工程教育背景下“材料物理性能”課程改革與探索＊

湯金柱

（長(zhǎng)江師范學(xué)院，重慶 408100）

現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，新材料、新技術(shù)、新理論、新工藝不斷涌現(xiàn)，因此社會(huì)廣泛需求高質(zhì)量復(fù)合型工程人才，要求學(xué)生具備全面的基礎(chǔ)知識(shí)，較強(qiáng)的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和終身學(xué)習(xí)意識(shí)。培養(yǎng)符合社會(huì)發(fā)展需求的工程質(zhì)量人才是高等教育的根本任務(wù)，而工程教育是連接社會(huì)需求和高等教育的直接紐帶，因此工程教育問(wèn)題成為現(xiàn)代高等教育研究體系的重點(diǎn)內(nèi)容。

“材料物理性能”是長(zhǎng)江師范學(xué)院材料科學(xué)與工程和材料化學(xué)專業(yè)必修的核心理論課程，開設(shè)對(duì)象為本科二年級(jí)學(xué)生，是一門理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐密切集合的課程，主要講解材料的電、磁、光、熱、彈性性能等物理性能產(chǎn)生的本質(zhì)原因和影響因素，是新功能材料研究領(lǐng)域的核心，是材料在航空航天、交通能源、信息通信、生物醫(yī)療、機(jī)器人等高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與發(fā)展的理論基礎(chǔ)。本課程為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐以及將來(lái)從事功能材料的研究起到重要的理論指導(dǎo)作用。

“材料物理性能”內(nèi)容融合了材料學(xué)和物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，具有理論性較強(qiáng)、概念抽象難懂、公式推導(dǎo)煩瑣、知識(shí)覆蓋面廣和各章節(jié)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等特點(diǎn)，極易給學(xué)生造成枯燥乏味、煩瑣冗雜、晦澀難懂等負(fù)面學(xué)習(xí)印象，從而產(chǎn)生畏難和厭學(xué)情緒，直接影響教學(xué)的進(jìn)程和效果。本門課程理論知識(shí)抽象且繁雜，在教學(xué)過(guò)程中容易存在理論教學(xué)與工程應(yīng)用相脫節(jié)的問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生不了解實(shí)際應(yīng)用背景，缺乏工程意識(shí)和應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，導(dǎo)致學(xué)生容易存在“為什么學(xué)”“為誰(shuí)學(xué)”“怎樣學(xué)”等系列問(wèn)題。CDIO作為一種國(guó)際工程教育范式，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)國(guó)家高校的工程教育改革中，取得了良好的效果，且較容易實(shí)現(xiàn)本土化改革，展現(xiàn)出多樣性、開放性、包容性和廣泛性，對(duì)中國(guó)工程教育改革具有借鑒意義，成為中國(guó)高等教育研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前關(guān)于CDIO教育理念的研究主要集中在教育模式、培養(yǎng)模式和專業(yè)體系等方面，針對(duì)很多專業(yè)和課程提出了較為詳細(xì)科學(xué)的理論分析和實(shí)施方案，取得了良好的教學(xué)效果?；诖耍筇剿鬟m合“材料物理性能”的教學(xué)方法，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

1 “材料物理性能”課程的特點(diǎn)及教學(xué)問(wèn)題

“材料物理性能”作為材料學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科生的重要基礎(chǔ)課程，主要講解材料的電、磁、光、熱、彈性性能等物理性能的本質(zhì)、影響因素和作用規(guī)律關(guān)系，不僅為后續(xù)學(xué)習(xí)、科研和工作提供必備理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且在航空航天、交通能源、信息通信、生物醫(yī)療、機(jī)器人等高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)具有廣泛應(yīng)用背景，是一門理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐密切集合的課程[1]?！安牧衔锢硇阅堋敝v解了材料物理性能各個(gè)本質(zhì)參數(shù)的概念、內(nèi)涵和意義，闡述了材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系，重點(diǎn)分析了物理性能作用原理、微觀機(jī)制、變化規(guī)律及測(cè)試和改進(jìn)方法，其存在理論性較強(qiáng)、概念較為抽象、公式推導(dǎo)相對(duì)煩瑣、章節(jié)知識(shí)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等特點(diǎn)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成一定的難度，容易讓學(xué)生感到學(xué)習(xí)方法單一、內(nèi)容枯燥乏味，普遍缺乏學(xué)習(xí)熱情，甚至產(chǎn)生畏難、厭學(xué)等心理。而傳統(tǒng)教學(xué)模式屬于以“教”為中心的“注入式”教學(xué)方式，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，難以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和熱情，極易導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

2 工程教育概述

與科學(xué)教育和職業(yè)教育不同，工程教育是以工程需求為導(dǎo)向，實(shí)踐邏輯關(guān)系為本，培養(yǎng)能綜合運(yùn)用經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)以及人文等多領(lǐng)域知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的人才為目標(biāo)的教育體系，具有實(shí)踐性、綜合性、系統(tǒng)性和倫理性的獨(dú)特屬性。“以學(xué)生為中心”“以成果為導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”是工程教育的三大核心理念[2]?；诠こ探逃砟畹慕逃Ｊ捷^多，如CDIO工程教育模式、基于“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”的教育模式、基于“企業(yè)需求導(dǎo)向”的工程教育模式、基于“工程問(wèn)題導(dǎo)向”的工程教育模式和基于“體驗(yàn)式導(dǎo)向”的工程教育模式等。盡管這些工程教育模式存在一定特征差異，但均重點(diǎn)突出工程實(shí)踐在教學(xué)過(guò)程中的重要性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程專業(yè)能力。在教學(xué)過(guò)程中，要求以學(xué)生為中心，尊重學(xué)生的需求和愛(ài)好，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力和能動(dòng)性，自主設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、思維方式、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力的培養(yǎng)[3]。

3 工程教育背景下“材料物理性能”課程改革策略

3.1 基于社會(huì)需求，科學(xué)設(shè)定教學(xué)目標(biāo)

培養(yǎng)迎合社會(huì)發(fā)展需求的拔尖人才是高等教育人才培養(yǎng)的根本任務(wù)和使命。在設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)時(shí)，要以社會(huì)需求為導(dǎo)向，尤其是當(dāng)?shù)仄髽I(yè)發(fā)展需求人才，基于CDIO教育模式的核心內(nèi)容，注重工程實(shí)踐能力和專業(yè)知識(shí)的并重，突出培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力、交流能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、思辨能力等綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)體系、實(shí)踐能力體系和人際交往技能體系的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、良好的社會(huì)道德觀和職業(yè)責(zé)任感，擁有處理工程和科學(xué)研究問(wèn)題的能力，形成終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。

3.2 突出工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，科學(xué)有效設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

“材料物理性能”講述各種物理性能的原理和本質(zhì)，部分內(nèi)容較為抽象和晦澀，且章節(jié)內(nèi)容連貫性不強(qiáng)，在教學(xué)過(guò)程中如果一味地灌輸枯燥的理論知識(shí)，重理論知識(shí)輕工程實(shí)踐，不僅限制了學(xué)生多向思維的發(fā)展，而且極易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難厭學(xué)情緒。因此，緊跟科技發(fā)展前沿，充分考慮企業(yè)需求，尤其是地方特色、優(yōu)勢(shì)、急需產(chǎn)業(yè)，在教學(xué)過(guò)程中引入與理論知識(shí)相關(guān)的生產(chǎn)、工程和科研等實(shí)踐問(wèn)題和過(guò)程，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，以具體實(shí)例或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象事物的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高學(xué)生運(yùn)用理論分析和解決問(wèn)題的能力，也有利于形成正確的學(xué)以致用、用以促學(xué)、學(xué)用相長(zhǎng)的良性循化。例如，在理解熱容、熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)的定義、物理意義和本質(zhì)內(nèi)涵時(shí)，可以讓學(xué)生分析油汀和暖手寶對(duì)材料熱學(xué)性能的需求差異性，并基于熱學(xué)性能本質(zhì)和原理引導(dǎo)學(xué)生討論材料的發(fā)展方向。

教學(xué)內(nèi)容貼近行業(yè)，讓學(xué)生分析具體工程實(shí)踐過(guò)程對(duì)材料性能的需求，創(chuàng)造身臨其境的課堂氛圍，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的深度和層次，從而培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力和工程實(shí)踐能力，并基于科學(xué)前沿，完善豐富課程教學(xué)的內(nèi)容和深度，以擴(kuò)展學(xué)生視野，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。如在講解磁滯回線時(shí)引入磁存儲(chǔ)材料的發(fā)展、研究現(xiàn)狀和主要問(wèn)題，將枯燥的知識(shí)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。如在講解超導(dǎo)體的性能時(shí)，著重介紹超導(dǎo)體在能源、交通、電信等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和存在的主要問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生梳理熱、力、電、磁等綜合知識(shí)；在講解熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生討論軸承機(jī)械部件的安裝和拆卸方法。

在教學(xué)過(guò)程中，作業(yè)的布置要多元化，可以要求學(xué)生針對(duì)章節(jié)內(nèi)容，模擬工程需求情景，并以“工程師”身份自主設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生在完整的工程實(shí)踐過(guò)程中提升工程意識(shí)和能力。

3.3 實(shí)施課堂教學(xué)方式改革，構(gòu)筑多元化教學(xué)模式和考核方案

CDIO教育模式要求明確工程背景需求，用實(shí)際需求展現(xiàn)知識(shí)的力量和作用，使學(xué)生學(xué)有所思、學(xué)有所得、學(xué)以致用。CDIO注重全過(guò)程教育，將理論知識(shí)和工程實(shí)踐引入教學(xué)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生的角色轉(zhuǎn)換，教師不再是單方向地灌輸知識(shí)，而是知識(shí)的引導(dǎo)者、項(xiàng)目實(shí)施的組織者、實(shí)踐效果的監(jiān)督者和疑難問(wèn)題的提出者、解答者，學(xué)生以項(xiàng)目參與人員身份主動(dòng)學(xué)習(xí)、查詢相關(guān)知識(shí)，實(shí)時(shí)討論定期匯報(bào)項(xiàng)目實(shí)施情況，以實(shí)際工程應(yīng)用加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，真正提高其工程綜合素養(yǎng)。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)采用互動(dòng)式教學(xué)模式，綜合應(yīng)用問(wèn)題式、啟發(fā)式、互動(dòng)式、研討式、演示示范、微課、慕課等多種現(xiàn)代化教學(xué)方法，創(chuàng)建多樣化教學(xué)情景，使學(xué)生真正有深度地參與教學(xué)活動(dòng)，以轉(zhuǎn)變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其產(chǎn)生主動(dòng)的求知欲望和深入的學(xué)習(xí)愿望[4]。要促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，必須堅(jiān)持“考”與“學(xué)”相一致，充分發(fā)揮以考促學(xué)的功能。通過(guò)學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度、項(xiàng)目實(shí)踐等多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)，注重全過(guò)程、多角度、開放式、動(dòng)態(tài)地綜合性評(píng)價(jià)[5]。減少記憶性、書本化等淺層次知識(shí)考核比例，增加工程實(shí)踐問(wèn)題和科研研究問(wèn)題的考核比例，從而進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)和思辨能力培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。多元化教學(xué)方法和全過(guò)程考核方式不僅可以兼顧學(xué)生的個(gè)體差異和個(gè)性化發(fā)展，多角度全方位激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還可以引導(dǎo)學(xué)生注重學(xué)習(xí)過(guò)程，提高學(xué)生的工程認(rèn)知和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

為充分發(fā)揮學(xué)生課堂主人翁意識(shí)，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，并培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，將試卷20%主觀考核內(nèi)容由學(xué)生參與出題。教師根據(jù)學(xué)生出題內(nèi)容和提供的參考答案，篩選出2道試題作為試卷考核內(nèi)容，并在試題下方標(biāo)注“該題由XXX同學(xué)提供”，以鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂教學(xué)，讓學(xué)生充分體驗(yàn)出題的成就感和榮譽(yù)感。這一方法也可以讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)角色互換，從出題人角度體驗(yàn)知識(shí)考查的要求和細(xì)節(jié)，有利于學(xué)生掌握出題思路和風(fēng)格，提高知識(shí)認(rèn)知水平。同時(shí)任課教師可以從學(xué)生的出題類型、方向和難度等方面綜合評(píng)判學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的水準(zhǔn)和重點(diǎn)問(wèn)題的把握情況，有利于把控試卷難易程度和重點(diǎn)考核方向。

3.4 構(gòu)建多維評(píng)價(jià)機(jī)制，持續(xù)改進(jìn)實(shí)施方案

在多年傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響下，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中形成了以成績(jī)?yōu)閷?dǎo)向的錯(cuò)誤認(rèn)知，形成了一種“課程怎么考，學(xué)生就怎么學(xué)”的錯(cuò)誤思維。傳統(tǒng)的課程考核過(guò)于簡(jiǎn)單，僅以一張?jiān)嚲砗?jiǎn)單判定學(xué)生課程成績(jī)本身就具有一定的局限性，難以全面考核學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，且極易導(dǎo)致平時(shí)不聽講、不參與教學(xué)互動(dòng)、只學(xué)考試重點(diǎn)的錯(cuò)誤行為習(xí)慣，甚至出現(xiàn)臨時(shí)突擊、考試作弊等陋習(xí)。CDIO教育模式強(qiáng)調(diào)通過(guò)“項(xiàng)目”形式考察學(xué)生溝通表達(dá)能力、自主學(xué)習(xí)能力、組織能力和實(shí)踐能力，以動(dòng)態(tài)的形式從全過(guò)程和綜合性評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)掌握情況、綜合素質(zhì)和能力。依據(jù)CDIO教育模式，從考核內(nèi)容和考核方式2個(gè)方面，建立現(xiàn)代化全方位課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制、跟蹤機(jī)制和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，分析并確定教學(xué)改革的效果、效率及存在的問(wèn)題，找出課堂教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)，提出具體的問(wèn)題及針對(duì)性的改進(jìn)措施[6]。在構(gòu)建多維評(píng)價(jià)機(jī)制過(guò)程中，要充分發(fā)揮教師、輔導(dǎo)員、學(xué)生、用人單位、校友及其他利益相關(guān)者的反饋信息，并有效利用學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋機(jī)制，及時(shí)修正培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)度安排、方法、考核內(nèi)容和形式，保證課程教育朝向工程教育方向發(fā)展和教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

將工程教育應(yīng)用于“材料物理性能”課程教學(xué)中不僅是一種教學(xué)形式的變化，更是教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)、教育觀念的變革。目的在于基于工程應(yīng)用背景建立明確的培養(yǎng)目標(biāo)，通過(guò)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)和訓(xùn)練等多元化教學(xué)鍛煉學(xué)生的工程意識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，形成明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，為培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才及今后的實(shí)際工作打下良好基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，注重學(xué)生實(shí)踐能力和專業(yè)素質(zhì)的提高，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)“以教師中心”“以書本中心”的超越。