工程教育認(rèn)證下的現(xiàn)代功能材料課程改革

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摘要：功能材料技術(shù)是其他各技術(shù)群落的基礎(chǔ)，在與國際接軌的工程教育認(rèn)證背景下，現(xiàn)代功能材料教學(xué)改革對新工科高等教育體系的發(fā)展具有重要意義。本文基于以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進的工程教育認(rèn)證理念，從《現(xiàn)代功能材料》課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題出發(fā)，提出《現(xiàn)代功能材料》課程教學(xué)改革設(shè)計方案，重點是教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整及實施、教學(xué)內(nèi)容工程實踐背景的強化和考核方式的改革設(shè)計，以期加強培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，探索以工程教育專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革新思路。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；工程教育專業(yè)認(rèn)證；現(xiàn)代功能材料課程

一引言

2016年6月2日，中國正式加入《華盛頓協(xié)議》，這是中國工科教育國際化的具有歷史意義的里程碑。自此工程教育認(rèn)證的熱潮以更快的速度席卷全國大部分高校[1]。以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進是《華盛頓協(xié)議》的三大教育理念，而本科培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力既是工程教育認(rèn)證的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是高校培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的關(guān)鍵內(nèi)容[2]。什么是復(fù)雜工程問題？《協(xié)議》用如下7個特征進行刻畫。其中第一條是必備的，它指出了復(fù)雜工程問題的本質(zhì)；第二到第七條是可選的，它們可以看作是復(fù)雜工程問題的表象[1,3]。（1）必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決。（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致。（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題，增強課程內(nèi)容的開放性。功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等形式的能量刺激后，顯示出特定功能的材料。功能材料既遵循材料的一般特性和變化規(guī)律又具有其自身特點。現(xiàn)代功能材料主要是指功能材料中的功能更新穎、更先進的材料。《現(xiàn)代功能材料》課程內(nèi)容在工科專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中具有極為重要的地位和作用。在全球技術(shù)競爭日趨激烈的新形勢下，本文基于對工程教育理念的學(xué)習(xí)，針對筆者多年來在江蘇大學(xué)擔(dān)任《現(xiàn)代功能材料》課程的教學(xué)過程中所遇到的問題和收獲，進行了總結(jié)、分析和思考，提出《現(xiàn)代功能材料》課程教學(xué)改革設(shè)計的新方案，以供拋磚引玉，力求為高校現(xiàn)代功能材料課程教學(xué)的不斷完善，為其在人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大的作用添磚加瓦。

二《現(xiàn)代功能材料》課程的重要意義

美國科學(xué)家維納在他的《控制論》一書的序言中說：“科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有為善和作惡的巨大可能性”。誠然，現(xiàn)代社會的人類享受著科學(xué)技術(shù)這把雙刃劍帶來的豐盛福利，也面對著生產(chǎn)力高速發(fā)展而帶來的諸多難題，例如能源問題、環(huán)境問題等等。功能材料技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決生產(chǎn)高速發(fā)展以及由此所產(chǎn)生的能源、環(huán)境等一系列的問題，提供了有效的解決途徑。例如，基于功能材料技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)或者即將實現(xiàn)：塑料將不以石油為原料而完全以玉米替代；建筑材料有望由洋麻等纖維類作物替代；石油的枯竭也不再可怕，因為用秸稈完全可以替代[4,5]。現(xiàn)代功能材料技術(shù)正在滲透到現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域，成為能源、計算機、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)群落的基礎(chǔ)。新型功能材料的發(fā)展和應(yīng)用，可直接為社會生產(chǎn)和人類生活帶來巨大改變，推動人類社會前進。例如，2005年一個容量為100kb的U盤售價約為100RMB，而現(xiàn)在一個30G的U盤的價格約為50RMB，這其中，高儲備容量的芯片功能材料的開發(fā)，功不可沒。目前，現(xiàn)代功能材料日趨成為材料領(lǐng)域中與現(xiàn)代社會各個領(lǐng)域密切相關(guān)的最活躍的前沿學(xué)科，現(xiàn)代功能材料技術(shù)在未來的社會發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義[6]。目前，全球范圍內(nèi)各個國家均十分重視功能材料技術(shù)的研究，世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰(zhàn)，新技術(shù)、新專利層出不窮。發(fā)達國家通過知識產(chǎn)權(quán)的形式在特種功能材料領(lǐng)域形成技術(shù)壟斷的現(xiàn)象已經(jīng)屢見不鮮。在這種國際形勢下，加強我國功能材料技術(shù)的發(fā)展，加強我國功能材料技術(shù)人才的培養(yǎng)是工科學(xué)校刻不容緩的重要任務(wù)[7,8]。

三《現(xiàn)代功能材料》課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題

目前，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步已是常態(tài)，而且更新速度越來越快。功能材料技術(shù)是其他各技術(shù)群落的基礎(chǔ)，因此，高校現(xiàn)代功能材料課程內(nèi)容要盡量反映功能材料科學(xué)發(fā)展的新成就，讓學(xué)生接觸最新的功能材料前沿。而目前高校選用的教材的編寫出版流程相對較長，很難將最先進的功能材料研究成果囊括其中，教材內(nèi)容大多已不能匹配于新工科發(fā)展的世界范圍的大趨勢。因此，如何規(guī)劃課程內(nèi)容以便適應(yīng)工程教育認(rèn)證背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，是高校功能材料課程共同面對的問題。筆者以往收集的學(xué)生課后回饋表明，學(xué)生結(jié)束課程學(xué)習(xí)之后對所學(xué)功能材料的功能特性、機理和工程應(yīng)用僅有模糊的、大致的了解，匱乏對重要知識點的深刻把握，尤其是對于材料在實際工程應(yīng)用中的重要意義缺乏明確的認(rèn)識。以往所實行的以課程總結(jié)報告為主的課程考核方式的目的是好的，但按國內(nèi)學(xué)生的現(xiàn)狀，效果不好，課程總結(jié)報告不深入，未能充分閱讀資料通過分析總結(jié)變?yōu)樽约旱睦斫猓虼耍ㄟ^這種方式來實施能力考核難度較大。

四《現(xiàn)代功能材料》課程教學(xué)改革設(shè)計

（一）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整及實施60年代初，美國一些理工科大學(xué)鑒于當(dāng)時大學(xué)基礎(chǔ)物理教學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不相適應(yīng)，紛紛試行教學(xué)改革。為此，當(dāng)時在加利福尼亞理工學(xué)院任教的著名理論物理學(xué)家費曼將當(dāng)時物理學(xué)各個分支的最新科研成果全部融入課堂，并根據(jù)其課堂錄音編纂了《費曼物理學(xué)講義》，完成了基礎(chǔ)物理的教學(xué)改革。《費曼物理學(xué)講義》至今仍是物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)教學(xué)的經(jīng)典之作[9]。以此為鑒，功能材料是材料學(xué)科最活躍的研究熱點，在期待功能材料前沿科研引領(lǐng)者的傾力之作的同時，任課教師要即時追蹤功能材料的最新發(fā)展動態(tài)，著力保障每年的授課內(nèi)容在不同程度上是動態(tài)更新的。這就要求教師備課不僅僅是重溫往年的課件內(nèi)容，而是要重新查閱大量中英文文獻，追蹤每種功能材料的最新研究態(tài)勢及成果并將其引入課堂內(nèi)容中。例如，在形狀記憶聚合物這一主題中，在2018年的教學(xué)內(nèi)容中增加了文獻最新報道的4D形狀記憶聚合物的內(nèi)容，即將近年來備受關(guān)注的3D打印技術(shù)和形狀記憶效應(yīng)相結(jié)合的研究成果。除此，注重教學(xué)內(nèi)容的開放式探索，將教師本人及同行的最新科學(xué)研究成果第一時間引入課堂，真正踐行教學(xué)內(nèi)容持續(xù)改進的工程教育專業(yè)認(rèn)證理念。在課堂內(nèi)容保持一定程度的動態(tài)更新的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生群體的專業(yè)特點來規(guī)劃課程內(nèi)容，并充分利用學(xué)生課外時間導(dǎo)向性的引導(dǎo)其自行拓展課程內(nèi)容。針對學(xué)生群體的專業(yè)特點來規(guī)劃課程內(nèi)容，即課程內(nèi)容的規(guī)劃以學(xué)生的專業(yè)就業(yè)方向為目標(biāo)來量身定制，從而踐行以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的工程教育專業(yè)認(rèn)證理念。例如，對于機械專業(yè)背景的學(xué)生，課程內(nèi)容在材料的功能特性和機理的基礎(chǔ)上，以功能材料的工程應(yīng)用為重點規(guī)劃內(nèi)容；而針對于化學(xué)或者材料等相關(guān)學(xué)科的學(xué)生，則可以以功能材料的工程應(yīng)用為背景，以功能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、合成制備及性能調(diào)控為主。通過引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)來進一步拓展課程內(nèi)容。目前，功能材料是材料學(xué)科最活躍的研究熱點，功能材料技術(shù)發(fā)展迅猛。通過“滿堂灌”“填鴨式”教學(xué)方式，在有限的課堂教學(xué)課時內(nèi)讓學(xué)生了解和學(xué)量的現(xiàn)代功能材料知識是不可能的，也是沒有必要的。而且由于學(xué)生個體的基礎(chǔ)和興趣等差異的存在，更需要一種靈活的課程內(nèi)容拓展方式，例如，鼓勵學(xué)生針對一些功能材料相關(guān)的問題自主進行信息檢索等的自學(xué)方式。現(xiàn)在是信息大爆炸的時代，學(xué)生身處其中，圖書館、慕課、百度、知乎和抖音，甚至是電視的科技頻道等等都是他們潛在的課程學(xué)習(xí)資源。而實質(zhì)上，不是可供選擇的課程資源不夠，而是課程資源太多，反倒無從下手。授人以魚不如授人以漁，教師在進行課堂教學(xué)時注重精煉和引導(dǎo)，強調(diào)舉一反三，并通過拋出問題布置作業(yè)等方式，引導(dǎo)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)。在思考問題和完成作業(yè)的過程中，學(xué)生有目的地針對具體問題進行文獻檢索，信息提煉，問題分析等學(xué)習(xí)活動，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自我認(rèn)可的成就感的同時，大幅度拓寬了學(xué)生的功能材料視野，同時也滿足了一部分學(xué)生對課程深度拓展的要求。通過引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)來實現(xiàn)課程內(nèi)容的拓展，踐行了以學(xué)生為中心，并指向了學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)內(nèi)容工程實踐背景的強化有一位詩人曾經(jīng)說過：“整個宇宙就存在于一杯葡萄酒中”，觀察一杯葡萄酒，你可以看見整個宇宙。因為葡萄酒中有彎曲的液面，光的折射等物理現(xiàn)象，有原子分子等化學(xué)構(gòu)成，有發(fā)酵等生物現(xiàn)象，有••••••而這一切關(guān)于各類學(xué)科的知識都統(tǒng)一于一杯葡萄酒中。由此可窺見一斑，實際的工程應(yīng)用環(huán)境都是紛繁復(fù)雜的，《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》對于“復(fù)雜工程問題”給出了明確的定義和剖析[1,3]。復(fù)雜工程問題涉及理論但不是理論問題，涉及技術(shù)卻也不是單純的技術(shù)問題，現(xiàn)代工程問題的復(fù)雜性在于需要基于工程原理分析問題，要全局性地考慮問題，要選擇性的使用技術(shù)，從而創(chuàng)造性地解決實際工程問題[10]。本科畢業(yè)生要具備解決復(fù)雜工程問題的能力，則必須要在本科學(xué)習(xí)階段進行工程實踐。沒有工程實踐經(jīng)驗的學(xué)習(xí)和積累，解決復(fù)雜工程問題的能力無從談起。現(xiàn)代功能材料課程的工程實踐特點是以新工科大工程為背景，要充分體現(xiàn)現(xiàn)代功能材料在產(chǎn)品設(shè)計制造及控制過程中的重要意義。目前高校所推行的實驗課、生產(chǎn)實習(xí)、產(chǎn)學(xué)融合等主要課程實踐方式不適合在現(xiàn)代功能材料課程。新技術(shù)到新產(chǎn)品一般是有一定周期的，現(xiàn)代功能材料課程內(nèi)容所包含的前沿功能材料及其應(yīng)用，大多尚未走出實驗室而實現(xiàn)商品化，或者已初步商品化但尚未普及，并不適合開設(shè)實驗課程，也很難找到相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)進行產(chǎn)學(xué)融合，因此，現(xiàn)有實踐方式不能滿足現(xiàn)代功能材料課程的實際需求，探尋適合現(xiàn)代功能材料的課程實踐方式勢在必行。教師的工程實踐經(jīng)驗、工程案例的課堂再現(xiàn)和學(xué)生的功能材料應(yīng)用設(shè)計三者的結(jié)合，是現(xiàn)階段適合現(xiàn)代功能材料課程的一種可行的實踐方式。1.任課教師具備工程實踐經(jīng)驗：從事現(xiàn)代功能材料的教師必須要有實際的工程實踐經(jīng)歷（例如工程項目的主持和參與，企業(yè)合作項目的展開等），才能將工程實踐經(jīng)驗在教學(xué)過程中進行穿插。但是任何一位教師也不可能從事所有現(xiàn)代功能材料的實際研發(fā)或項目工作，教師從事工程實踐工作的意義在于通過有限的工程實踐經(jīng)驗，形成必要的解決復(fù)雜工程問題的工程理念、邏輯思路、分析方法等等更高層次的思維體驗，實現(xiàn)對工程實踐本質(zhì)意義的深度把握。在此基礎(chǔ)上，教師進一步學(xué)習(xí)和關(guān)注課程所涉及的各類功能材料的工程應(yīng)用案例及潛在的工程應(yīng)用設(shè)計，對其工程問題及解決方法進行分析、提煉和總結(jié)，從而實現(xiàn)教師工程實踐經(jīng)驗的拓展。2.課堂內(nèi)容的實踐性規(guī)劃：課堂教學(xué)是引領(lǐng)課程內(nèi)容的核心和引擎。教師在課堂上圍繞某一個主題的功能材料，深入淺出地講授材料的功能特性、功能機理，然后借助圖片、視頻及網(wǎng)頁鏈接等方式大比例引入材料功能的具體工程應(yīng)用案例。主要是系統(tǒng)的針對性的分析工程問題中所涉及的工程原理，工程環(huán)境的特點、器件的整體需求和材料具體功能之間的聯(lián)系，并兼顧環(huán)保、安全和成本等其他因素的考慮，從而基于材料的功能特性提出解決實際工程問題的新方法。工程應(yīng)用案例課堂再現(xiàn)的重點在于給學(xué)生呈現(xiàn)一條解決工程問題的清晰思路并揭示其背后的工程理念。

例如，生物可降解的形狀記憶聚合物支架在治療血管狹窄時的醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用案例，首先要了解目標(biāo)工程環(huán)境，強調(diào)材料的可生物相容性或者生物降解性是必須的；然后再分析治療血管狹窄的醫(yī)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，利用材料的形狀記憶功能來解決血管狹窄的醫(yī)學(xué)問題，并進行方案設(shè)計，即在人體外將支架進行預(yù)變形處理使其體積最小化，然后通過微創(chuàng)手術(shù)置入人體血管狹窄處，基于材料的形狀回復(fù)行為使支架恢復(fù)初始形狀從而對血管的狹窄部分形成擴展性支撐。又例如，壓電陶瓷打火機，一元的價格，穩(wěn)定的取火功能，很好地體現(xiàn)了“夠用就好”的工程理念。教師站在講臺上，卻已在一定程度上再現(xiàn)了工程實踐的現(xiàn)場，通過典型工程案例，為學(xué)生提供一個與課程內(nèi)容貼合匹配的現(xiàn)代功能材料的模擬工程實踐環(huán)境，從而初步培養(yǎng)學(xué)生具有運用材料的功能特性來解決工程問題的思路和能力。3.學(xué)生的工程應(yīng)用設(shè)計實踐任務(wù)：學(xué)生已通過課堂學(xué)習(xí)了解了功能材料的基本知識和應(yīng)用實例、了解了功能材料工程應(yīng)用的基本理念和思路。在此基礎(chǔ)上，參照已學(xué)過的功能材料的工程應(yīng)用實例，自主完成一種功能材料的工程應(yīng)用設(shè)計。著力引導(dǎo)學(xué)生在實際工程中去尋找需求痛點，提煉工程問題，并給出基于材料功能特性的工程應(yīng)用設(shè)計方案。要求設(shè)計思路具有一定的創(chuàng)新性、新穎性和可行性，圖紙及文字表達要準(zhǔn)確。課程實踐經(jīng)驗表明，通過課堂學(xué)習(xí)積累的功能材料基本知識和材料工程應(yīng)用技術(shù)的知識儲備，學(xué)生在完成應(yīng)用設(shè)計任務(wù)時不會有畏難情緒，反而有種實戰(zhàn)演練的興奮。學(xué)生對應(yīng)用設(shè)計類作業(yè)表現(xiàn)出極大興趣，能夠針對功能材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用進行思考，雖然一部分同學(xué)的設(shè)計在可行性方面有所欠缺，但大部分同學(xué)的工程應(yīng)用設(shè)計內(nèi)容新穎、部分學(xué)生作業(yè)有非常好的創(chuàng)意，充分展示了學(xué)生群體的創(chuàng)造潛力。在今后的教學(xué)中，將進一步強調(diào)功能材料工程應(yīng)用設(shè)計作業(yè)的重要性，同時鼓勵學(xué)生進行適當(dāng)?shù)倪^程調(diào)研，鼓勵團隊合作完成，并結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項目立項等科研活動深入展開。

（三）考核方式的改革設(shè)計除了保留考勤、增加了對應(yīng)用設(shè)計作業(yè)的考核，另外還增加了課程內(nèi)容的演講報告。演講是伴隨學(xué)生一生的“溝通大眾”的重要技能。現(xiàn)代社會中，演講能力是每一個職場人員進行求職、工作和成果展示等的必備技能，幾乎每一個成功的企業(yè)家都是一個優(yōu)秀的演講者。在歐美國家，對學(xué)生演講能力的重視和培養(yǎng)貫穿于從幼兒園到大學(xué)的整個教學(xué)體系中，而這種活動在我們國內(nèi)的課堂確相對比較缺乏。現(xiàn)代功能材料的課程主題演講，首先安排學(xué)生在課外制作和功能材料內(nèi)容相關(guān)的PPT，然后安排每一位同學(xué)進行課堂演講（選課人數(shù)較多時則先分小組進行演講，互相評價，選出每個小組的優(yōu)勝者，代表小組進行課堂演講）。此項任務(wù)要求學(xué)生的報告內(nèi)容具有新穎性、邏輯性以及注意演講過程中的語言面貌、肢體語言等細(xì)節(jié)。課堂上短短幾分鐘的演講，是學(xué)生在課堂之外就課程內(nèi)容所進行的大量學(xué)習(xí)和提煉的結(jié)果，學(xué)生以自主選擇的感興趣的功能材料為題，查閱資料，深度閱讀，總結(jié)提煉后制作PPT。為了將演講中的問題表達清楚，學(xué)生會就所收集的課程資料進行積極思考、動用日常知識儲備、組織語言邏輯等等，這些過程都潛移默化地擴展了學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度。課程演講環(huán)節(jié)不僅給學(xué)生提供了一個必要的表達自我的鍛煉機會，增強學(xué)生自我表達的信心和的勇氣，而且有助于提升學(xué)生對信息提煉和總結(jié)的能力，以及較好的邏輯思維和口頭表達能力，以及培養(yǎng)學(xué)生就工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流的潛力。以往的教學(xué)實踐也表明，課堂演講是一項深受學(xué)生喜愛的教學(xué)活動，有的學(xué)生在講臺上就自己所精心準(zhǔn)備的功能材料主題進行演講時的意氣風(fēng)發(fā)，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并犀利提問時的針鋒相對，在活躍的課堂氣氛中，學(xué)生不僅加深了對功能材料知識的深入理解，而且其思辨能力也得到了良好的鍛煉。這是一項具有獨特價值的教學(xué)方式，有待于在今后的教學(xué)活動中進一步挖掘。

五結(jié)束語

本文從工程教育認(rèn)證的理念出發(fā)，針對《現(xiàn)代功能材料》教學(xué)中存在的問題進行思考和總結(jié)，提出針對教學(xué)內(nèi)容、工程實踐和考核方式的改革措施。教學(xué)內(nèi)容每年在一定程度上進行動態(tài)更新、依據(jù)學(xué)生專業(yè)特點進行規(guī)劃，踐行課程內(nèi)容持續(xù)改進、以學(xué)生為中心及產(chǎn)出導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念；從教師、課堂和學(xué)生三方面進行調(diào)整和設(shè)計，從而強化現(xiàn)代功能材料教學(xué)內(nèi)容的工程實踐，強化對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)；在考核方式上，通過功能材料工程應(yīng)用設(shè)計和課程演講匯報等方式，更好的實現(xiàn)了對學(xué)生能力的評價考核。任何一門課程都是一個寶貴的資源。現(xiàn)代功能材料課程同樣隱藏著著物質(zhì)世界的本質(zhì)規(guī)律，蘊含了大自然之美，需要教師深耕不輟，采集出各種知識果實，以回饋學(xué)生求知的胃。進一步深化《現(xiàn)代功能材料課程》的教學(xué)改革，培養(yǎng)高素質(zhì)的、能夠解決復(fù)雜工程問題的本科人才，引導(dǎo)學(xué)生更好地走向工程教育認(rèn)證所開啟的世界之門，并為我國功能材料技術(shù)在未來國際競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位盡獻綿薄之力。

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作者：吳雪蓮 單位：江蘇大學(xué)