材料工程專業(yè)碩士培養(yǎng)及能源材料課程CDIO教學(xué)模式探討與實(shí)踐

＊甘永平 張文魁 夏陽 張俊 黃輝

（浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 浙江 310014）

CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）的英文縮寫，CDIO教育理念是近年來國(guó)外關(guān)于工程教育模式改革的一個(gè)重要成果，是對(duì)工程教育經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，系統(tǒng)地提出了本科教育具有可操作性的能力培養(yǎng)、實(shí)施方法以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。我國(guó)2005年首次引入CDIO教學(xué)理念，2008年成立“教育部CDIO研究與實(shí)踐課題組”，試點(diǎn)高校已經(jīng)超過100余所。近十年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，本科生招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨之而來的本科生就業(yè)困難和應(yīng)用型專門人才短缺等問題日趨嚴(yán)重，增加專業(yè)碩士招生數(shù)量成為緩解上述問題的有效措施之一。目前，我校2021年專業(yè)型碩士和學(xué)術(shù)型碩士比例已接近1:1，但其教育模式多數(shù)沿襲學(xué)術(shù)型碩士培養(yǎng)方式，注重基礎(chǔ)理論研究，這種培養(yǎng)方法無法適應(yīng)工程技術(shù)領(lǐng)域的人才需求。為此，2010年教育部下發(fā)《關(guān)于批準(zhǔn)有關(guān)高等學(xué)校開展專業(yè)學(xué)位研究生教育綜合改革試點(diǎn)工作的通知》，批準(zhǔn)60余所高校117個(gè)專業(yè)開展試點(diǎn)工作。“柔性培養(yǎng)模式”[2]“校企協(xié)同”[3]“五位一體”[4]等專業(yè)碩士培養(yǎng)模式被廣泛探索和實(shí)踐，力求將工程教育思想和工程實(shí)踐貫穿于專業(yè)碩士教學(xué)和研究之中，最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)碩士的培養(yǎng)目標(biāo)。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在分析我校材料工程專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)和能源材料課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒CDIO教育教學(xué)理念，將構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作CDIO四要素契入能源材料課程教學(xué)之中，開展CDIO課程教學(xué)模式改革和實(shí)踐，為新工科建設(shè)背景下培養(yǎng)應(yīng)用型高級(jí)工程人才提供有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.材料工程專業(yè)碩士教育教學(xué)現(xiàn)狀

材料工程專業(yè)學(xué)位主要培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)材料工程理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，了解材料工程行業(yè)內(nèi)發(fā)展動(dòng)向，掌握材料結(jié)構(gòu)與性能分析方法、材料生產(chǎn)工藝、材料改性技術(shù)、材料工程規(guī)劃和質(zhì)量監(jiān)督等工程技術(shù)，具備從事新材料的研究和開發(fā)、生產(chǎn)工藝和設(shè)備管理和解決材料工程問題等方面專業(yè)技術(shù)能力的碩士研究生。目前，材料工程專業(yè)研究生培養(yǎng)尚存在許多問題，如課程體系不合理，研究生實(shí)踐基地運(yùn)行困難，“雙導(dǎo)師”制度執(zhí)行不到位等[5]。隨著專業(yè)學(xué)位碩士招生規(guī)模的擴(kuò)大，我校近幾年對(duì)專業(yè)碩士培養(yǎng)和課程教學(xué)作了許多有益的探索，包括專業(yè)碩士和學(xué)術(shù)碩士培養(yǎng)分離，聘請(qǐng)企業(yè)導(dǎo)師及加強(qiáng)研究生企業(yè)實(shí)踐鍛煉等，就我校材料工程專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)而言還存在以下問題。

(1)培養(yǎng)方案和培養(yǎng)模式不明確

我校材料工程專業(yè)方向包括金屬材料與成型，無機(jī)非金屬材料和高分子材料與成型，其培養(yǎng)方案經(jīng)過多次高校之間調(diào)研，邀請(qǐng)企業(yè)專家座談和教學(xué)改革實(shí)踐，仍然存在專業(yè)方向特色不明顯，和市場(chǎng)需求結(jié)合不緊密，培養(yǎng)方案不能較好體現(xiàn)工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)等缺點(diǎn)。培養(yǎng)模式一般第一學(xué)期以教學(xué)理論課程為主，后兩年完成學(xué)位論文課題研究，評(píng)價(jià)方式以發(fā)表學(xué)術(shù)論文或申請(qǐng)發(fā)明專利等形式考查是否達(dá)到申請(qǐng)專業(yè)碩士學(xué)位的標(biāo)準(zhǔn)。在這過程中無論是指導(dǎo)模式、學(xué)位論文選題、教學(xué)方法還是課程體系上均存在套用或沿襲學(xué)術(shù)型碩士培養(yǎng)模式，研究結(jié)果往往以發(fā)表學(xué)術(shù)論文所在期刊的影響因子評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)水平，而不注重分析研究結(jié)果對(duì)解決實(shí)際工程問題的影響和工程創(chuàng)新性評(píng)價(jià)。材料工程專業(yè)碩士培養(yǎng)方案尚需進(jìn)一步強(qiáng)化理論研究和工程實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)模式上需要增加實(shí)踐教學(xué)和工程研究環(huán)節(jié)，以適應(yīng)工程型人才的迫切需求。

(2)課程體系設(shè)置不合理

材料工程課程體系是為培養(yǎng)材料類應(yīng)用性高層次人才的課程群，我校材料工程專業(yè)學(xué)位課程體系在學(xué)術(shù)型碩士課程體系的基礎(chǔ)上，設(shè)立專業(yè)學(xué)位必修課程和選修課；其中選修課結(jié)合材料工程專業(yè)不同模塊方向和研究特色設(shè)置。如材料工程新能源材料方向主要包括材料結(jié)構(gòu)與性能、材料電化學(xué)、新能源材料、燃料電池和鋰離子電池等主干選修課程，突出新能源材料方向鋰離子電池和燃料電池材料領(lǐng)域的研究特色。但課程體系涉及能源材料工程開發(fā)和工程管理方面課程欠缺，一方面，除少數(shù)導(dǎo)師具備較好的產(chǎn)業(yè)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)外，多數(shù)青年教師甚至海外引進(jìn)的高水平人才擅長(zhǎng)理論研究，缺乏企業(yè)項(xiàng)目策劃、工程開發(fā)和質(zhì)量監(jiān)控等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開設(shè)及教授工程類課程困難；另一方面，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在校內(nèi)尚未建成中試規(guī)模的工程類產(chǎn)品教學(xué)實(shí)踐載體，一般通過參與企業(yè)合作項(xiàng)目或企業(yè)導(dǎo)師形式彌補(bǔ)工程實(shí)踐環(huán)節(jié)。

(3)企業(yè)導(dǎo)師制和實(shí)踐基地運(yùn)行困難

企業(yè)導(dǎo)師制度是我校專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)提出的一種教育教學(xué)改革，每門課程和導(dǎo)師指導(dǎo)的專業(yè)學(xué)位研究必須聘任企業(yè)指導(dǎo)教師，要求企業(yè)導(dǎo)師具備高級(jí)工程師職稱，其目的是加強(qiáng)研究生和企業(yè)的聯(lián)系，有利于強(qiáng)化工程實(shí)踐教學(xué)，達(dá)到材料工程專業(yè)碩士學(xué)位的培養(yǎng)目標(biāo)；但也存在許多問題，如企業(yè)導(dǎo)師所從事的專業(yè)和研究生課程教學(xué)或研究課題聯(lián)系不緊密，不具備良好的授課能力等。聘任的校外企業(yè)導(dǎo)師多數(shù)采用講座的形式，往往只是初步涉及企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，工程開發(fā)背景和存在的部分工程問題分析，教育教學(xué)效果較差，更多流于形式甚至只是掛名，研究生得不到真實(shí)的實(shí)踐鍛煉和深入接觸工程項(xiàng)目、設(shè)備和管理等方面的關(guān)鍵問題。

實(shí)踐基地作為專業(yè)碩士培養(yǎng)工程能力的良好載體，研究生可以直接進(jìn)入實(shí)踐基地參與相關(guān)工程項(xiàng)目開發(fā)和研究，但和本科生實(shí)踐基體不同，本科階段實(shí)習(xí)基地可以較好鍛煉本專業(yè)的學(xué)生分析問題，解決問題的能力。但研究生階段因?qū)熣n題千差萬別，跨學(xué)科跨專業(yè)或交叉學(xué)科比比皆是，實(shí)踐基地往往和研究培養(yǎng)課題不對(duì)應(yīng)，甚至和部分研究課題完全不相關(guān)，同時(shí)企業(yè)也存在場(chǎng)地、資金、人員等方面不足，導(dǎo)致企業(yè)和學(xué)校建設(shè)研究生實(shí)踐基地的積極性不高，只限于掛牌或象征性示范，研究生實(shí)踐基地運(yùn)行困難。

(4)材料工程專業(yè)能源材料課程教學(xué)中存在的問題

能源材料課程既是我校材料工程專業(yè)碩士的選修課，也是材料科學(xué)與工程本科專業(yè)功能材料方向的必選課，特別是為鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、氫能和生物質(zhì)能源等研究方向研究生開設(shè)的具有一定工程背景的專業(yè)課，也是一門具有較強(qiáng)工程開發(fā)、工程管理等實(shí)踐性強(qiáng)和研究課題結(jié)合緊密的一門課程。總結(jié)該課程多年的教學(xué)實(shí)踐，主要存在以下問題：①學(xué)術(shù)型和專業(yè)學(xué)位研究生混班授課；②授課以講授為主，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題主觀意愿不強(qiáng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高創(chuàng)新能力；③教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，和企業(yè)需求、生產(chǎn)管理中存在的技術(shù)問題缺乏有效的聯(lián)系，學(xué)生欠缺工程背景知識(shí)和實(shí)踐，工程問題剖析往往成為教師的獨(dú)角戲；④課程中涉及工程問題的教學(xué)資源相對(duì)短缺，包括場(chǎng)地、生產(chǎn)設(shè)備、視頻資料等。

針對(duì)上述問題，學(xué)校專業(yè)碩士培養(yǎng)和課程教學(xué)不斷進(jìn)行改革和實(shí)踐，包括企業(yè)、高校多方面調(diào)研完善培養(yǎng)方案和課程體系，優(yōu)化課程設(shè)置和教學(xué)模式，凝練研究特色的同時(shí)強(qiáng)化工程問題訓(xùn)練，完善企業(yè)導(dǎo)師制，加大專業(yè)學(xué)位碩士研究生在企業(yè)從事項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)間等，力爭(zhēng)逐漸形成具有專業(yè)特色的材料工程專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)機(jī)制。同時(shí)加強(qiáng)課程教學(xué)改革，能源材料課程作為材料工程專業(yè)碩士實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)選修課，具有較強(qiáng)的工程背景和課程特點(diǎn)，將課程契合CDIO教育理念，從CDIO四要素出發(fā)進(jìn)行教學(xué)模式探索和實(shí)踐，有利于改善上述缺點(diǎn)。

2.能源材料課程CDIO模式教學(xué)改革實(shí)踐

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在能源材料課程教學(xué)實(shí)踐中，將CDIO四要素：構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作滲透到教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)考核等各個(gè)環(huán)節(jié)中，通過案例分析、工程視頻、可行性分析報(bào)告、分組教學(xué)等形式，考查和培養(yǎng)研究生獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)、分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

(1)CDIO模式教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)大綱設(shè)計(jì)

能源材料課程教學(xué)目標(biāo)為：培養(yǎng)學(xué)生獲取扎實(shí)的新能源利用技術(shù)和關(guān)鍵材料的基本理論；掌握關(guān)鍵材料的結(jié)構(gòu)、性能、制備及工程應(yīng)用，了解新能源材料的研究和發(fā)展?fàn)顩r；了解新能源材料的研究、測(cè)試、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量監(jiān)控方法；培養(yǎng)學(xué)生閱讀參考文獻(xiàn)和對(duì)所學(xué)知識(shí)整理、歸納和消化能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，研究和解決能源材料生產(chǎn)技術(shù)問題的能力，以適應(yīng)和滿足當(dāng)前新能源技術(shù)及關(guān)鍵材料迅速發(fā)展的狀況和人才需求。CDIO模式教學(xué)對(duì)此教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了修訂，強(qiáng)化工程方面的知識(shí)和技能培養(yǎng)，突出了材料研究和生產(chǎn)中解決實(shí)際問題的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作能力的訓(xùn)練。

CDIO模式能源材料課專業(yè)碩士課程教學(xué)大綱也進(jìn)行了優(yōu)化，教學(xué)內(nèi)容上削減了部分能源材料基學(xué)科前沿的基礎(chǔ)性理論研究，增加了能源所指導(dǎo)教師研究項(xiàng)目，特別是企業(yè)開發(fā)的工程類項(xiàng)目運(yùn)作分析，教學(xué)內(nèi)容更側(cè)重于實(shí)際工程問題以及解決方案的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。課程考核方式采用分段式評(píng)價(jià)機(jī)制，除卷面基礎(chǔ)知識(shí)考核外，通過撰寫方案可行性分析報(bào)告，分組討論研究?jī)?nèi)容和解決方法等方式，增加企業(yè)實(shí)際問題分析及解決方案考核，以達(dá)到CDIO模式能源材料課程強(qiáng)化工程能力的實(shí)踐效果。

(2)CDIO模式教學(xué)組織實(shí)施

能源材料課程CDIO模式組織教學(xué)設(shè)計(jì)，以鋰離子電池部分章節(jié)為例如表1所示。教學(xué)內(nèi)容結(jié)合能源材料課程的特點(diǎn)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研基礎(chǔ)，特別是由企業(yè)提供大量的工藝和設(shè)備視頻資料，從新能源材料的發(fā)展前沿和生產(chǎn)工藝中存在實(shí)際問題出發(fā)，采用案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和分組討論法等，運(yùn)用能源材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、測(cè)試方法和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)等理論基礎(chǔ)，分析討論新能源技術(shù)及關(guān)鍵材料中的工程技術(shù)問題。教學(xué)中運(yùn)用CDIO理念，合理構(gòu)思工程技術(shù)問題，直觀接觸企業(yè)產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝（或工藝視頻）、了解質(zhì)量控制方法等，在課程中觀摩產(chǎn)品工藝流程和生產(chǎn)管理，實(shí)施CDIO實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作環(huán)節(jié)，有利于加深對(duì)工程技術(shù)的理解和培養(yǎng)創(chuàng)新思維，訓(xùn)練提高解決實(shí)際問題的能力。

表1 鋰離子電池關(guān)鍵材料CDIO模式教學(xué)設(shè)計(jì)

(3)CDIO模式教學(xué)任務(wù)準(zhǔn)備

能源材料課程CDIO模式教學(xué)組織實(shí)施，需要布置教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和構(gòu)建問題等任務(wù)，并將學(xué)生進(jìn)行分組和布置工程技術(shù)問題。由學(xué)生閱讀教材和查閱文獻(xiàn)，了解課題組與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目實(shí)施情況，構(gòu)思或與導(dǎo)師交流存在的工程技術(shù)問題，歸納文獻(xiàn)報(bào)道中該問題的研究狀況和解決方案。對(duì)教師而言需要系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，了解相關(guān)研究的前沿和行業(yè)動(dòng)態(tài)，特別是需要具備豐富的工程技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，熟悉教學(xué)內(nèi)容涉及的工程技術(shù)、設(shè)備、工藝管理以及企業(yè)生產(chǎn)管理，并可以準(zhǔn)備豐富的設(shè)備、測(cè)試和工藝流程等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)資料。具備條件也可以通過聘請(qǐng)企業(yè)導(dǎo)師開講座，或參觀企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)線的方式組織實(shí)施教學(xué)。

(4)能源材料課程CDIO模式教學(xué)模式評(píng)價(jià)機(jī)制

CDIO教學(xué)模式注重構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)踐，可以體現(xiàn)較好的組織文獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)、溝通表達(dá)和分析問題的能力。通過聽課情況、分組發(fā)言、構(gòu)建問題、總結(jié)資料、解決方案等多方面形成過程性評(píng)價(jià)；結(jié)合撰寫工程問題可行性報(bào)告（主要包括提出工程技術(shù)問題、評(píng)價(jià)當(dāng)前該問題國(guó)內(nèi)外研究狀況、解決實(shí)施方案、涉及主要工藝和設(shè)備、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等）和書面問題回答等評(píng)價(jià)該課程的學(xué)習(xí)和掌握情況。重點(diǎn)評(píng)價(jià)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力、分析問題和解決問題的能力。

3.CDIO教育教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

近年來，專業(yè)學(xué)位碩士培養(yǎng)模式被廣泛研究探討，本文從培養(yǎng)方案、課程體系、企業(yè)導(dǎo)師制和實(shí)踐基地等方面分析了我校材料工程專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)的特點(diǎn)；重點(diǎn)分析了能源材料課程教學(xué)實(shí)踐中存在的問題；引入CDIO教育理念對(duì)該課程實(shí)施教學(xué)改革和實(shí)踐。研究表明能源材料課程CDIO模式可以取得以下積極效果：（1）大幅度提高研究生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自主學(xué)習(xí)能力；（2）有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力；（3）有利提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力；（4）有利于培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才。但在該課程CDIO模式教學(xué)中也存在一些問題，主要包括：其一，學(xué)生本科專業(yè)背景不一，導(dǎo)致部分學(xué)生缺乏相應(yīng)的材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；其二，部分章節(jié)內(nèi)容，教學(xué)團(tuán)隊(duì)不具備該內(nèi)容相關(guān)的工程項(xiàng)目和研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)；其三，評(píng)價(jià)體系不能兼顧到所有同學(xué)，僅適用于選課人數(shù)較少的班級(jí)實(shí)施。