工程教育背景下“材料物理性能”課程改革與探索＊

湯金柱

（長江師范學院，重慶 408100）

現今科學技術突飛猛進，新材料、新技術、新理論、新工藝不斷涌現，因此社會廣泛需求高質量復合型工程人才，要求學生具備全面的基礎知識，較強的實踐能力、創新能力和終身學習意識。培養符合社會發展需求的工程質量人才是高等教育的根本任務，而工程教育是連接社會需求和高等教育的直接紐帶，因此工程教育問題成為現代高等教育研究體系的重點內容。

“材料物理性能”是長江師范學院材料科學與工程和材料化學專業必修的核心理論課程，開設對象為本科二年級學生，是一門理論基礎和工程實踐密切集合的課程，主要講解材料的電、磁、光、熱、彈性性能等物理性能產生的本質原因和影響因素，是新功能材料研究領域的核心，是材料在航空航天、交通能源、信息通信、生物醫療、機器人等高新技術和產業應用與發展的理論基礎。本課程為學生后續專業課程的學習、工程實踐以及將來從事功能材料的研究起到重要的理論指導作用。

“材料物理性能”內容融合了材料學和物理學相關知識，具有理論性較強、概念抽象難懂、公式推導煩瑣、知識覆蓋面廣和各章節關聯性不強等特點，極易給學生造成枯燥乏味、煩瑣冗雜、晦澀難懂等負面學習印象，從而產生畏難和厭學情緒，直接影響教學的進程和效果。本門課程理論知識抽象且繁雜，在教學過程中容易存在理論教學與工程應用相脫節的問題，導致學生不了解實際應用背景，缺乏工程意識和應用理論知識解決實際問題的能力，導致學生容易存在“為什么學”“為誰學”“怎樣學”等系列問題。CDIO作為一種國際工程教育范式，被廣泛應用于各個國家高校的工程教育改革中，取得了良好的效果，且較容易實現本土化改革，展現出多樣性、開放性、包容性和廣泛性，對中國工程教育改革具有借鑒意義，成為中國高等教育研究領域的熱點。目前關于CDIO教育理念的研究主要集中在教育模式、培養模式和專業體系等方面，針對很多專業和課程提出了較為詳細科學的理論分析和實施方案，取得了良好的教學效果。基于此，要求探索適合“材料物理性能”的教學方法，以激發學生學習的興趣，調動學生學習的主動性，培養學生自主學習能力。

1 “材料物理性能”課程的特點及教學問題

“材料物理性能”作為材料學及相關專業本科生的重要基礎課程，主要講解材料的電、磁、光、熱、彈性性能等物理性能的本質、影響因素和作用規律關系，不僅為后續學習、科研和工作提供必備理論基礎知識，而且在航空航天、交通能源、信息通信、生物醫療、機器人等高新技術和產業具有廣泛應用背景，是一門理論基礎和工程實踐密切集合的課程[1]。“材料物理性能”講解了材料物理性能各個本質參數的概念、內涵和意義，闡述了材料的組成、結構和性能間的關系，重點分析了物理性能作用原理、微觀機制、變化規律及測試和改進方法，其存在理論性較強、概念較為抽象、公式推導相對煩瑣、章節知識關聯性不強等特點，給學生的學習造成一定的難度，容易讓學生感到學習方法單一、內容枯燥乏味，普遍缺乏學習熱情，甚至產生畏難、厭學等心理。而傳統教學模式屬于以“教”為中心的“注入式”教學方式，學生被動接受知識，難以有效激發學生的學習積極性、主動性和熱情，極易導致學生失去學習興趣。

2 工程教育概述

與科學教育和職業教育不同，工程教育是以工程需求為導向，實踐邏輯關系為本，培養能綜合運用經濟、技術、科學以及人文等多領域知識解決復雜工程問題的人才為目標的教育體系，具有實踐性、綜合性、系統性和倫理性的獨特屬性。“以學生為中心”“以成果為導向”“持續改進”是工程教育的三大核心理念[2]。基于工程教育理念的教育模式較多，如CDIO工程教育模式、基于“學習產出”的教育模式、基于“企業需求導向”的工程教育模式、基于“工程問題導向”的工程教育模式和基于“體驗式導向”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，但均重點突出工程實踐在教學過程中的重要性，重點培養學生的工程專業能力。在教學過程中，要求以學生為中心，尊重學生的需求和愛好，充分發揮學生的創造力、想象力和能動性，自主設計教學內容和教學方法，重點引導學生自主學習、思維方式、團隊協作等能力的培養[3]。

3 工程教育背景下“材料物理性能”課程改革策略

3.1 基于社會需求，科學設定教學目標

培養迎合社會發展需求的拔尖人才是高等教育人才培養的根本任務和使命。在設計教學目標時，要以社會需求為導向，尤其是當地企業發展需求人才，基于CDIO教育模式的核心內容，注重工程實踐能力和專業知識的并重，突出培養學生的創新能力、實踐能力、自主學習能力、交流能力、團隊協作能力、思辨能力等綜合素質，實現理論知識體系、實踐能力體系和人際交往技能體系的有機結合，使學生具備嚴謹的工作態度、良好的社會道德觀和職業責任感，擁有處理工程和科學研究問題的能力，形成終身學習的意識。

3.2 突出工程實踐能力培養，科學有效設計教學內容

“材料物理性能”講述各種物理性能的原理和本質，部分內容較為抽象和晦澀，且章節內容連貫性不強，在教學過程中如果一味地灌輸枯燥的理論知識，重理論知識輕工程實踐，不僅限制了學生多向思維的發展，而且極易導致學生產生畏難厭學情緒。因此，緊跟科技發展前沿，充分考慮企業需求，尤其是地方特色、優勢、急需產業，在教學過程中引入與理論知識相關的生產、工程和科研等實踐問題和過程，將理論與實踐相結合，以具體實例或項目驅動增強學生對抽象事物的理解，激發學生的學習興趣和熱情，提高學生運用理論分析和解決問題的能力，也有利于形成正確的學以致用、用以促學、學用相長的良性循化。例如，在理解熱容、熱導率和膨脹系數的定義、物理意義和本質內涵時，可以讓學生分析油汀和暖手寶對材料熱學性能的需求差異性，并基于熱學性能本質和原理引導學生討論材料的發展方向。

教學內容貼近行業，讓學生分析具體工程實踐過程對材料性能的需求，創造身臨其境的課堂氛圍，以增強學生對理論知識理解的深度和層次，從而培養學生的思辨能力和工程實踐能力，并基于科學前沿，完善豐富課程教學的內容和深度，以擴展學生視野，提高學生創新能力。如在講解磁滯回線時引入磁存儲材料的發展、研究現狀和主要問題，將枯燥的知識內容與實際應用相結合，啟發學生學習的主動性和積極性。如在講解超導體的性能時，著重介紹超導體在能源、交通、電信等領域的應用前景和存在的主要問題，引導學生梳理熱、力、電、磁等綜合知識；在講解熱膨脹系數、熱導率時，引導學生討論軸承機械部件的安裝和拆卸方法。

在教學過程中，作業的布置要多元化，可以要求學生針對章節內容，模擬工程需求情景，并以“工程師”身份自主設計綜合實踐活動，讓學生在完整的工程實踐過程中提升工程意識和能力。

3.3 實施課堂教學方式改革，構筑多元化教學模式和考核方案

CDIO教育模式要求明確工程背景需求，用實際需求展現知識的力量和作用，使學生學有所思、學有所得、學以致用。CDIO注重全過程教育，將理論知識和工程實踐引入教學過程中，實現了教師和學生的角色轉換，教師不再是單方向地灌輸知識，而是知識的引導者、項目實施的組織者、實踐效果的監督者和疑難問題的提出者、解答者，學生以項目參與人員身份主動學習、查詢相關知識，實時討論定期匯報項目實施情況，以實際工程應用加深對理論知識的認識，真正提高其工程綜合素養。在教學過程中，應采用互動式教學模式，綜合應用問題式、啟發式、互動式、研討式、演示示范、微課、慕課等多種現代化教學方法，創建多樣化教學情景，使學生真正有深度地參與教學活動，以轉變被動學習為主動學習，激發學生的學習熱情、調動學生的學習興趣，使其產生主動的求知欲望和深入的學習愿望[4]。要促進學生積極主動學習，必須堅持“考”與“學”相一致，充分發揮以考促學的功能。通過學生的平時表現、學習態度、項目實踐等多項評價指標來綜合評價學生的知識、能力和素質，注重全過程、多角度、開放式、動態地綜合性評價[5]。減少記憶性、書本化等淺層次知識考核比例，增加工程實踐問題和科研研究問題的考核比例，從而進一步增強學生工程意識和思辨能力培養，鍛煉學生運用理論知識解決實際問題的能力。多元化教學方法和全過程考核方式不僅可以兼顧學生的個體差異和個性化發展，多角度全方位激發學生的學習熱情，還可以引導學生注重學習過程，提高學生的工程認知和解決復雜問題的能力。

為充分發揮學生課堂主人翁意識，進一步調動學生學習的主動性，激發學生學習熱情，并培養學生發現問題和運用知識解決問題的能力，將試卷20%主觀考核內容由學生參與出題。教師根據學生出題內容和提供的參考答案，篩選出2道試題作為試卷考核內容，并在試題下方標注“該題由XXX同學提供”，以鼓勵學生參與課堂教學，讓學生充分體驗出題的成就感和榮譽感。這一方法也可以讓學生實現角色互換，從出題人角度體驗知識考查的要求和細節，有利于學生掌握出題思路和風格，提高知識認知水平。同時任課教師可以從學生的出題類型、方向和難度等方面綜合評判學生對知識掌握的水準和重點問題的把握情況，有利于把控試卷難易程度和重點考核方向。

3.4 構建多維評價機制，持續改進實施方案

在多年傳統教學模式的影響下，學生在學習過程中形成了以成績為導向的錯誤認知，形成了一種“課程怎么考，學生就怎么學”的錯誤思維。傳統的課程考核過于簡單，僅以一張試卷簡單判定學生課程成績本身就具有一定的局限性，難以全面考核學生的創新與實踐能力，不利于培養和提高學生的綜合素質，且極易導致平時不聽講、不參與教學互動、只學考試重點的錯誤行為習慣，甚至出現臨時突擊、考試作弊等陋習。CDIO教育模式強調通過“項目”形式考察學生溝通表達能力、自主學習能力、組織能力和實踐能力，以動態的形式從全過程和綜合性評價學生的知識掌握情況、綜合素質和能力。依據CDIO教育模式，從考核內容和考核方式2個方面，建立現代化全方位課堂教學質量評價機制、跟蹤機制和持續改進機制，分析并確定教學改革的效果、效率及存在的問題，找出課堂教學薄弱環節，提出具體的問題及針對性的改進措施[6]。在構建多維評價機制過程中，要充分發揮教師、輔導員、學生、用人單位、校友及其他利益相關者的反饋信息，并有效利用學生學習效果反饋機制，及時修正培養目標，調整教學內容、進度安排、方法、考核內容和形式，保證課程教育朝向工程教育方向發展和教學質量的持續提升。

4 結束語

將工程教育應用于“材料物理性能”課程教學中不僅是一種教學形式的變化，更是教學內容和目標、教育觀念的變革。目的在于基于工程應用背景建立明確的培養目標，通過項目、設計和訓練等多元化教學鍛煉學生的工程意識、實踐能力和綜合素質，形成明確的學習目標，為培養高水平應用型人才及今后的實際工作打下良好基礎。在教學過程中，強調以學生為中心，以能力培養為導向，注重學生實踐能力和專業素質的提高，從而實現對傳統教學“以教師中心”“以書本中心”的超越。