解決復(fù)雜工程能力教育視角下《功能陶瓷材料》課程教學(xué)內(nèi)容與方式實踐

周昌榮 袁昌來 陳國華 許積文

【摘 要】工程教育認(rèn)證是一流本科教育與國際接軌的一體化要求，而工程教育認(rèn)證教育中重要的一環(huán)是培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問題能力與創(chuàng)新精神的畢業(yè)生。本文基于解決復(fù)雜工程問題能力的視角，在功能陶瓷材料的教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念和教學(xué)方法進(jìn)行了一系列的變革，從學(xué)生所學(xué)的不同課程知識交叉、結(jié)合工程實際問題，從原理、過程及解決問題措施等方面強(qiáng)化解決復(fù)雜工程問題與創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

【關(guān)鍵詞】功能陶瓷材料;工程教育認(rèn)證;復(fù)雜工程問題;教學(xué)改革

中圖分類號： TB34-24文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）07-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.056

【Abstract】Engineering education certification is the requirement of integration for first-class undergraduate education with international integration. An important link of engineering education certification is that providing graduate with ability to solve complex engineering problems and creative spirit. A series of changes of content of courses， teaching idea and teaching method were made base on the ability to solve complex engineering problems in curriculum of functional ceramics materials. The trainings of ability to solve complex engineering problems and Innovation ability were conducted by knowledge crossing of different courses， combined with engineering practical problems.

【Key words】Functional ceramic materials; Engineering education certification; Complex engineering problems; Teaching reform

0 前言

《功能陶瓷材料》是材料科學(xué)與工程專業(yè)功能材料方向一門重要的專業(yè)課程，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握典型功能陶瓷材料的種類、組織結(jié)構(gòu)、性能特點以及它們之間的關(guān)系及制備方法。

要求學(xué)生能識別和判斷實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的復(fù)雜功能材料工程問題，考慮材料與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、有效資源等多種制約因素，利用功能陶瓷材料的原理，合理地提出解決配方優(yōu)化和性能改進(jìn)的方法。在完成學(xué)習(xí)后能根據(jù)功能陶瓷材料實際應(yīng)用工作條件合理選材，并根據(jù)功能特性初步設(shè)計功能陶瓷材料的組成與工藝，能運用功能陶瓷材料的新知識、新理論、新技術(shù)和新工藝，開發(fā)材料的功能特性，設(shè)計新的功能元器件。

在一流本科教育與工程教育認(rèn)證的背景下，以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為引領(lǐng)的科技創(chuàng)新視野下，新的功能陶瓷材料應(yīng)用非?？旖荩瑥V泛應(yīng)用的功能陶瓷材料更新?lián)Q代也非常頻繁，傳統(tǒng)的教材、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前本科教育的需要，課程教學(xué)內(nèi)容、方式急需改變，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新性[1-5]。因此，本文基于一流新本科教育與工程教育認(rèn)證為契機(jī)，以培養(yǎng)學(xué)生工程能力與創(chuàng)新精神為目標(biāo)，探索功能陶瓷材料新的教學(xué)內(nèi)容與方式的變革。

1 功能陶瓷材料解決復(fù)雜工程問題教學(xué)內(nèi)容與方式的實踐

1.1 教學(xué)內(nèi)容中增加功能陶瓷材料新進(jìn)展、新應(yīng)用

傳統(tǒng)的功能陶瓷材料定義通常具有一種或多種功能，如電、磁、光、熱、化學(xué)、生物等，或者耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等性能的陶瓷材料。在介紹功能陶瓷材料的定義時，介紹功能陶瓷這個概念的演繹過程，并與先進(jìn)陶瓷材料、精細(xì)陶瓷、特種陶瓷、新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷等不同名稱對比，加深學(xué)生對功能陶瓷材料的認(rèn)識。

另一方面隨著功能陶瓷材料的迅速發(fā)展，各種新性能、新應(yīng)用不斷被研究人員發(fā)現(xiàn)，并在新的領(lǐng)域應(yīng)用，因此，在授課過程中，除了講解這些典型功能陶瓷外，還必須補(bǔ)充這些在傳統(tǒng)功能陶瓷上延申出來的新材料。例如，在講解鐵電功能陶瓷時，把它與鐵磁材料進(jìn)行類比。在此基礎(chǔ)上，說明傳統(tǒng)的鐵電陶瓷為什么要求是絕緣陶瓷，但是現(xiàn)在鐵電-半導(dǎo)體新材料的出現(xiàn)，顛覆了以往鐵電陶瓷的概念、原理及應(yīng)用，在鐵電光伏、鐵電催化、鐵電殺毒滅菌、鐵電光電子等領(lǐng)域產(chǎn)生層出不窮的新領(lǐng)域、新應(yīng)用。在鐵電-半導(dǎo)體新材料的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在鐵電導(dǎo)電材料，甚至鐵電超導(dǎo)材料及理論都被研究人員開發(fā)出來，并有可能在將來產(chǎn)生一些黑科技應(yīng)用。

當(dāng)然，要進(jìn)行這方面的內(nèi)容改革，需要授課老師不斷更新自己的知識庫，緊跟功能陶瓷材料各個領(lǐng)域的研究前言，對老師的能力提出更高的要求。不過在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)+的大環(huán)境下，授課老師需要采用新的工具來獲得最新的知識，比如關(guān)注一下功能材料領(lǐng)域的微信號，或者在ResearchGate上關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域課題組的信息，這樣，一旦有新的功能材料出現(xiàn)，都能第一時間獲得資訊，同時可以更新豐富本課程的內(nèi)容。

1.2 在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力

傳統(tǒng)的功能陶瓷材料對性能的要求種類繁多，如果按照平鋪直敘的教學(xué)方法，學(xué)生會感到非常乏味，并失去學(xué)習(xí)熱情。這樣，在課堂教學(xué)過程中，一定要引入常見的生活用品作為例子，來引出材料科學(xué)與工程問題，從而緊緊抓住課堂教學(xué)的注意力與適時拋出工程問題，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上討論。比如，在講解電介質(zhì)陶瓷時，從大家常用的手機(jī)入手，引入多層陶瓷電容器（MLCC）的電功能材料問題，如圖1所示。告訴大家現(xiàn)在的手機(jī)做的越來越精細(xì)，功能越來越多，離不開超微型化MLCC在手機(jī)上的應(yīng)用。并從大學(xué)物理、數(shù)學(xué)、金屬材料與功能陶瓷材料四門課程的結(jié)合來闡述材料科學(xué)與工程問題。

比如超微型電容器追求超高介電常數(shù)的原因來自數(shù)學(xué)與大學(xué)物理所學(xué)的公式：C=εrS/d（相對介電常數(shù)εr， 面積S， 極板間距d）。這樣，設(shè)計微型化高電容，就要求增加電極面積S，降低介質(zhì)厚度d，從器件設(shè)計的角度，采用MLCC的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步引導(dǎo)是否還有其它方式可以實現(xiàn)類似MLCC的效果，并引入晶界半導(dǎo)體晶粒型電容。

在此基礎(chǔ)上，從材料設(shè)計的角度，進(jìn)一步說明為什么介電陶瓷需要高介電常數(shù)εr，從而引出復(fù)雜工程問題，并當(dāng)場進(jìn)行場景角色轉(zhuǎn)換，假如自己就是公司該項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人，如何設(shè)計實現(xiàn)超微型化高電容器件？在課堂討論的基礎(chǔ)上，在引入金屬材料中的電極問題。電容器陶瓷介質(zhì)與電極共燒，陶瓷燒結(jié)溫度高，只能采用貴金屬鉑、鈀作為電極材料，從歷史發(fā)展的進(jìn)程，說明為什么以前電器價格昂貴的原因，成本降低與電極材料的關(guān)系。低燒陶瓷材料與技術(shù)的進(jìn)展，后面可以采用價格價格相對便宜的銀作為電極材料。隨著家電器競爭的加劇，成本需要進(jìn)一步降低，需要采用成本更低的濺金屬如Ni，Cu等作為電極材料。但是這些濺金屬Ni，Cu等在與陶瓷介質(zhì)共燒過程中容易氧化失去導(dǎo)電性，所以需要在保護(hù)氣氛如還原性氣氛燒結(jié)，但是也帶來陶瓷介質(zhì)材料被還原導(dǎo)電的問題，進(jìn)一步引導(dǎo)大家討論解決辦法，比如研發(fā)抗還原瓷料的方法。但是抗還原瓷料也帶來功能陶瓷材料課程后面內(nèi)容“敏感陶瓷材料”中需要瓷料能被還原形成半導(dǎo)體的問題，為后面敏感材料的復(fù)雜工程問題的解決埋下伏筆，這樣整個課堂內(nèi)容與體系在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力上形成系統(tǒng)、綜合及有機(jī)的統(tǒng)一。

2 結(jié)語

本文結(jié)合我校材料科學(xué)與工程專業(yè)參與工程教育認(rèn)證過程中，在功能陶瓷材料專業(yè)主干課程中，在課堂教學(xué)內(nèi)容與方式進(jìn)行變革探索，將傳統(tǒng)功能陶瓷材料的內(nèi)容與現(xiàn)在最新的研究、應(yīng)用進(jìn)展有機(jī)結(jié)合，將孤立、分散的不同功能陶瓷材料整合成一個系統(tǒng)，從數(shù)學(xué)、物理、金屬材料與功能陶瓷材料四門課程交叉的角度，從具體應(yīng)用的元器件出發(fā)，并將科研成果融合到課堂教學(xué)內(nèi)容中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程與創(chuàng)新能力，取得較為明顯的成效。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林健.如何理解和解決復(fù)雜工程問題——基于《華盛頓協(xié)議》的界定和要求，高等工程教育研究，2016，5，17-38.

[2]馬萬征，李忠芳，馬月芹，李孝良.工程教育認(rèn)證+“新工科”背景下《材料力學(xué)》教學(xué)改革的研究，山東化工，2018，47，169-192.

[3]張彩麗，楊海波.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下基于STEM理念的復(fù)雜工程問題的構(gòu)建，西部素質(zhì)教育，2019，5（04），172-173.

[4]宋歌.《華盛頓協(xié)議》視域下工程科技人才職業(yè)能力提升路徑探析，高教論壇，2018，12，76-78.

[5]夏偉懷.建構(gòu)主義視角下的本科工程教育教學(xué)設(shè)計研究，大學(xué)教育，2018，10，4-7.