基于復(fù)雜工程問題的無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革

摘" 要：依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)復(fù)雜工程問題的特征分析，針對(duì)當(dāng)前專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程涉及培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力訓(xùn)練不足的現(xiàn)狀，結(jié)合中北大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，以壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料綜合實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)模式兩方面進(jìn)行教學(xué)改革。多年實(shí)踐結(jié)果表明，該教改工作有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對(duì)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)工程教育認(rèn)證水平的提高具有積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；無機(jī)非金屬材料工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-000X（2024）25-0134-05

Abstract： Based on the analysis of complex engineering problems in engineering education accreditation standards and the talents cultivation objectives of inorganic non-metallic materials engineering majors in North University of China， we have carried out an educational reform from the experimental content and teaching module of the comprehensive experiment course of ceramic-based piezoelectric composites， which intends to improve the insufficient training of solving complex engineering problems in the current experiment course. After years of practice， the teaching reform has effectively improved the ability of students to solve complex engineering problems， and exerted positive effects on improving the level of engineering education accreditation for inorganic non-metallic materials engineering majors.

Keywords： engineering education accreditation; complex engineering problem; inorganic non-metallic materials engineering; experimental teaching

1989年，來自美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞和新西蘭6個(gè)國家的民間工程專業(yè)團(tuán)體發(fā)起和簽署了《華盛頓協(xié)議》，其宗旨是通過建立多邊認(rèn)可的工程教育認(rèn)證體系，實(shí)現(xiàn)各國高等教育機(jī)構(gòu)工程類專業(yè)教育水準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)等效，為工程師資格國際互認(rèn)奠定基礎(chǔ)，現(xiàn)在已成為國際上影響最廣泛的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議[1-2]。2016年6月，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，被認(rèn)為是中國高等教育取得的重大突破，標(biāo)志著我國的工程教育邁向國際化發(fā)展的快車道。加入該協(xié)議，對(duì)提高中國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)國家現(xiàn)代工業(yè)化的遠(yuǎn)景目標(biāo)，加強(qiáng)中國工程制造業(yè)實(shí)力和國際競爭力具有重要的意義。因此，我國的高等院校亟需依照新的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)課程體系和教學(xué)理念進(jìn)行重新定義和改革[3-4]。

中北大學(xué)（以下簡稱“我校”）無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)創(chuàng)建于2001年，目前已形成新型無機(jī)材料和綠色建筑材料為主要方向的辦學(xué)特色，辦學(xué)以來累計(jì)為社會(huì)培養(yǎng)技術(shù)人才2 000余人。專業(yè)目標(biāo)旨在培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，能在新型無機(jī)材料、綠色建筑材料等相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域，從事無機(jī)非金屬材料設(shè)計(jì)、制備、性能分析等方面的工程型技術(shù)人才。本文以我校無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)2020—2023年的實(shí)驗(yàn)課程改革為例，針對(duì)培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題能力”的教學(xué)目標(biāo)，以具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的思路和方法。

一" 工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)雜工程問題的要求

基于《華盛頓協(xié)議》的畢業(yè)生素質(zhì)要求細(xì)則，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)和教育部教育質(zhì)量評(píng)估中心按照“國際實(shí)質(zhì)等效”原則共同制定了《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)包含兩部分，即通用標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，其中通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊(duì)伍和支持條件7個(gè)方面提出要求，專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)則針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域在以上一個(gè)或多個(gè)方面提出補(bǔ)充要求，所有項(xiàng)目全部達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，方可通過認(rèn)證。對(duì)于工程教育而言，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向，教師團(tuán)隊(duì)充分利用多樣的教學(xué)資源確保各類教學(xué)課程的實(shí)施效果，并且通過合理的教學(xué)質(zhì)量管控機(jī)制對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，培養(yǎng)滿足畢業(yè)要求的高素質(zhì)學(xué)生，是高等院校人才培養(yǎng)工作的關(guān)鍵。因此，畢業(yè)要求也是工程教育認(rèn)證中最重要的考核項(xiàng)目之一[5]。2022年版《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中畢業(yè)要求共12條，其中工程知識(shí)、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、溝通8項(xiàng)要求的具體內(nèi)容中，均明確要求各項(xiàng)能力的指向是復(fù)雜工程問題，充分表明“培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力”在工程教育中的基本定位[6]。

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定復(fù)雜工程問題必須具備7個(gè)特征，其中第1條“必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能解決”為必備，指出復(fù)雜工程問題的本質(zhì)，第2條至第7條為部分具備或全部具備，是復(fù)雜工程問題的表象與補(bǔ)充。因此，當(dāng)需要解決的工程問題超越常規(guī)方法和技術(shù)領(lǐng)域時(shí)，可以被認(rèn)定為復(fù)雜工程問題[7]。高等院校的課程體系應(yīng)建立在理解并掌握“復(fù)雜工程問題”本質(zhì)的基礎(chǔ)上，充分利用專業(yè)資源，對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行深入探索，并做出全面解讀，使達(dá)成度評(píng)價(jià)在教學(xué)實(shí)施過程中有據(jù)可依。全面研究學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力提升方法，將成為開展工程教育的高校及相關(guān)專業(yè)教師著重關(guān)注的教學(xué)改革方向。

二" 我校無機(jī)非金屬工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問題

根據(jù)《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，高等院校的課程體系應(yīng)包括數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程、專業(yè)理論課程、通識(shí)教育課程和實(shí)踐教育課程，畢業(yè)要求則分解到相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)中落實(shí)。實(shí)踐教育課程作為銜接專業(yè)理論課程與學(xué)生就業(yè)之間的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題”能力的重要載體。目前，國內(nèi)高校的實(shí)踐教育課程體系主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)踐教學(xué)體系中最重要的組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、觀察、分析和解決問題的能力方面，是其他課程難以取代的[8]。經(jīng)過多年的摸索與改進(jìn)，我校無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，把4年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一個(gè)整體統(tǒng)一籌劃。專業(yè)實(shí)驗(yàn)課在大四上學(xué)期開設(shè)，主要包含日用陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)、壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋陶瓷材料的三個(gè)種類，實(shí)驗(yàn)類型包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，本著“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念，采用分層次、有梯度的教學(xué)模式，逐漸培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合技能。

日用陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)陶瓷綜合實(shí)驗(yàn)可歸入到基礎(chǔ)性綜合實(shí)驗(yàn)。首先測試陶瓷泥料的可塑性或陶瓷漿料的流動(dòng)性，再采用不同的成型工藝制坯后燒結(jié)成瓷，通過對(duì)樣品的物理性能和機(jī)械性能展開測試和分析，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和操作安全等方面有了全面的認(rèn)識(shí)與理解，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到有效提高，為后續(xù)的壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)做好充足的準(zhǔn)備。壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)涉及到學(xué)科多門課程和跨學(xué)科知識(shí)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，學(xué)生通過運(yùn)用多學(xué)科的專業(yè)理論知識(shí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目背景和目標(biāo)，采用多種實(shí)驗(yàn)手段和測試方法獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

然而，在多年形成的人才培養(yǎng)體系中，重理論、輕實(shí)踐、理論與實(shí)踐的分割在工程教育中長期存在。同時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式下，教師和學(xué)生分別處于主體地位和從屬地位，學(xué)生在上課前并未深入了解專業(yè)實(shí)驗(yàn)的背景及其與理論課程的聯(lián)系，而是僅僅將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)操作步驟抄寫到預(yù)習(xí)報(bào)告中作為課前預(yù)習(xí)；學(xué)生在上課時(shí)的表現(xiàn)也比較盲目，只是按部就班地操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，沒有真正理解實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；在課后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程中，學(xué)生以描寫實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，缺乏深刻的分析和思考，對(duì)于主動(dòng)學(xué)習(xí)和拓展思路更無從談起。盡管指導(dǎo)教師有針對(duì)性地開設(shè)了面向復(fù)雜工程問題的設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生并沒有主動(dòng)參與到工程問題的分析與解決過程中，仍然需要指導(dǎo)教師提供問題的解決思路與方法。因此，指導(dǎo)教師需要建立新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程控制實(shí)現(xiàn)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題能力”的培養(yǎng)目標(biāo)。

三" 以復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

基于對(duì)復(fù)雜工程問題的理解，我專業(yè)指導(dǎo)教師以壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料綜合實(shí)驗(yàn)為試點(diǎn)，通過持續(xù)完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，不僅使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加符合復(fù)雜工程問題的特征，而且促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中全面運(yùn)用工程原理和工程知識(shí)解決復(fù)雜工程問題，培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力。

（一）" 壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)將綠色建筑材料與新型無機(jī)材料兩個(gè)專業(yè)方向相結(jié)合，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一種壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料，該材料由壓電陶瓷與水泥材料復(fù)合而成，既具有壓電材料良好的介電、壓電性能，還具有水泥材料的高強(qiáng)度和耐久性，可以用作土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器材料。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容很好地匹配了復(fù)雜工程問題的特征①、③、④、⑦。

1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合必備特征：①必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能解決。學(xué)生需要綜合應(yīng)用無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)知識(shí)來分析和解決問題，不是單純的一、兩種理論知識(shí)，而是要掌握多種技術(shù)原理和工程知識(shí)。最重要的是，項(xiàng)目沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)答案，每個(gè)項(xiàng)目小組可以通過不同的方法達(dá)成項(xiàng)目目標(biāo)。

土木工程健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、處理和管理子系統(tǒng)，以及安全評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)組成，通過分析土木結(jié)構(gòu)在不同服役期或荷載作用下的響應(yīng)信號(hào)推斷結(jié)構(gòu)特性的變化情況，可以及時(shí)評(píng)估和預(yù)警土木工程結(jié)構(gòu)的缺陷或損傷。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以土木工程健康監(jiān)測系統(tǒng)的壓電傳感器材料為背景，學(xué)生通過深入分析壓電傳感器的工作原理及其在工程應(yīng)用環(huán)境中對(duì)材料的特殊要求，提出適用于該系統(tǒng)的壓電傳感器材料體系，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。然后，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施環(huán)境約束（實(shí)驗(yàn)室原材料、陶瓷坯體成型設(shè)備、高溫?zé)Y(jié)設(shè)備等）和項(xiàng)目需求約束（傳感器材料關(guān)鍵性能指標(biāo)），充分考慮成本和周期要素，結(jié)合復(fù)合氧化物壓電陶瓷材料合成與燒結(jié)制度等工程技術(shù)原理，設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。在確定實(shí)驗(yàn)方案后，采用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室原料及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷材料合成、陶瓷坯體成型與燒結(jié)，以及壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料制備，通過檢測復(fù)合材料的介電、壓電性能，判斷復(fù)合材料性能是否滿足項(xiàng)目需求，通過組裝壓電傳感器，搭建土木工程健康監(jiān)測系統(tǒng)，采集和分析混凝土標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在破壞過程中形成的信號(hào)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷的精準(zhǔn)判斷。

2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合選擇特征③和④需要建立合適的、具有創(chuàng)造性的抽象模型，并且采用非常用方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。通過創(chuàng)建合適的抽象模型，可以協(xié)助學(xué)生正確理解和預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響規(guī)律，并選擇相應(yīng)的工藝方法制備復(fù)合材料。

根據(jù)壓電相與水泥相的不同聯(lián)通方式，壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料可以分為十種基本類型，即0-1、0-2、0-3、……、1-3、2-2型，第一個(gè)數(shù)字代表壓電材料的聯(lián)通方式，第二個(gè)數(shù)字代表水泥材料的聯(lián)通方式。學(xué)生可以利用Pro-E、SolidWorks等三維建模軟件繪制相應(yīng)的模型，再通過設(shè)定邊界條件，利用Ansys數(shù)值模擬軟件計(jì)算不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的介電、壓電性能，得到壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系。學(xué)生可以選擇不同工藝制備壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料，例如將壓電陶瓷粉體與水泥材料直接混合后成型制備0-3型壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料，也可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備，采用非常規(guī)的成型工藝，如將壓電陶瓷塊體切割成柱狀或片狀后填充水泥漿料得到1-3型或2-2型壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料。

3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合選擇特征⑦包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料本身包含了眾多相互關(guān)聯(lián)的子問題：壓電陶瓷原料合成問題、壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料配比與成型問題，多個(gè)問題相互關(guān)聯(lián)和影響，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電復(fù)合材料性能的調(diào)控。

壓電陶瓷材料的發(fā)展歷經(jīng)二元系鋯鈦酸鉛陶瓷、三元系鈮鎂鋯鈦酸鉛陶瓷，直至無鉛壓電陶瓷，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目背景及實(shí)驗(yàn)室提供氧化物原料，選擇合適的材料體系及燒結(jié)工藝，合成具有不同性能特征的復(fù)合氧化物壓電陶瓷原料。

針對(duì)壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料的成型問題，不同類型的復(fù)合材料對(duì)應(yīng)相應(yīng)的成型工藝，例如1-3型壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料可以采用切割-灌注法成型：前述壓電陶瓷原料經(jīng)壓制成型和高溫?zé)Y(jié)后，獲得壓電陶瓷塊體；將壓電陶瓷塊切割成一系列的豎直柱體，之后再沿著陶瓷材料的間隙灌注水泥漿料，復(fù)合材料由一維的壓電陶瓷柱排列于水泥基體中組成。因此，學(xué)生需考慮壓電陶瓷成型和燒結(jié)工藝對(duì)壓電陶瓷塊切割時(shí)難易程度的影響，以及壓電陶瓷柱體的尺寸與間隔對(duì)復(fù)合材料性能的影響，選擇合適的成型、燒結(jié)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料性能的有效調(diào)控。

（二）" 壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在確認(rèn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，指導(dǎo)教師需要構(gòu)建合理、有效的教學(xué)模式，確保以學(xué)生為中心，以復(fù)雜工程問題為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立解決問題，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力。為此，我專業(yè)指導(dǎo)教師在教學(xué)過程中引入了CDIO教學(xué)模式，該模式由構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operation）4個(gè)環(huán)節(jié)組成，通過建立完善的培養(yǎng)、評(píng)價(jià)和跟蹤系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地解決工程問題，持續(xù)地提高學(xué)生的工程能力，讓學(xué)生全面了解復(fù)雜工程問題的解決流程與方法[9]。在以復(fù)雜工程問題為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式中，師生之間實(shí)現(xiàn)了平等交流和實(shí)時(shí)互動(dòng)，已不再是制度上的支配與從屬關(guān)系。CDIO教學(xué)模式的具體項(xiàng)目實(shí)施流程如圖1所示。

1" 構(gòu)思環(huán)節(jié)

在此環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)教師首先向?qū)W生發(fā)布實(shí)驗(yàn)題目，簡要介紹實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目背景及要求，并通過實(shí)例向?qū)W生演示學(xué)校可以提供的國內(nèi)外學(xué)術(shù)資源及查閱方法。在公布學(xué)生分組名單后，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)自由安排背景分析報(bào)告寫作分工及進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系和能力維度互補(bǔ)。指導(dǎo)教師通過定期組織討論的方式，掌握學(xué)生在撰寫過程中遇到的困難，并給予一定的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)教師有針對(duì)地提出問題，學(xué)生有準(zhǔn)備的解決問題。學(xué)生通過撰寫實(shí)驗(yàn)背景分析報(bào)告，深入了解土木工程健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器材料組成、壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和性能指標(biāo)，為下一步擬定實(shí)驗(yàn)方案奠定基礎(chǔ)，從而有效提高發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力。教師通過評(píng)估學(xué)生撰寫的“實(shí)驗(yàn)背景分析報(bào)告”，隨時(shí)調(diào)整指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的方式，確保每一位學(xué)生得到充分的鍛煉和提升。

2" 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生主要根據(jù)在構(gòu)思環(huán)節(jié)完成的項(xiàng)目背景分析報(bào)告，通過查閱學(xué)校可以提供的教學(xué)資源，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，撰寫詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，該方案應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)路線、實(shí)驗(yàn)手段等內(nèi)容，對(duì)復(fù)雜工程問題提出可行的解決思路和方法。指導(dǎo)教師全程參與實(shí)驗(yàn)方案的擬定討論，提供必要的指導(dǎo)和技術(shù)支持，評(píng)估實(shí)驗(yàn)方案可行性，鼓勵(lì)學(xué)生積極面對(duì)復(fù)雜工程問題，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

3" 實(shí)施環(huán)節(jié)

這是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生需要到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場完成實(shí)驗(yàn)，主要包括壓電陶瓷材料合成、壓電陶瓷成型及高溫?zé)Y(jié)、壓電陶瓷塊體切割及其與水泥漿料復(fù)合獲取壓電陶瓷/水泥復(fù)合材料、壓電復(fù)合材料的介電與壓電性能測試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。同時(shí)，學(xué)生利用三維建模軟件繪制相應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，再設(shè)定邊界條件，利用數(shù)值模擬軟件計(jì)算介電常數(shù)、壓電系數(shù)等指標(biāo)。指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)原料、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備，協(xié)助學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保障實(shí)驗(yàn)室安全，并且提前將操作步驟設(shè)計(jì)為具體問題點(diǎn)，仔細(xì)觀察每一位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作步驟，不輕易干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，允許在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)操作失誤，不以實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果評(píng)判實(shí)驗(yàn)成功與否，以解決問題點(diǎn)的效果評(píng)判學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績，形成以解決工程問題為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手能力和交流能力。

4" 運(yùn)行環(huán)節(jié)

學(xué)生通過匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將壓電復(fù)合材料粘接匹配層、背襯層后封裝為壓電傳感器，并通過導(dǎo)線外接前置放大器、信號(hào)采集處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，搭建土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)在單軸壓縮應(yīng)力作用下的損傷過程，判斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況，完成實(shí)驗(yàn)結(jié)題報(bào)告。指導(dǎo)教師全程參與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性，指導(dǎo)學(xué)生規(guī)范完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和總結(jié)問題的能力。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)用于我校無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)2016—2019級(jí)學(xué)生，教學(xué)效果明顯提高，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性顯著加強(qiáng)。學(xué)生經(jīng)過該階段的學(xué)習(xí)之后，建立了復(fù)雜工程問題的意識(shí)，加深了對(duì)復(fù)雜工程問題的理解，增強(qiáng)了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程應(yīng)用能力，初步掌握了分析和解決無機(jī)非金屬材料工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的基本技能和方法，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)的開展和就業(yè)競爭力提高奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四" 結(jié)束語

實(shí)踐教育課程作為高等院校課程體系的主要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)過程中有著舉足輕重的作用。基于此，中北大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)以工程教育認(rèn)證為契機(jī)，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題能力為主線，通過深入論證分析復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)及教學(xué)模式設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了針對(duì)性改革與探索，構(gòu)建符合我校專業(yè)實(shí)際情況的工程教育體系培養(yǎng)模式。在未來的教學(xué)實(shí)踐中，筆者將不斷收集和分類學(xué)生在該項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的問題和建議，持續(xù)改進(jìn)，不斷完善，希望能夠在有關(guān)院校工程教育認(rèn)證工作中發(fā)揮有益的參考作用。

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基金項(xiàng)目：2022年度山西省研究生教育教學(xué)改革課題“研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)模式改革研究”（2022YJJG184）；2021年度山西省科技合作交流專項(xiàng)項(xiàng)目“增材制造植入體用新型鈦合金制備及性能研究”（202104041101010）；2024年度山西省研究生教育教學(xué)改革課題“基于材料科學(xué)與工程專業(yè)的多學(xué)科交叉研究生教育模式研究與實(shí)踐”（2024JG148）；2022年度中北大學(xué)高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“以解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向的無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”（2022167）

第一作者簡介：劉煒（1980-），男，漢族，山西太原人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楣δ芴沾杉捌鋸?fù)合材料的制備及研究。