工程教育认证下的现代功能材料课程改革(共7609字).doc

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1、工程教育认证下的现代功能材料课程改革(共7609字)摘要：功能材料技术是其他各技术群落的基础，在与国际接轨的工程教育认证背景下，现代功能材料教学改革对新工科高等教育体系的发展具有重要意义。本文基于以学生为中心、产出导向、持续改进的工程教育认证理念，从现代功能材料课程教学现状和问题出发，提出现代功能材料课程教学改革设计方案，重点是教学内容的调整及实施、教学内容工程实践背景的强化和考核方式的改革设计，以期加强培养学生解决复杂工程问题的能力，探索以工程教育专业认证为导向的课程教学改革新思路。关键词：教学改革；工程教育专业认证；现代功能材料课程一引言2016年6月2日，中国正式加入华盛顿协议，这是中国

2、工科教育国际化的具有历史意义的里程碑。自此工程教育认证的热潮以更快的速度席卷全国大部分高校1。以学生为中心、产出导向、持续改进是华盛顿协议的三大教育理念，而本科培养学生解决复杂工程问题的能力既是工程教育认证的重要标准，也是高校培养高素质工程人才的关键内容2。什么是复杂工程问题？协议用如下7个特征进行刻画。其中第一条是必备的，它指出了复杂工程问题的本质；第二到第七条是可选的，它们可以看作是复杂工程问题的表象1,3。（1）必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决。（2）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性

3、。（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的。（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中。（6）问题相关各方利益不完全一致。（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题，增强课程内容的开放性。功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等形式的能量刺激后，显示出特定功能的材料。功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身特点。现代功能材料主要是指功能材料中的功能更新颖、更先进的材料。现代功能材料课程内容在工科专业知识结构中具有极为重要的地位和作用。在全球技术竞争日趋激烈的新形势下，本文基于对工程教育理念的学习，针对笔者多年来在江苏大学担任现代功能材料课程的教学过程中所遇到的问

4、题和收获，进行了总结、分析和思考，提出现代功能材料课程教学改革设计的新方案，以供抛砖引玉，力求为高校现代功能材料课程教学的不断完善，为其在人才培养中发挥更大的作用添砖加瓦。二现代功能材料课程的重要意义美国科学家维纳在他的控制论一书的序言中说：“科学技术的发展具有为善和作恶的巨大可能性”。诚然，现代社会的人类享受着科学技术这把双刃剑带来的丰盛福利，也面对着生产力高速发展而带来的诸多难题，例如能源问题、环境问题等等。功能材料技术的飞速发展，为解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，提供了有效的解决途径。例如，基于功能材料技术的飞速发展，已经实现或者即将实现：塑料将不以石油为原料而

5、完全以玉米替代；建筑材料有望由洋麻等纤维类作物替代；石油的枯竭也不再可怕，因为用秸秆完全可以替代4,5。现代功能材料技术正在渗透到现代社会的各个领域，成为能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学技术群落的基础。新型功能材料的发展和应用，可直接为社会生产和人类生活带来巨大改变，推动人类社会前进。例如，2005年一个容量为100kb的U盘售价约为100RMB，而现在一个30G的U盘的价格约为50RMB，这其中，高储备容量的芯片功能材料的开发，功不可没。目前，现代功能材料日趋成为材料领域中与现代社会各个领域密切相关的最活跃的前沿学科，现代功能材料技术在未来的社会发展中具有重大战略意义6。目前，全球范

6、围内各个国家均十分重视功能材料技术的研究，世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断的现象已经屡见不鲜。在这种国际形势下，加强我国功能材料技术的发展，加强我国功能材料技术人才的培养是工科学校刻不容缓的重要任务7,8。三现代功能材料课程教学现状和问题目前，科学技术的发展和进步已是常态，而且更新速度越来越快。功能材料技术是其他各技术群落的基础，因此，高校现代功能材料课程内容要尽量反映功能材料科学发展的新成就，让学生接触最新的功能材料前沿。而目前高校选用的教材的编写出版流程相对较长，很难将最先进的功能材料研究成果

7、囊括其中，教材内容大多已不能匹配于新工科发展的世界范围的大趋势。因此，如何规划课程内容以便适应工程教育认证背景下培养学生解决复杂工程问题的能力，是高校功能材料课程共同面对的问题。笔者以往收集的学生课后回馈表明，学生结束课程学习之后对所学功能材料的功能特性、机理和工程应用仅有模糊的、大致的了解，匮乏对重要知识点的深刻把握，尤其是对于材料在实际工程应用中的重要意义缺乏明确的认识。以往所实行的以课程总结报告为主的课程考核方式的目的是好的，但按国内学生的现状，效果不好，课程总结报告不深入，未能充分阅读资料通过分析总结变为自己的理解，因此，通过这种方式来实施能力考核难度较大。四现代功能材料课程教学改革设

8、计（一）教学内容的调整及实施60年代初，美国一些理工科大学鉴于当时大学基础物理教学与现代科学技术的发展不相适应，纷纷试行教学改革。为此，当时在加利福尼亚理工学院任教的著名理论物理学家费曼将当时物理学各个分支的最新科研成果全部融入课堂，并根据其课堂录音编纂了费曼物理学讲义，完成了基础物理的教学改革。费曼物理学讲义至今仍是物理学领域基础教学的经典之作9。以此为鉴，功能材料是材料学科最活跃的研究热点，在期待功能材料前沿科研引领者的倾力之作的同时，任课教师要即时追踪功能材料的最新发展动态，着力保障每年的授课内容在不同程度上是动态更新的。这就要求教师备课不仅仅是重温往年的课件内容，而是要重新查阅大量中英

9、文文献，追踪每种功能材料的最新研究态势及成果并将其引入课堂内容中。例如，在形状记忆聚合物这一主题中，在2018年的教学内容中增加了文献最新报道的4D形状记忆聚合物的内容，即将近年来备受关注的3D打印技术和形状记忆效应相结合的研究成果。除此，注重教学内容的开放式探索，将教师本人及同行的最新科学研究成果第一时间引入课堂，真正践行教学内容持续改进的工程教育专业认证理念。在课堂内容保持一定程度的动态更新的基础上，针对学生群体的专业特点来规划课程内容，并充分利用学生课外时间导向性的引导其自行拓展课程内容。针对学生群体的专业特点来规划课程内容，即课程内容的规划以学生的专业就业方向为目标来量身定制，从而践行

10、以学生为中心，以产出为导向的工程教育专业认证理念。例如，对于机械专业背景的学生，课程内容在材料的功能特性和机理的基础上，以功能材料的工程应用为重点规划内容；而针对于化学或者材料等相关学科的学生，则可以以功能材料的工程应用为背景，以功能材料的结构设计、合成制备及性能调控为主。通过引导学生自学来进一步拓展课程内容。目前，功能材料是材料学科最活跃的研究热点，功能材料技术发展迅猛。通过“满堂灌”“填鸭式”教学方式，在有限的课堂教学课时内让学生了解和学量的现代功能材料知识是不可能的，也是没有必要的。而且由于学生个体的基础和兴趣等差异的存在，更需要一种灵活的课程内容拓展方式，例如，鼓励学生针对一些功能材料

11、相关的问题自主进行信息检索等的自学方式。现在是信息大爆炸的时代，学生身处其中，图书馆、慕课、百度、知乎和抖音，甚至是电视的科技频道等等都是他们潜在的课程学习资源。而实质上，不是可供选择的课程资源不够，而是课程资源太多，反倒无从下手。授人以鱼不如授人以渔，教师在进行课堂教学时注重精炼和引导，强调举一反三，并通过抛出问题布置作业等方式，引导学生课外自主学习。在思考问题和完成作业的过程中，学生有目的地针对具体问题进行文献检索，信息提炼，问题分析等学习活动，在激发学生的学习兴趣和自我认可的成就感的同时，大幅度拓宽了学生的功能材料视野，同时也满足了一部分学生对课程深度拓展的要求。通过引导学生自学来实现课

12、程内容的拓展，践行了以学生为中心，并指向了学生的终身学习能力的培养。（二）教学内容工程实践背景的强化有一位诗人曾经说过：“整个宇宙就存在于一杯葡萄酒中”，观察一杯葡萄酒，你可以看见整个宇宙。因为葡萄酒中有弯曲的液面，光的折射等物理现象，有原子分子等化学构成，有发酵等生物现象，有••••••而这一切关于各类学科的知识都统一于一杯葡萄酒中。由此可窥见一斑，实际的工程应用环境都是纷繁复杂的，工程教育认证标准对于“复杂工程问题”给出了明确的定义和剖析1,3。复杂工程问题涉及理论但不是理论问题，涉及技术却也不是单纯的技术问题，现代工

13、程问题的复杂性在于需要基于工程原理分析问题，要全局性地考虑问题，要选择性的使用技术，从而创造性地解决实际工程问题10。本科毕业生要具备解决复杂工程问题的能力，则必须要在本科学习阶段进行工程实践。没有工程实践经验的学习和积累，解决复杂工程问题的能力无从谈起。现代功能材料课程的工程实践特点是以新工科大工程为背景，要充分体现现代功能材料在产品设计制造及控制过程中的重要意义。目前高校所推行的实验课、生产实习、产学融合等主要课程实践方式不适合在现代功能材料课程。新技术到新产品一般是有一定周期的，现代功能材料课程内容所包含的前沿功能材料及其应用，大多尚未走出实验室而实现商品化，或者已初步商品化但尚未普及，

14、并不适合开设实验课程，也很难找到相关的生产企业进行产学融合，因此，现有实践方式不能满足现代功能材料课程的实际需求，探寻适合现代功能材料的课程实践方式势在必行。教师的工程实践经验、工程案例的课堂再现和学生的功能材料应用设计三者的结合，是现阶段适合现代功能材料课程的一种可行的实践方式。1.任课教师具备工程实践经验：从事现代功能材料的教师必须要有实际的工程实践经历（例如工程项目的主持和参与，企业合作项目的展开等），才能将工程实践经验在教学过程中进行穿插。但是任何一位教师也不可能从事所有现代功能材料的实际研发或项目工作，教师从事工程实践工作的意义在于通过有限的工程实践经验，形成必要的解决复杂工程问题的

15、工程理念、逻辑思路、分析方法等等更高层次的思维体验，实现对工程实践本质意义的深度把握。在此基础上，教师进一步学习和关注课程所涉及的各类功能材料的工程应用案例及潜在的工程应用设计，对其工程问题及解决方法进行分析、提炼和总结，从而实现教师工程实践经验的拓展。2.课堂内容的实践性规划：课堂教学是引领课程内容的核心和引擎。教师在课堂上围绕某一个主题的功能材料，深入浅出地讲授材料的功能特性、功能机理，然后借助图片、视频及网页链接等方式大比例引入材料功能的具体工程应用案例。主要是系统的针对性的分析工程问题中所涉及的工程原理，工程环境的特点、器件的整体需求和材料具体功能之间的联系，并兼顾环保、安全和成本等其

16、他因素的考虑，从而基于材料的功能特性提出解决实际工程问题的新方法。工程应用案例课堂再现的重点在于给学生呈现一条解决工程问题的清晰思路并揭示其背后的工程理念。例如，生物可降解的形状记忆聚合物支架在治疗血管狭窄时的医学工程应用案例，首先要了解目标工程环境，强调材料的可生物相容性或者生物降解性是必须的；然后再分析治疗血管狭窄的医学原理的基础上，利用材料的形状记忆功能来解决血管狭窄的医学问题，并进行方案设计，即在人体外将支架进行预变形处理使其体积最小化，然后通过微创手术置入人体血管狭窄处，基于材料的形状回复行为使支架恢复初始形状从而对血管的狭窄部分形成扩展性支撑。又例如，压电陶瓷打火机，一元的价格，稳

17、定的取火功能，很好地体现了“够用就好”的工程理念。教师站在讲台上，却已在一定程度上再现了工程实践的现场，通过典型工程案例，为学生提供一个与课程内容贴合匹配的现代功能材料的模拟工程实践环境，从而初步培养学生具有运用材料的功能特性来解决工程问题的思路和能力。3.学生的工程应用设计实践任务：学生已通过课堂学习了解了功能材料的基本知识和应用实例、了解了功能材料工程应用的基本理念和思路。在此基础上，参照已学过的功能材料的工程应用实例，自主完成一种功能材料的工程应用设计。着力引导学生在实际工程中去寻找需求痛点，提炼工程问题，并给出基于材料功能特性的工程应用设计方案。要求设计思路具有一定的创新性、新颖性和可

18、行性，图纸及文字表达要准确。课程实践经验表明，通过课堂学习积累的功能材料基本知识和材料工程应用技术的知识储备，学生在完成应用设计任务时不会有畏难情绪，反而有种实战演练的兴奋。学生对应用设计类作业表现出极大兴趣，能够针对功能材料在工程领域的应用进行思考，虽然一部分同学的设计在可行性方面有所欠缺，但大部分同学的工程应用设计内容新颖、部分学生作业有非常好的创意，充分展示了学生群体的创造潜力。在今后的教学中，将进一步强调功能材料工程应用设计作业的重要性，同时鼓励学生进行适当的过程调研，鼓励团队合作完成，并结合大学生创新项目立项等科研活动深入展开。（三）考核方式的改革设计除了保留考勤、增加了对应用设计作

19、业的考核，另外还增加了课程内容的演讲报告。演讲是伴随学生一生的“沟通大众”的重要技能。现代社会中，演讲能力是每一个职场人员进行求职、工作和成果展示等的必备技能，几乎每一个成功的企业家都是一个优秀的演讲者。在欧美国家，对学生演讲能力的重视和培养贯穿于从幼儿园到大学的整个教学体系中，而这种活动在我们国内的课堂确相对比较缺乏。现代功能材料的课程主题演讲，首先安排学生在课外制作和功能材料内容相关的PPT，然后安排每一位同学进行课堂演讲（选课人数较多时则先分小组进行演讲，互相评价，选出每个小组的优胜者，代表小组进行课堂演讲）。此项任务要求学生的报告内容具有新颖性、逻辑性以及注意演讲过程中的语言面貌、肢体

20、语言等细节。课堂上短短几分钟的演讲，是学生在课堂之外就课程内容所进行的大量学习和提炼的结果，学生以自主选择的感兴趣的功能材料为题，查阅资料，深度阅读，总结提炼后制作PPT。为了将演讲中的问题表达清楚，学生会就所收集的课程资料进行积极思考、动用日常知识储备、组织语言逻辑等等，这些过程都潜移默化地扩展了学生学习的深度和广度。课程演讲环节不仅给学生提供了一个必要的表达自我的锻炼机会，增强学生自我表达的信心和的勇气，而且有助于提升学生对信息提炼和总结的能力，以及较好的逻辑思维和口头表达能力，以及培养学生就工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流的潜力。以往的教学实践也表明，课堂演讲是一项深受学生

21、喜爱的教学活动，有的学生在讲台上就自己所精心准备的功能材料主题进行演讲时的意气风发，有的学生发现问题并犀利提问时的针锋相对，在活跃的课堂气氛中，学生不仅加深了对功能材料知识的深入理解，而且其思辨能力也得到了良好的锻炼。这是一项具有独特价值的教学方式，有待于在今后的教学活动中进一步挖掘。五结束语本文从工程教育认证的理念出发，针对现代功能材料教学中存在的问题进行思考和总结，提出针对教学内容、工程实践和考核方式的改革措施。教学内容每年在一定程度上进行动态更新、依据学生专业特点进行规划，践行课程内容持续改进、以学生为中心及产出导向的工程教育认证理念；从教师、课堂和学生三方面进行调整和设计，从而强化现代

22、功能材料教学内容的工程实践，强化对学生解决复杂工程问题能力的培养；在考核方式上，通过功能材料工程应用设计和课程演讲汇报等方式，更好的实现了对学生能力的评价考核。任何一门课程都是一个宝贵的资源。现代功能材料课程同样隐藏着着物质世界的本质规律，蕴含了大自然之美，需要教师深耕不辍，采集出各种知识果实，以回馈学生求知的胃。进一步深化现代功能材料课程的教学改革，培养高素质的、能够解决复杂工程问题的本科人才，引导学生更好地走向工程教育认证所开启的世界之门，并为我国功能材料技术在未来国际竞争中占据主导地位尽献绵薄之力。参考文献1蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养J.中国大学教学，201

23、6，(11):27-30.2彭良贵，蔡明晖，丁桦，等.以解决复杂工程问题为核心的材料成形工艺课程设计教学J.中国冶金教育，2019，3(192):55-58.3刘桂香，曹林洪，温建武，等，工程教育专业认证背景下功能材料专业实验教学内容改革初探J.大学教育，2017,(03):36-37.5殷景华,王雅珍,鞠刚.功能材料概论M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.6解甜,王传礼,喻曹丰.关于新型功能材料精密微驱动器的研究综述J.微电机,2019,52(07):72-81.7吴江.新材料与功能材料的战略地位和发展趋势概述J.科技创新导报,2011,(30):62.8梁金生,丁燕,薛刚,等.功能材料产业技术人才培养J.材料导报,2016,30(S2):550-553.9张同意.费曼教学的几个特点J.物理教师，1994（01）:30-31.10王宏宇，袁晓明，刘会霞.“回归工程”中校政企协同培养人才新模式的探索J.黑龙江教育,2018,(6):68-70.第 13 页 共 13 页