基于OBE理念的新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

趙春霞 周靜 顧少軒 楊爽

摘? 要：新能源材料與器件是新興專業(yè)，文章從該本科專業(yè)的建設(shè)背景、現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)出發(fā)，闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性和迫切性。并以武漢理工大學(xué)為例，簡(jiǎn)述了該專業(yè)立足武漢理工大學(xué)材料學(xué)科優(yōu)勢(shì)，基于OBE理念，圍繞具有創(chuàng)新意識(shí)、批判性思維和創(chuàng)新能力的卓越人才培養(yǎng)和實(shí)踐新工科建設(shè)的探索。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);新工科;OBE;人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）18-0083-03

Abstract： New Energy Material and Devices （NEMD） is a new bachelor profession in China. This article briefly reviews the background， current status and developing trend of NEMD. The necessity and urgency of NEMD experimental teaching reform is demonstrated. Taking Wuhan University （WUT） of Technology as an example， the practice for cultivating outstanding talents with innovative consciousness， critical thinking and innovative ability is explored， which is based on OBE concept and Emerging Engineering Education and the advantages of materials science and engineering discipline of WUT.

Keywords： experiment teaching; emerging Engineering education; outcome-based education; talent cultivation.

近二十年來，我國(guó)在新能源技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)方面取得了令人矚目的成績(jī)，但也暴露出一些發(fā)展中的不足，特別是相關(guān)高層次專業(yè)人才的缺乏[1]。新能源材料與器件專業(yè)是由教育部2010年批準(zhǔn)在高等學(xué)校設(shè)置的新專業(yè)，旨在適應(yīng)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。截至目前，已在華北電力大學(xué)、武漢理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等76所院校開設(shè)。

武漢理工大學(xué)2012年獲批設(shè)立新能源材料與器件本科專業(yè)，2013年開始在材料類招生。我校該專業(yè)的建設(shè)思路是，立足材料科學(xué)與工程“雙一流”學(xué)科，圍繞太陽能、電化學(xué)能、溫差能等可再生能源的利用、轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的關(guān)鍵新材料、新技術(shù)與核心器件，結(jié)合納米材料與納米技術(shù)、新能源類型及應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)專業(yè)人才知識(shí)、能力、素質(zhì)的綜合要求辦學(xué)，培養(yǎng)適應(yīng)我國(guó)戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高層次科學(xué)研究與工程技術(shù)人才。

2013年我國(guó)成功加入國(guó)際工程教育專業(yè)認(rèn)證（簡(jiǎn)稱“專業(yè)認(rèn)證”）互認(rèn)協(xié)議，這是我國(guó)高等工程教育提升教育水平、加快與國(guó)際接軌的重大契機(jī)。我院把握新工科發(fā)展機(jī)遇，先后完成了5個(gè)專業(yè)的工程教育認(rèn)證工作，有效提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。習(xí)近平總書記在2018年全國(guó)教育大會(huì)上發(fā)表重要講話，深刻闡明了教育在黨和國(guó)家工作大局中的戰(zhàn)略地位，指出堅(jiān)持深化教育改革創(chuàng)新是新時(shí)代教育改革發(fā)展的必由之路。

在我校材料類專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年累積的基礎(chǔ)上，本文就新能源材料與器件專業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的探索與實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。

一、新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問題

由于專業(yè)開設(shè)不足十年，各高校的新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)還處于自由探索階段，且一般依托本校的辦學(xué)特點(diǎn)建設(shè)此專業(yè)，涉及冶金、能動(dòng)、機(jī)械、電子、化工、材料等學(xué)科。依托的學(xué)科領(lǐng)域不同，該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)定位也不同，課程體系具有學(xué)科交叉程度高的特點(diǎn)。

不論是傳統(tǒng)的工科專業(yè)還是新興工科專業(yè)，在人才培養(yǎng)中專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)都是相輔相成、緊密銜接的，前者一般具有基礎(chǔ)性、通用性和典型性，既是課堂理論教學(xué)的拓展和延伸，又是學(xué)生綜合實(shí)踐能力的載體，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力、工程素養(yǎng)等有著重要作用，故在國(guó)內(nèi)外高等院校中均設(shè)有必修類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課。

目前高校普遍存在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)少的狀況，主要受限于經(jīng)費(fèi)緊張導(dǎo)致的設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足。大多數(shù)高校的新能源材料與器件專業(yè)雖然開設(shè)了設(shè)計(jì)性或綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)，但基本上是基于現(xiàn)有設(shè)備條件或教師專業(yè)背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而非基于目標(biāo)導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且在實(shí)施過程中，學(xué)生幾乎沒有實(shí)際參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還停留在“照著做”的狀態(tài)。此外，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教材欠缺也是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的短板，且實(shí)驗(yàn)教材或講義內(nèi)容更新較慢，特別是關(guān)于材料合成、成型、工藝、性能檢測(cè)方面的實(shí)驗(yàn)，甚至部分落后于行業(yè)技術(shù)水平，無法有效激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，不利于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。然而，新型材料制備、結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試等設(shè)備通常比較昂貴，且需要專門人員維護(hù)管理。目前高校普遍存在教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，導(dǎo)致設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足。

二、新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

在我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和發(fā)展新工科的形勢(shì)下，工程技術(shù)類人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)，特別是要具備創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。新能源材料與器件專業(yè)具有明顯的新工科特性，因此專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)本專業(yè)大學(xué)生批判性思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力、工程素養(yǎng)等的重要環(huán)節(jié)。它不僅幫助學(xué)生把學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與運(yùn)用，而且在方案設(shè)計(jì)、過程實(shí)施、數(shù)據(jù)收集與整理、分析與討論等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和批判性思維，訓(xùn)練學(xué)生的自主能力和協(xié)作意識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[2-4]。

隨著教學(xué)改革的深入，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步成為適應(yīng)新工科建設(shè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何把全國(guó)教育大會(huì)和新工科建設(shè)的內(nèi)涵貫徹到教學(xué)思想和教學(xué)理念中，把專業(yè)認(rèn)證的核心理念在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式中落地，充分發(fā)掘大學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，探索出一條培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)技術(shù)過硬、富于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑、實(shí)現(xiàn)新能源材料與器件人才培養(yǎng)的可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急。

三、基于OBE理念的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

（一）把OBE理念貫徹到實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，簡(jiǎn)稱OBE）[5，6]是專業(yè)認(rèn)證的一個(gè)核心理念。專業(yè)認(rèn)證就是要確認(rèn)工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià)[7]，并強(qiáng)調(diào)建立人才培養(yǎng)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，形成持續(xù)改進(jìn)文化，保證教育質(zhì)量和教育活力[8]。專業(yè)認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生具備問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究和使用現(xiàn)代工具等能力。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，應(yīng)把“以學(xué)生為中心”、“目標(biāo)導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”的理念貫徹其中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)和目標(biāo)達(dá)成[9]。

（二）構(gòu)建OBE實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

基于OBE理念，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建綜合教學(xué)體系，是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)不可或缺的核心內(nèi)容。近年來，我院依托本校材料科學(xué)與工程學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以材料科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家資質(zhì)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)——材料研究與測(cè)試中心等八個(gè)高水平研究基地，開展校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，構(gòu)建了人才培養(yǎng)三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。分別是一級(jí)學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置學(xué)科大類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);二級(jí)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置了新能源材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)室;三級(jí)科技創(chuàng)新共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是依托上述高水平研究基地設(shè)置，包括材料科學(xué)與工程基本實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)基地、新材料研究能力創(chuàng)新實(shí)踐基地、材料工程能力創(chuàng)新實(shí)踐基地和現(xiàn)代材料分析能力創(chuàng)新實(shí)踐基地。

（三）設(shè)計(jì)OBE專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

以我校的“新能源材料與器件制備與性能”專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)為例，該課程是本專業(yè)高年級(jí)本科生的必修課，共有5個(gè)學(xué)分（160學(xué)時(shí)）?；贠BE理念和課程體系設(shè)計(jì)，明確本課程的教學(xué)目標(biāo)，圍繞教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和專業(yè)知識(shí)相輔相成，共同為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力服務(wù)。同時(shí)，在教學(xué)實(shí)施中，將動(dòng)腦與動(dòng)手、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、科學(xué)與工程有機(jī)地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維。

該課程包含15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，3個(gè)主要項(xiàng)目類型，分別是設(shè)計(jì)研究性、綜合性和驗(yàn)證性/演示性（見表1）。其中，綜合性和設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在新能源材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)室（二級(jí)平臺(tái)）上實(shí)施的。該平臺(tái)是在2014年通過教育部修購專項(xiàng)投入420萬建設(shè)的[10]。在教學(xué)實(shí)施中，基于OBE理念改革教學(xué)方式和考核方法，通過材料合成、樣品制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)試、數(shù)據(jù)整理、結(jié)果分析、報(bào)告撰寫與匯報(bào)等環(huán)節(jié)，使專業(yè)實(shí)驗(yàn)更趨內(nèi)容豐富和形式多樣，綜合訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、批判性思維、創(chuàng)新能力和協(xié)作精神。

此外，汲取新能源材料與技術(shù)發(fā)展的新成果，在三級(jí)科技創(chuàng)新共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開設(shè)了部分驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。請(qǐng)科研基地杰出的研究者參與到人才培養(yǎng)工作中，把學(xué)術(shù)前沿、科研成果、技術(shù)手段和大型儀器設(shè)備引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，踐行科教協(xié)同。例如在燃料電池湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的“質(zhì)子交換膜燃料電池單電池組裝及性能測(cè)試”，在材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的“自蔓延高溫合成”、“放電等離子體燒結(jié)”等，把大型科研設(shè)備向人才培養(yǎng)開放，拓展學(xué)生的科技視野和國(guó)際視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，提升學(xué)生對(duì)專業(yè)和行業(yè)的認(rèn)知度和認(rèn)可度。

（四）加強(qiáng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教材建設(shè)

當(dāng)前，本專業(yè)還沒有普適的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教材或指導(dǎo)書，這與高校依托自身的學(xué)科特色、學(xué)科交叉、專業(yè)規(guī)劃和發(fā)展方向辦學(xué)有關(guān)。因此，新能源材料與器件專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)迫在眉睫。我校立足本校材料學(xué)科特點(diǎn)，逐步修訂本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)大綱和教改方案，形成了一部既有新能源材料與器件專業(yè)特色、又可面向材料類學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教材《新能源材料制備與器件性能表征》，全文主要包含材料設(shè)計(jì)與制備、器件設(shè)計(jì)與組裝、性能測(cè)試與分析三大部分，包含二十個(gè)典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從能源的類別、能源的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化、能源的存儲(chǔ)與利用、器件設(shè)計(jì)與組裝等幾個(gè)方面，進(jìn)行電、熱、聲、光、磁、電化學(xué)等性能的測(cè)定、表征和分析，擬于本年度出版。

（五）逐步完善教學(xué)質(zhì)量保障體系

為進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量，我校先后出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地建設(shè)和管理的若干意見》和《武漢理工大學(xué)關(guān)于綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基本要求的若干意見》等制度性文件，推進(jìn)小組實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每組2～3名學(xué)生，實(shí)現(xiàn)人人動(dòng)手，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力訓(xùn)練。同時(shí)，還加大了對(duì)“實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目”、“自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目”“大學(xué)生創(chuàng)新研究訓(xùn)練計(jì)劃”、“大型儀器操作證書”等本科生科技項(xiàng)目的支持力度，并依托我校特色活動(dòng)“材料文化節(jié)”，搭建了內(nèi)涵豐富、形式多樣的“金字塔”式學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)。上述人才培養(yǎng)的舉措，踐行了新工科建設(shè)和卓越人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想，有效促進(jìn)了新能源材料與器件專業(yè)人才培養(yǎng)的可持續(xù)發(fā)展。

四、結(jié)束語

我國(guó)十二五以來能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，能源科技創(chuàng)新取得新突破，節(jié)能減排和環(huán)境污染成效顯著。部分高校依托自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，制定了相應(yīng)的專業(yè)培養(yǎng)方案，開展了新能源材料與器件人才培養(yǎng)的探索和實(shí)踐。其中，作為工科專業(yè)不可或缺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革直接關(guān)系到學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高。我校創(chuàng)新性的把學(xué)科的科研資源優(yōu)勢(shì)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，構(gòu)建了人才培養(yǎng)三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，出臺(tái)了相關(guān)保障制度文件。特別是在基于OBE的課程體系設(shè)計(jì)、探索高端設(shè)備開放、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)文化熏陶等方面形成了特色，取得了良好的人才培養(yǎng)效果。當(dāng)然，在新工科建設(shè)和卓越人才培養(yǎng)的大潮下，如何持續(xù)開展新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性改革，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)，仍是我們今后努力的方向。

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