2012107)。

趙春霞(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：新型功能材料的結(jié)構(gòu)與物化效應(yīng)。從事理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.026