袁 斌 曾美琴 胡仁宗 朱 敏

華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510641

工程教育認證是實現(xiàn)工程學(xué)位國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)。目前，世界上主要的工業(yè)發(fā)達國家都建立了工程教育認證制度，并通過多邊的協(xié)議實現(xiàn)工程教育學(xué)位國際互認。其中，由美、英等國主導(dǎo)的《華盛頓協(xié)議》體系是國際上最具權(quán)威性和影響力的四年制本科工程教育學(xué)位互認體系。自2005年起，我國就開始建設(shè)工程教育認證體系，并把實現(xiàn)國際互認作為重要目標。 經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國已經(jīng)在31個工科專業(yè)類中的18個開展了認證，截至2015年底，已有553個專業(yè)點通過認證[1]。2016年6月2日，我國成為《華盛頓協(xié)議》的正式會員，這表明工程教育認證將在我國各大學(xué)全面鋪開，并成為各高校工程專業(yè)建設(shè)的標配之一。在此背景下，我校的材料科學(xué)與工程專業(yè)(含金屬材料與無機非金屬材料方向)在今年也要開展并完成工程教育認證工作。

我校這幾年的認證成功經(jīng)驗表明，認證能否順利通過，最重要的在于各任課教師對于《華盛頓協(xié)議》精神和工程教育認證標準(2015版)[2]的深刻認識以及教育思想的轉(zhuǎn)變?！度A盛頓協(xié)議》體系有兩個突出特點：一是“以學(xué)生為本”，著重基于學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的標準；二是強調(diào)工業(yè)界與教育界的有效對接。工程教育認證標準也明確規(guī)定學(xué)生的畢業(yè)要求，對于金屬材料類專業(yè)的學(xué)生，除了要求掌握材料工程知識、具備問題分析和研究的能力之外，還特別要求學(xué)生具有獨立思考能力與創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作意識和能力以及溝通和交流能力。然而，我院材料科學(xué)與工程專業(yè)以前的培養(yǎng)計劃更多注重學(xué)生的工程知識灌輸和技術(shù)能力的提升，實踐的課程偏少，而且對于溝通、團隊合作等方面重視和體現(xiàn)不夠。同時，認證強調(diào)專業(yè)人才培養(yǎng)結(jié)果導(dǎo)向，要求培養(yǎng)計劃將學(xué)生畢業(yè)要求分解對應(yīng)到相應(yīng)課程上去，并在課程教學(xué)中有效實施。因此，我院根據(jù)工程認證的要求和專業(yè)課程的特點，首先對本專業(yè)的培養(yǎng)計劃做了一些修訂。其中，比較重要的修改之處就是將原來的專業(yè)選修課金屬功能材料變?yōu)閷I(yè)必修課，相應(yīng)地增加教學(xué)課時數(shù)，并新增實驗教學(xué)課時。

金屬功能材料是學(xué)生了解當(dāng)前各種先進功能材料的一門重要課程，該課程涵蓋了多種功能材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及相關(guān)基本原理、材料種類、特點和應(yīng)用。這門課程有助于學(xué)生拓寬專業(yè)知識面，同時加深對金屬材料專業(yè)的認識和應(yīng)用，并在實際中能夠解決相關(guān)應(yīng)用問題。筆者作為本門課程的負責(zé)人，如何根據(jù)工程認證的要求建設(shè)好這門課程，使得學(xué)生真正受益，成長為一個動手能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力強的工程師，成為當(dāng)前的一個重要任務(wù)。本文從分析這門課程的現(xiàn)狀和主要問題入手，提出相應(yīng)解決措施，并指出初步的實踐效果。

1 金屬功能材料課程現(xiàn)狀及存在的問題

功能材料是相對于結(jié)構(gòu)材料而言，它是指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的之高技術(shù)材料[3]。在工程領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的曾是以鋼鐵為代表的結(jié)構(gòu)材料。隨著科技的發(fā)展和進步，微電子工業(yè)、新能源、海洋技術(shù)、生物和醫(yī)學(xué)工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速興起并飛速發(fā)展，在國民經(jīng)濟中占據(jù)了日益重要的地位。而功能材料則是支撐這些高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，功能材料在近幾十年來得到日益廣泛的重視，功能材料的品種越來越多，功能材料的應(yīng)用范圍越來越廣，對人類的社會發(fā)展和物質(zhì)生活有著重要的影響。因此，在材料科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)金屬功能材料這門課程是十分有必要的，可以讓學(xué)生畢業(yè)后勝任與功能材料相關(guān)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)工作。然而，從近十年的教學(xué)經(jīng)驗來看，其開課效果并不理想，還存在諸多問題，遠遠達不到工程認證的要求，主要體現(xiàn)在以下幾點。

1.1 內(nèi)容繁多 教學(xué)方式單一 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍不高

功能材料發(fā)展迅速，已有幾十大類，十萬多種材料，而且每年都有大量新品種問世。因此，本課程涉及的學(xué)科多、信息量大、內(nèi)容繁雜，而且系統(tǒng)性不強。諸如，導(dǎo)電功能材料和磁性功能材料涉及物理學(xué)的導(dǎo)電理論和磁學(xué)理論；能源材料和催化材料涉及化學(xué)領(lǐng)域的電化學(xué)和催化理論；而生物醫(yī)學(xué)材料則涉及醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的組織工程知識。由于學(xué)時有限，不可能每種材料都進行較為深入的介紹，基本上都是淺嘗即止，而且教學(xué)方式主要以課堂教學(xué)為主。因此，想要較好理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容，對于學(xué)生知識背景和課外閱讀能力要求較高，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍不高。加之，本課程為專業(yè)選修課，學(xué)生以拿60分為目標，其學(xué)習(xí)積極性和主動性也普遍不高。

1.2 任課教師的研究領(lǐng)域相對狹窄且背景專業(yè)單一

本課程涉及領(lǐng)域眾多，要求的基礎(chǔ)理論知識廣。然而，本課程的任課教師只有一人，且他的研究領(lǐng)域相對集中，所掌握的基本理論和專業(yè)知識相對有限，只對他所研究的領(lǐng)域十分熟悉，而對其他研究領(lǐng)域只是一般的了解。如果讓他對熟悉的功能材料進行介紹，他可以很好地理論聯(lián)系實際，并與自己研究項目相結(jié)合，可以將此種功能材料的基本理論、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、實際應(yīng)用，深入淺出地進行介紹。然而，對于其他種類的功能材料，他必須花費大量精力去備課，可能也只能做到將課本知識轉(zhuǎn)述給學(xué)生，很難生動講授相關(guān)內(nèi)容并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實際課堂教學(xué)效果并不佳。

1.3 實驗內(nèi)容缺乏

本課程主要內(nèi)容包括各類金屬功能材料的基本原理、材料種類和特點及其應(yīng)用的講解介紹，并不包括實驗教學(xué)內(nèi)容。然而，實驗課程恰恰又是對于學(xué)生進行實際問題解決、團隊協(xié)作和創(chuàng)新能力培訓(xùn)的最重要途徑之一[4]，這也是工程教育認證所著重要求的。實際動手參與實驗與所看、所聽的知識差距很大，沒有相關(guān)的實驗教學(xué)，學(xué)生對于知識的理解只是停留在字面上。諸如，形狀記憶合金獲得雙程記憶效應(yīng)需要對其進行訓(xùn)練處理，采用的方法有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體法，即在母相態(tài)對形狀記憶合金施加變形。但如果學(xué)生不真正進行實驗操作，還是不會理解其中的含義。這也是造成學(xué)生對此課程學(xué)習(xí)主動性不高、學(xué)習(xí)興趣不濃的主要原因之一。

2 課程建設(shè)的內(nèi)容與改革措施

2.1 強化任課教師隊伍

根據(jù)金屬功能材料課程知識涉及的學(xué)科和背景領(lǐng)域眾多的特點，并針對之前任課教師研究領(lǐng)域相對有限的缺點，我們開創(chuàng)性地對任課教師隊伍進行成倍的擴充。將不同專業(yè)背景和不同研究領(lǐng)域的任課教師納入到教師隊伍，由之前的1名主任課教師，改成為現(xiàn)在的6名任課教師，包括3名主任課教師以及3名實驗負責(zé)教師。他們的專業(yè)涵蓋材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)等，研究領(lǐng)域包括形狀記憶材料、醫(yī)用金屬材料、磁性材料、能源材料和電催化材料等，這基本上與課程所涉及學(xué)科和領(lǐng)域相一致；并且他們在各自所從事的領(lǐng)域具有豐富的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究經(jīng)歷，對其專注的功能材料的基本原理、種類和工程應(yīng)用相對熟悉。他們可以系統(tǒng)地向?qū)W生講授一種功能材料的由來、發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和將來發(fā)展趨勢，最重要的是可以熟練向?qū)W生介紹這種功能材料的實際應(yīng)用和制備手段，設(shè)計開放性實驗并指導(dǎo)學(xué)生動手完成。這將極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2.2 精選教學(xué)內(nèi)容 改革教學(xué)方式

金屬功能材料課程涉及的材料種類繁多，講授內(nèi)容較多，但授課學(xué)時數(shù)相對有限，只有48學(xué)時。因此，根據(jù)任課教師的研究領(lǐng)域和本地產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點，將講授內(nèi)容重點定為：導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、儲氫材料、形狀記憶材料、電池材料等。每位任課教師講授1～2種功能材料，每種功能材料6個學(xué)時，著重把教學(xué)內(nèi)容與實際生產(chǎn)和日常生活相結(jié)合，列舉一些學(xué)生在日常生活中容易接觸的東西或者實際生產(chǎn)遇到問題，諸如，三星Note7手機充電時發(fā)生燃燒爆炸的原因，就是企業(yè)為了提高手機電池的容量，將鋰離子電池隔膜減薄，由于工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致正負極短路所致。通過這些生活常識和實際生產(chǎn)問題，使學(xué)生了解功能材料無處不在，作用巨大，正確使用可帶來豐厚利潤，錯誤理解可導(dǎo)致企業(yè)損失巨大，從而增強學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的積極性。

在課堂教學(xué)中以教師為主導(dǎo)，除采用傳統(tǒng)的板書和投影教學(xué)之外，還可以將現(xiàn)代教學(xué)手段如Flash動畫、視頻等充分引入課堂，把一些抽象的理論和原理以更直觀、更形象的動畫方式展示出來，學(xué)生容易理解。同時將一些實際生產(chǎn)過程采用視頻講解方式，讓學(xué)生提前了解功能材料的生產(chǎn)和應(yīng)用過程，產(chǎn)生濃厚興趣。例如，講解鋰離子電池的工作原理，可使用一個簡短的Flash動畫，既深入淺出，又形象生動。又如，播放一個鋰離子電池從電極材料混料到最后組裝成完整電池的視頻，并配以解說，勝過閱讀任何教材。對于主要講授的6種功能材料，采用課堂教學(xué)方式。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)師生互動交流較少，學(xué)生的溝通能力和團隊協(xié)作能力很少得到鍛煉。因此，我們也積極改進教學(xué)方式，將啟發(fā)式、討論式教學(xué)方式引入課堂，增大討論課的比例，剩余12學(xué)時全部用于課堂討論課。功能材料眾多，除了重點講授的6類功能材料，其他的新型功能材料，諸如超導(dǎo)材料、激光材料、發(fā)光材料、光纖材料、熱電材料、壓電材料、光電材料和隱身材料等，讓學(xué)生自己上臺講解。引導(dǎo)學(xué)生主動參與課堂教學(xué)，提高學(xué)生的主動性和積極性。

2.3 設(shè)計創(chuàng)新性和開放性的實驗內(nèi)容

通過實驗可以加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握，使學(xué)生熟練掌握功能材料制備方法、儀器和設(shè)備使用、結(jié)果分析等研發(fā)工作的程序和規(guī)律，從而可以訓(xùn)練學(xué)生的研究、學(xué)習(xí)和解決實際問題的能力。根據(jù)工程教育認證的要求，我們增加了16學(xué)時的實驗課程，設(shè)計了4個實驗內(nèi)容，包括車載電解水裝置及電極材料的設(shè)計與優(yōu)化、超彈性醫(yī)用管道支架的設(shè)計與制備、軟磁材料的設(shè)計與制備、基于Sn負極材料的鋰離子軟包電池設(shè)計與電動車應(yīng)用實例等，實驗設(shè)計基于的原則是創(chuàng)新性、開放性、探索性、實用性、團隊協(xié)作和可完成性。學(xué)生以6～8人為一組，4個實驗只選擇其一完成。

以車載電解水裝置及電極材料的設(shè)計與優(yōu)化實驗為例，說明具體的做法：該實驗基于任課教師的實際橫向項目，原型產(chǎn)品已經(jīng)基本研發(fā)完成，并有相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，其中關(guān)鍵的部件為電催化功能材料。學(xué)生需要完成的內(nèi)容包括：(1)對已有的車載電解水裝置拆解，了解電解水裝置的工作原理、各部分設(shè)計細節(jié)和電極材料種類；(2)查找資料和小組討論，提出更為優(yōu)越的裝置設(shè)計方案和電極材料選擇，優(yōu)化各組件設(shè)計和選擇購買電極材料，并繪制成加工圖和三維裝配效果圖，評估其可行性、經(jīng)濟性；(3)對所購買電極材料的成分、微觀組織和性能進行表征；(4)加工制作各部件，并裝配成完整裝置，并測試其性能；對整套裝置的經(jīng)濟性、加工性、產(chǎn)氣性能進行整體評估；(5)將整個實驗過程匯總成課程報告，并制作PPT和上臺講解。由于這個實驗是基于任課教師的原型產(chǎn)品，學(xué)生將其拆解后要提出1～2處的改進之處，沒有限制，或是結(jié)構(gòu)設(shè)計或是電極材料選擇，這體現(xiàn)該實驗的創(chuàng)新性和探索性；同時，該實驗只是在原型產(chǎn)品上微小改進，而且該產(chǎn)品也已經(jīng)投入市場，因此學(xué)生肯定能完成該實驗，且完成的產(chǎn)品具有實用性，這會極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。而且，該實驗需要學(xué)生采用CAD和Solid work等軟件繪制三維加工圖和裝配圖，這也是現(xiàn)在學(xué)生所熱衷完成的工作，提高學(xué)生的積極性。該實驗還具有一定的復(fù)雜性，需要團隊分工協(xié)作，有人查找資料，有人設(shè)計加工，與加工師傅溝通確定方案的可行性，并購買電極材料；有人負責(zé)表征材料和測試性能，并匯總所有材料完成PPT匯報和課程報告；所有成員緊密合作才能按期完成實驗。因此，該實驗也很好地訓(xùn)練了學(xué)生的團隊協(xié)作能力。通過一學(xué)期的嘗試，所有的學(xué)生對這種開放性實驗給予高度評價，有的學(xué)生甚至評價“這門課是他在大學(xué)四年里，上過最有收獲的一門課程”。這充分表明增加這些實驗內(nèi)容的必要性，并很好地滿足工程教育認證的要求。

3 結(jié)語

工程教育認證不僅是工程技術(shù)人才跨國流動的需要，是我國高等教育的必然趨勢；更重要的是，工程教育認證還肩負著推動工程教育改革的重任。本文在工程教育認證的背景下，結(jié)合我校材料科學(xué)與工程專業(yè)中金屬功能材料課程的現(xiàn)狀和存在的問題，進行重新建設(shè)和改革探索。強化教師隊伍，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方式和手段，最重要的是增加開放性和創(chuàng)新性實驗內(nèi)容。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的主動性和積極性，增強了同學(xué)之間的團隊合作意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、溝通能力、解決實際問題能力，從而最終為國家培養(yǎng)出企業(yè)認可、國際認證的工程師奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

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