基于工程教育專業(yè)認(rèn)證下的物性實驗教學(xué)研究

湯赟

摘要：我國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會以《華盛頓協(xié)議》提出的畢業(yè)生素質(zhì)要求為基礎(chǔ)，以結(jié)果導(dǎo)向（OBE）為核心理念，制定了工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了學(xué)生在畢業(yè)時應(yīng)該具備的基本專業(yè)知識、研究及設(shè)計能力、溝通能力、合作能力、終生學(xué)習(xí)的能力以及責(zé)任感等能力素質(zhì)要求。而實踐能力是研究機(jī)構(gòu)和公司引進(jìn)人才時十分關(guān)注的方面，因此，如何讓學(xué)生關(guān)注實驗課程并參與發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計方案以及分析問題的過程是很重要的課題。本文提出了一種在材料物理性能測試實驗中演示與設(shè)計組合的教學(xué)模式，有助于提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；本科實驗教學(xué)；演示—設(shè)計教學(xué)法

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）33-0108-02

一、工程教育認(rèn)證推進(jìn)本科教學(xué)改革

中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會開展的工程教育認(rèn)證在高等教育中構(gòu)建了工程教育的質(zhì)量監(jiān)控體系，推進(jìn)中國工程教育改革，提高工程教育質(zhì)量，特別是建立了與工程師制度相銜接的工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，促進(jìn)工程教育與企業(yè)界的聯(lián)系，增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。我國自2016年3月加入《華盛頓協(xié)議》，成為協(xié)議正式成員國后，我國的工程教育得到國際認(rèn)可，為我國工程類學(xué)生提供了具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)歷，也提供了更廣闊的國際化平臺。

二、工程教育認(rèn)證對實驗課程的要求

高校的專業(yè)實驗在實踐類課程中，不同于公共實驗普遍適于各理工學(xué)科大類，也不同于實習(xí)設(shè)計極強(qiáng)的工業(yè)操作性，是每個專業(yè)針對本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)開設(shè)的培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的實踐課程。工程教育認(rèn)證要求專業(yè)必須有明確、公開的畢業(yè)要求，畢業(yè)要求能夠支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。其中，不僅僅要求學(xué)生掌握包括數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)理論等工程知識，還要求學(xué)生可以識別、表達(dá)并運(yùn)用這些工程知識研究分析復(fù)雜工程問題，能針對復(fù)雜工程問題提出解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元或工藝流程等，會使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)資源，能分析和解釋數(shù)據(jù)[1]。而專業(yè)實驗在實踐類課程中，是從理論知識到實踐操作的過渡，是從思維模式到操作方式的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)化，在實踐課程中有著不可或缺的地位。本文將以上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理綜合實驗為例，闡述專業(yè)實驗在工程教育認(rèn)證背景中如何實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求。

三、演示—設(shè)計模式的物性實驗教學(xué)

材料物理綜合實驗是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)實踐課程。需要達(dá)到的課程目標(biāo)包括：驗證、鞏固和補(bǔ)充課堂講授的理論知識，了解材料性能的分析和測試原理，研究材料物理性能和規(guī)律，掌握材料物理實驗方法以及材料物理量測量方法；能夠設(shè)計材料性能研究的實驗，制定并實施材料物理量測量的實驗方案，且利用圖、表等方式分析和評估實驗數(shù)據(jù)；了解測試儀器的基本工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用，掌握常用儀器的基本操作方法，應(yīng)用材料物化基本理論來研究、分析材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能等復(fù)雜的材料工程問題[2]。在傳統(tǒng)的目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)模式里，學(xué)生通常使用實驗室已經(jīng)搭建好的測試模板，將實驗樣品測量得出數(shù)據(jù)并計算，列出圖表分析即可。而結(jié)果導(dǎo)向（OBE）的模式更注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考設(shè)計的過程。為此，筆者設(shè)計了部分演示—整體設(shè)計的教學(xué)模式。

部分演示—整體設(shè)計的教學(xué)方法下的實驗是設(shè)計性實驗，要求學(xué)生自主設(shè)計實驗方案觀察實驗現(xiàn)象，在掌握儀器的基本構(gòu)造和原理后，自主搭建測試平臺或者設(shè)計實驗方法來測算材料物性數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體要求列表作圖，分析圖表的數(shù)據(jù)。考慮到實驗儀器的復(fù)雜性和可操作性，教師需根據(jù)實際課堂進(jìn)度，增加直觀的演示過程。

本文以材料的導(dǎo)熱性能測試實驗為例證。材料導(dǎo)熱性能測試實驗要求學(xué)生測算導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容等數(shù)據(jù)[3]。常用的導(dǎo)熱測量方法有非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法和激光閃射法，兩種方法的原理不同，使用的儀器設(shè)備也不相同。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法主要運(yùn)用的是傅里葉定律，是在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的時間段內(nèi)記錄和測量數(shù)據(jù)，而激光閃射法是利用激光光源照射樣品，瞬間完成測量并借助電腦軟件采集數(shù)據(jù)分析計算。我們關(guān)注到，非準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法的實驗裝置簡單，但測算得到的不是直接數(shù)據(jù)，需要通過計算獲得導(dǎo)熱系數(shù)，因而精度有限。而激光閃射法可以快速精準(zhǔn)地得到導(dǎo)熱系數(shù)，但是無法直觀地向?qū)W生展示實驗過程和具體的細(xì)節(jié)。因此，我們將這兩種方法相結(jié)合。

首先，帶領(lǐng)學(xué)生梳理實驗思路，明確實驗所要達(dá)到的目的。向?qū)W生介紹兩種方法，回顧和鞏固兩種方法使用的理論依據(jù)，列出物理模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式。接下來進(jìn)行激光閃射法的演示。不同于獨(dú)立實驗課程，激光閃射法在本實驗中是一種輔助的測試方式，因此，教師應(yīng)當(dāng)減少占用課堂時間進(jìn)行激光閃射法的實驗準(zhǔn)備過程。可用直觀的原理圖解釋其原理方法，然后由教師操作完成測試，并利用電腦軟件得出數(shù)據(jù)，操作的過程不應(yīng)過長。筆者認(rèn)為，對這種方法的演示，有助于拓寬學(xué)生設(shè)計非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法實驗方案的思路，是銜接理論模型與設(shè)計實驗之間的一座橋梁。下一步，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗要求，使用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法來設(shè)計測試平臺，包括從樣品，隔熱裝置，測溫裝置，以及電流電壓測量儀的準(zhǔn)備，到逐步設(shè)計出測試模型，過程中可以形成良性循環(huán)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)誤差來源和減少誤差的方法。筆者在承接本門課程中，采用學(xué)生與教師互問互答的方式，不斷給學(xué)生鋪路，在道路上又設(shè)置各種問題，讓學(xué)生解答，最終形成完整的裝置，并且在互問互答的過程中，也讓學(xué)生更透徹地理解使用的公式每一部分來源于實驗裝置的哪個環(huán)節(jié)，以及設(shè)計這些環(huán)節(jié)的原因。最終，由學(xué)生將兩種方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，總結(jié)不同方法的優(yōu)勢劣勢。而這些分析，也有助于學(xué)生理解實際工程或者科研、如何選擇合適的方案實驗，以達(dá)到設(shè)定的實驗?zāi)康摹?/p>

整個課堂最核心的部分就是教師與學(xué)生的互動。如何激發(fā)學(xué)生積極思考，如何引導(dǎo)學(xué)生一環(huán)一環(huán)達(dá)到實驗?zāi)康模⒆罱K得出結(jié)論。這對教師對課堂的把握要求很高，這也是在高等教育里如何將工程教育生動化的挑戰(zhàn)，使學(xué)生具備運(yùn)用材料科學(xué)原理、科學(xué)方法對材料研究的整體實驗設(shè)計、實驗方法制定及方案實施和評估的自我創(chuàng)新能力。

四、在反饋中持續(xù)改進(jìn)

工程教育認(rèn)證中另一大核心思想，就是在反饋機(jī)制中不斷持續(xù)改進(jìn)。沒有一成不變的老師，也沒有一成不變的學(xué)生，更沒有一成不變的課堂，因此，在實踐的反饋機(jī)制里不斷改進(jìn)教學(xué)方法，是每位教師持久的課題。

在本文例舉的實驗中，我們可以通過課堂反響來改進(jìn)課堂的進(jìn)度和環(huán)節(jié)的設(shè)定。例如，如何在有限的課堂時間里，合理分配各環(huán)節(jié)的時間，把握啟發(fā)學(xué)生思考的進(jìn)度，這就要求實驗課堂不能大，而應(yīng)該是小班教學(xué)，正好符合工程教育認(rèn)證的要求，在有充足的硬件配套設(shè)施的前提下，將學(xué)生小組化，小組分工合作的過程也能在提高學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力上起到重要的作用。學(xué)生與學(xué)生之間，個體對于知識的接受程度的差異性，也是教師必須要考慮的方面。在課堂中，根據(jù)實驗環(huán)境和條件，靈活巧妙地轉(zhuǎn)變演示方式，或利用三維影像，或利用工程實例，都能達(dá)到良好的表達(dá)效果。而工程教育認(rèn)證里，對學(xué)生參與解決實際工程問題的能力要求十分具體，因此，將產(chǎn)業(yè)與校園實驗課堂相關(guān)聯(lián)，也是未來實驗課堂教學(xué)的重點(diǎn)和發(fā)展方向。作為課堂的主心骨，每位教師需要牢牢把握在固有的教學(xué)模式中靈活變通的思想。

參考文獻(xiàn)：

[1]上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.中國工程教育專業(yè)認(rèn)證自評報告[R].上海理工大學(xué)，2016：172-175.

[2]上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.材料物理綜合實驗教學(xué)大綱[Z].上海理工大學(xué)，2016.

[3]上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.材料物理綜合實驗指導(dǎo)書[Z].上海理工大學(xué)，2015：21-24.