朱志斌，初 蕾，孫 峰，王 瑋

(中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，材料、能源、信息是構(gòu)成社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，其中材料更是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。材料學(xué)從某種角度來(lái)說(shuō)，是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，無(wú)論從教學(xué)、科研、生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，都需要系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)。材料科學(xué)與工程專業(yè)是研究材料成分、結(jié)構(gòu)、加工工藝及其性能和應(yīng)用的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)對(duì)于本專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)更加重要。

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，對(duì)于材料領(lǐng)域尤其是材料科學(xué)與工程專業(yè)人才需求，更加趨向于實(shí)踐型、創(chuàng)新型、復(fù)合型。因此，高等教育尤其是對(duì)于實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)的要求也越來(lái)越高[1]。為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，近年來(lái)各高校相繼開(kāi)始工程教育認(rèn)證等相關(guān)改革。在當(dāng)前國(guó)際工程教育認(rèn)證體系和新工科背景形勢(shì)下，高等工程教育中專業(yè)課程體系改革必然面臨諸多新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的專業(yè)尤其是本科專業(yè)及課程體系須做進(jìn)一步的深化改革[2-7]。

國(guó)際工程教育專業(yè)認(rèn)證注重畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，要求高校畢業(yè)生必須覆蓋工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理和終身學(xué)習(xí)十二項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)工程教育專業(yè)認(rèn)證的專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生需具備深入理解和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[8-9]。對(duì)于材料科學(xué)與工程專業(yè)而言，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革與完善就更加重要。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

我院材料科學(xué)與工程專業(yè)(前身材料化學(xué)專業(yè)，2016年更名)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)17年，期間不斷調(diào)整與完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了目前較為完備的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。具體實(shí)驗(yàn)課程有：“材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”、“材料合成與制備工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“納米材料概論課程實(shí)驗(yàn)”、“材料腐蝕與防護(hù)課程實(shí)驗(yàn)”、“專業(yè)綜合(設(shè)計(jì))實(shí)驗(yàn)”。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程體系，從鍛煉學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，到提高型，再到綜合(設(shè)計(jì))型實(shí)驗(yàn)，旨在逐步培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、科研素養(yǎng)與創(chuàng)新思維等綜合素質(zhì)。實(shí)驗(yàn)體系經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與調(diào)整，體系逐漸完善，取得了較為良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程簡(jiǎn)要情況，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)、實(shí)驗(yàn)類型情況見(jiàn)表1。

表1 材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)要情況一覽表Table 1 Summary of materials science and engineering experiments

表2 材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)架Table 2 Experimental curriculum system framework of Materials Science and Engineering major

1.2 存在問(wèn)題

材料學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生40～50人/年級(jí)，鑒于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室空間及儀器設(shè)備情況，為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，使學(xué)生更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通常將學(xué)生分為兩大組或三大組循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；每個(gè)大組再分為多個(gè)小組，小組人數(shù)按照儀器設(shè)備情況細(xì)分，精密儀器與大型設(shè)備由于臺(tái)套數(shù)較少，一般5～6人/小組，其它實(shí)驗(yàn)2～3人/小組。由此最大限度地保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

伴隨著社會(huì)的發(fā)展，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)體系及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與社會(huì)的需求、工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)尚存在著不足，需要進(jìn)一步完善與優(yōu)化。除了本科實(shí)驗(yàn)室面積不足、部分設(shè)備尤其是材料科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠，從而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果外，部分實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有趨于陳舊的情況，尤其是綜合、設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占比較低，真正涉及工程素質(zhì)培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，不能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生理解和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力等相關(guān)要求。這些不足需要結(jié)合當(dāng)前教學(xué)、科研與生產(chǎn)情況，進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課程體系的調(diào)整、更新與建設(shè)，從而適應(yīng)本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求。

由圖1分析可知，目前的實(shí)驗(yàn)課程體系中，基本型與提高型實(shí)驗(yàn)占比達(dá)66%，而設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H占比5%，這與培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)與分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的目標(biāo)相距較遠(yuǎn)；另外基本型與提高型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，有一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與所涉及的儀器設(shè)備、分析表征方法偏陳舊；綜合型實(shí)驗(yàn)多以合成制備及分析表征為主，缺少器件組裝制備等工程類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。另外，欠缺與生產(chǎn)、研發(fā)工藝接近的中型、大型實(shí)驗(yàn)裝備，難以開(kāi)展相關(guān)工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為此有待于結(jié)合教學(xué)改革及當(dāng)前科研、生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整、完善與優(yōu)化，避免與日益發(fā)展的專業(yè)技術(shù)、實(shí)際生產(chǎn)工藝脫節(jié)太多，保證新形勢(shì)下的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

圖1 現(xiàn)有本科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型及占比Fig.1 Types and proportion of existing undergraduate experimental projects

2 基于新工科建設(shè)的材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建策略

2.1 構(gòu)建基礎(chǔ)扎實(shí)、特色鮮明的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

結(jié)合材料院自身情況及海大特色，圍繞與實(shí)際工程緊密相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)型材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系研究。針對(duì)結(jié)構(gòu)與功能材料、新型復(fù)合材料、能源材料、海洋材料四個(gè)研究方向，結(jié)合相關(guān)科研成果進(jìn)行即適宜于教學(xué)、又與生產(chǎn)相接近的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容研究，從而建立任務(wù)驅(qū)動(dòng)型《材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)》課程的體系構(gòu)架；同時(shí)具有任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)體系中各個(gè)任務(wù)目標(biāo)(設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn))具有模塊化特性，可以進(jìn)行有機(jī)組合，具有密切的專業(yè)相關(guān)性。從而構(gòu)建基礎(chǔ)扎實(shí)，并具有海洋特色及新能源材料特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型構(gòu)成占比見(jiàn)圖2～圖4。由此可以看到，在新的課程體系下，綜合實(shí)驗(yàn)占比顯著提高。在《材料合成與制備工藝實(shí)驗(yàn)》中，綜合實(shí)驗(yàn)占比為(38+25)，計(jì)63%；《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》中，綜合實(shí)驗(yàn)(12+13+38)亦達(dá)到63%；而《材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)》由四個(gè)模塊組成，均為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合實(shí)驗(yàn)占比達(dá)100%。

圖2 新構(gòu)架下《材料合成與制備工藝實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)類型占比Fig. 2 Proportion of experimental types in Experiment of Material Synthesis and Preparation Process under the new framework

圖3 新構(gòu)架下《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)類型占比Fig.3 Proportion of experimental types in Basic Experiments of Materials Science and Engineering under the new framework

圖4 新構(gòu)架下《材料科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)類型占比Fig. 4 Proportion of experimental types in Comprehensive Experiment of Materials Science and Engineering under the new framework

圖5 基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的新能源材料(鋰離子電池)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)綜合任務(wù)分解圖Fig.5 New energy materials (Lithium ion battery) innovation experiment comprehensive task decomposition diagram

2.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)展綜合實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)工程實(shí)踐能力專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在新實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)架下，重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)與功能材料、新型復(fù)合材料、新能源材料、海洋材料四個(gè)專業(yè)方向，結(jié)合相關(guān)科研成果進(jìn)行即適宜于教學(xué)、又與生產(chǎn)相接近的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)展任務(wù)驅(qū)動(dòng)特征的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。

以任務(wù)為中心，按照可選擇的任務(wù)(目標(biāo))，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，學(xué)生主動(dòng)探索、協(xié)同合作，自主學(xué)習(xí)，充分培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力，提升學(xué)生科研與工程素質(zhì)及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

以新能源材料為例，對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革與實(shí)踐流程加以說(shuō)明。針對(duì)新能源材料，選擇鋰離子電池為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，結(jié)合材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求及任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)法特點(diǎn)，根據(jù)鋰離子電池正極材料合成與制備工藝方法、相關(guān)表征分析手段，以及鋰離子電池組裝與電性能測(cè)試，整個(gè)完整的工藝流程，進(jìn)行目標(biāo)任務(wù)分解，發(fā)布針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡母麟A段“任務(wù)”目標(biāo)。

學(xué)生按照發(fā)布的“任務(wù)”目標(biāo)，通過(guò)文獻(xiàn)查閱、結(jié)合學(xué)習(xí)的相關(guān)理論知識(shí)，進(jìn)行最終“任務(wù)”目標(biāo)的確定及目標(biāo)分解，確定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，與實(shí)驗(yàn)課指導(dǎo)教師溝通，調(diào)整與完善優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。由此學(xué)生可以系統(tǒng)了解鋰離子電池正極材料的合成與制備工藝過(guò)程，學(xué)會(huì)鋰離子電池正極材料的制備與相關(guān)分析表征方法；學(xué)習(xí)與掌握鋰離子電池組裝及性能測(cè)試相關(guān)流程；了解鋰離子電池制備與組裝相關(guān)的關(guān)鍵工藝參數(shù)及實(shí)際工程問(wèn)題。

通過(guò)基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合科研素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、系統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新能力以及解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合新工科建設(shè)要求，以材料制備、結(jié)構(gòu)與性能表征、材料應(yīng)用為主線，調(diào)整與優(yōu)化材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與體系，開(kāi)展適應(yīng)新形勢(shì)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與探索，對(duì)于推動(dòng)新工科下材料科學(xué)與工程類專業(yè)的工程教育認(rèn)證和實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)縱深改革具有積極意義。

通過(guò)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方法為特點(diǎn)，緊密結(jié)合專業(yè)發(fā)展前沿，科學(xué)地設(shè)置綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合本科生研究發(fā)展計(jì)劃(Student Research Developing Program ，縮寫(xiě)SRDP)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，建立了分層次、模塊化、應(yīng)用型的設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系可以最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的積極主動(dòng)性，并使學(xué)生的綜合科研素質(zhì)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力得到有效的培養(yǎng)與鍛煉，從而更好地滿足現(xiàn)代工程對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)復(fù)合型、應(yīng)用型人才的需求。