工程教育認證導向材料物理專業實驗教學探索

趙春霞，周 靜，劉曰利

(武漢理工大學 材料科學與工程學院 武漢 430070)

工程教育認證導向材料物理專業實驗教學探索

趙春霞，周 靜，劉曰利

(武漢理工大學 材料科學與工程學院 武漢 430070)

武漢理工大學以工程教育認證理念為指導，基于學習產出的教育模式(OBE)，針對材料物理專業特點，以“預期學習產出”為中心，依托材料科學與工程優勢學科特色，并結合專業現有的實驗教學條件，探討材料物理專業綜合性實驗教學改革和實踐。文中介紹了在材料物理專業綜合性實驗建設持續改進方面的一些實踐經驗，旨在進一步提高學生的工程實踐能力和創新能力。

工程教育認證；材料物理；持續改進；實驗教學

美國工程與技術認證委員會(ABET)是國際工程教育專業認證互認協議《華盛頓協議》的發起組織之一。2013 年，我國工程教育成功加入《華盛頓協議》，這是我國提升工程教育水平、加快與國際接軌的重大契機。在工程教育認證背景下，重新審視材料物理專業綜合性實驗建設過程中的問題和不足，持續改進，是優化與完善人才培養體系的重要內容。

工程教育認證的通用標準要求學生掌握工程基礎知識和本專業的基本理論知識，具有系統的工程實踐學習經歷，具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析。此基于學習產出的教育模式(outcomes-based education，OBE)最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革[1]。

William G. Spady認為OBE實現了教育范式的轉換，學生學到了什么和是否成功，遠比怎樣學習和什么時候學習重要[2]。西澳大利亞教育部門把OBE定義為“基于實現學生特定學習產出的教育過程。教育結構和課程被視為手段而非目的。如果它們無法為培養學生特定能力作出貢獻，它們就要被重建”[3-4]。 因此，“以學生為中心”“目標導向”和“持續改進”，是工程教育專業認證的基本理念[5]。

材料物理專業實驗是本學科大學生最重要的實踐和創新能力訓練之一。武漢理工大學通過持續加強實驗實踐環節建設和提升實驗室管理水平，推進了材料物理專業實驗教學改革，提高了實驗教學質量。本文是在武漢大學材料物理專業綜合性實驗教學多年累積的基礎上，以工程教育認證為引導，將OBE理念引入材料物理專業實驗教學培養中，持續改進，提出一些心得體會來和大家分享。

1 材料物理專業實驗教學改革的意義

學科間或跨學科活動，形成新的知識體系而構成了交叉科學。學科交叉點往往是科學新的生長點、新的科學前沿，最有可能產生重大的科學突破[6]。材料科學是重要的交叉學科之一，材料物理專業的特色方向在半導體材料、電介質材料、光電子材料、磁性材料以及和微電子器件等領域。材料物理是一門基礎與應用、理論與實踐并重的學科，專業實驗教學是培養本領域本專業大學生實踐、創新能力的重要環節。它不僅可以通過觀察實驗現象、分析實驗數據和總結實驗結果，驗證理論課學習的相關知識，強化學生對專業知識的理解與運用，同時也可以通過實驗設計、探索創新，培養學生的科學精神和創新思維，進而提升學生的綜合素質和創新能力[7]。

當前，提高我國高等工程教育的質量是我國培養創新型工程技術人員的重點之一。在我國建設創新型國家、高校建設創新型大學的形勢下，人們對材料物理類人才培養提出了更高的要求。

隨著全球能源危機和環境污染的日益加劇，新型功能材料，特別是新能源類、新信息類和新型環保類材料，以及基于新型功能材料和納米結構的特殊電學、光學、光電子學、磁學等性能，成為各國科技發展的前沿和戰略重點。這就要求材料物理類專門人才不僅通曉傳統材料的制備、結構、特性與性能，還特別需要了解材料物理的理論前沿、應用前景和最新發展動態，具備創新意識、創新思維和創新能力。因此，以工程教育認證理念為指導，基于OBE模式，針對材料物理專業特點，以“預期學習產出”為中心，依托材料科學與工程優勢學科特色，并結合本專業現有的實驗教學條件，探討材料物理專業綜合性實驗教學改革和實踐，無疑是十分重要和迫切的。

材料物理專業實驗教學與相關專業理論教學緊密銜接，是課堂理論教學的拓展和延伸，具有明顯的基礎性、通用性、典型性，對培養學生的設計思想、創新能力和動手能力有著重要作用，被許多高校設為專業基礎必修課。

然而，材料物理專業實驗教學中演示性、驗證性實驗多，學生實際動手操作的機會少。部分高校雖然開設了設計性或綜合性實驗，但也普遍是由授課教師設計，學生沒有實際參與到設計環節。此外，實驗內容更新慢，傳統的材料物理性能實驗的內容較單一、滯后，缺乏創意，無法有效激發學生的積極性和創造性，難以適應新形勢下人才培養的需求，不利于實現材料物理創新型工程技術人員培養目標的達成。然而，新材料制備和性能測試需要新的試驗設備，這些設備通常比較昂貴。目前高校普遍存在教學經費緊張，無法做到及時更新。另外，專業實驗教材和指導書欠缺，學生所用的基本上為自編講義。

2 材料物理專業綜合性實驗教學的改革

隨著教學改革的深入，材料物理實驗教學將逐步建設成為適應整個材料科學與工程專業不可或缺的實踐課程。如何通過教學改革，轉變教學理念、更新教學內容、創新教學方法和手段，實現材料物理創新型工程技術人員培養目標的達成已成為當務之急。

2.1 持續完善綜合性實驗教學設計

材料物理學科是一個理論性和實踐性都很強的學科，因此，我們提倡要將實驗教學放在與理論教學同等重要的地位。為此，我校2004年開設了材料物理綜合性實驗教學環節。綜合性實驗教學設計是一種完全有別于傳統實驗教學的新型實驗教學模式，其目的在于培養學生實際操作能力和創新能力的綜合素質，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的綜合素質[8-9]。我們通過對實驗教學內容和課程體系進行不斷優化整合，做到實驗教學與理論教學相互協調，逐步完善實驗教學的知識結構，將孤立、分散的實驗內容通過專業綜合性實驗有機地結合起來，使學生掌握材料科學研究方法和手段及實驗流程，親自動手，完成從材料制備、結構表征、性能測試、結果分析到實驗報告撰寫的全部環節。

在新形勢下，為使綜合實驗教學更趨科學化、系統化，我們總結了10年的教學實踐改革經驗，提出使教學和科研充分融合，以科研引領教學，改革教學方法，豐富教學內容，逐步提高實驗教學水平[10]。近年來，湖南科技大學在材料化學專業教學中，也提出了“科研與教學互動”的教學理念，把科研課題與材料化學專業實驗教學相結合，取得了良好的教學效果[11]。

表1 材料物理專業綜合性實驗教學項目 名

注：1)實驗類型中，1為設計研究；2為綜合性

2.2 共享科研設備，逐步更新實驗教學內容

在實驗教學改革過程中，注重把握新能源、信息、環保等新功能材料探索方向和我國科技發展的前沿和戰略重點，逐步更新實驗教學內容。針對我校材料物理專業的特點，結合我校材料復合新技術國家重點實驗室、硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室、光纖傳感技術國家工程實驗室和材料學科特色，2010年以來，不斷汲取材料物理學科技術發展的新成果，開設一系列選做實驗和演示實驗。請科研一線的教師參與實驗教學，把科研成果和科研手段逐步引入到實驗教學當中。

在實驗教學中，積極探索實驗設備共享，以求緩解本科實驗教學大型設備購置難的問題。即把新型科研設備引入教學，借助這些費用昂貴的新型設備，增設創新性實驗內容，緊跟材料物理學科發展前言，拓展學生的視野，提高自主學習興趣，進一步促進大學生的實踐能力、創新能力和綜合素質的培養?；诳蒲衅脚_而開設的實驗項目見表2。

此外，在材料物理專業實驗教學的積極探索中，主動申請教育部財政部改善基本辦學條件項目，更新陳舊設備，補充臺/套數不足，申購新型教學設備，逐步改善實驗教學條件，穩步更新實驗教學內容，與國家戰略性研究和學科前沿接軌。擬申購的設備主要是面向新能源材料與器件方向的實驗項目。依托我校材料復合新技術國家重點實驗室、燃料電池與氫能源技術國家工程研究中心、湖北省燃料電池重點實驗室，結合我校在新能源材料與器件研究的特色，擬開設鋰離子電池正極材料制備與電池性能測試、太陽能電池材料制備與微加工實驗、熱電材料制備與性能測試、燃料電池制備與性能測試等實驗項目，促進本科實驗實踐教學中對于本科生動手能力、創新能力、工程化能力培養的達成度。

表2 基于科研平臺的材料物理專業實驗教學項目

注：1)實驗類型中，1為演示性；2為驗證性

2.3 加強實驗教學教材建設

國內兄弟院校大都是根據自身學科特色、專業規劃和發展方向等開設實驗，造成指導學生所用的基本上為自編講義，指導書欠缺，還沒有材料物理實驗教學的普適教材或輔導書。這與各高校自身的學科特色、專業規劃和發展方向有關。我們立足本校材料物理專業的學科特點，對材料物理專業實驗教學的教學大綱和教改方案逐步修訂和完善，編纂出版了材料物理專業的實驗教學教材《功能材料制備及物理性能分析》[13]。全文圍繞實驗設計、合成與制備、性能表征、結果分析展開，結合不同材料的性能特點設置實驗項目，對功能材料的熱學、電學、電介質、聲學、光學、磁學、電化學等性能進行測試和表征。隨著材料物理專業創新型綜合性實驗建設的持續改進，實驗教學教材建設仍是實驗教學的重要內容。

3 結束語

在工程教育國際認證標準的指導下，材料物理專業實驗教學逐漸轉向以項目為導向的教學方式。施行結果表明，學生無論是在學習積極性、理論知識的完善，還是工程實踐、團隊合作能力等方面都有顯著提高。綜合性實驗教學的改革必將成為注重動手能力、工程能力和創新能力的一種行之有效的實驗教學模式。引入實驗項目，促使學生逐步探索，激發了學生學習的熱情，變被動學習為主動學習。此外，項目驅動的教學模式有利于實驗室的深度開放，促進實驗室管理制度的不斷創新。面對其存在的一些問題，我校創新性的把科研成果和科研手段融入到實驗教學當中，積極探索先進實驗設備共享，進一步拓展教學手段，豐富和更新教學內容，取得了良好的教學效果。如何開展材料物理專業綜合性實驗教學的創新性改革，將學科前沿的科研成果有機地融合到實驗教學中，仍是我們今后努力的方向。

[1]顧佩華, 胡文龍, 林鵬, 等. 基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J]. 高等工程教育研究, 2014(1): 27-37.

[2]Spady W G.Outcome-Based Education: Critical Issues and Answers[M]. Arlington, Virginia, USA: American Association of School Administrators, 1994.

[3]Willis S, Kissane B.Outcome-Base Education: A Review of the Literaue[M]. Perth, Western Australia: Prepared for the Education Department of Western Australia, 1995.

[4]Willis S,Kissane B.Achieving Outcome-Based Education[M]. Perth, Western Australia: Education Department of Western Australia, 1997.

[5]李志義, 朱泓, 劉志軍, 等. 用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J]. 高等工程教育研究, 2014(2): 29-34, 70.

[6]王玲, 雷環. 《華盛頓協議》簽約成員的工程教育認證特點及其對我國的啟示[J]. 清華大學教育研究, 2008. 29(5): 88-92.

[7]沈曉紅, 馮祖德, 彭棟梁, 等. 材料科學與工程專業實踐教學體系的探索[J]. 實驗科學與技術, 2013. 11(6): 60-63.

[8]汪大海, 付強. 材料物理與化學專業綜合性實驗教學改革初探[J]. 實驗室研究與探索, 2011. 30(1): 103-105.

[9]苗潤生, 邵紅紅, 王蘭. 金屬材料工程專業綜合實驗課程的教學實踐[J]. 實驗科學與技術, 2012. 10(2): 92-93, 103.

[10]趙春霞, 周靜, 韓京. 材料物理專業創新型實驗教學探索與實踐[J]. 實驗科學與技術, 2013. 11(1): 77-79.

[11]田俐, 申少華, 劉清泉, 等. 材料化學實驗與科研課題結合的教學模式[J]. 實驗科學與技術, 2011. 9(6): 131-133.

[12]周靜. 功能材料制備及物理性能分析[M], 武漢: 武漢理工大學出版社, 2012.

Study of Experiment Teaching of Materials Physics under the Circumstances of Engineering Education Accreditation

ZHAO Chunxia, ZHOU Jing, LIU Yueli

(School of Materials Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070，China)

Based Education (OBE) is a process that tries to improve learning outcomes for individual student by actively assessing and adjusting teaching curriculum. OBE has been successful in many education systems and is favored in many countries. Guided by the engineering education accreditation, we investigated and practiced the comprehensive experiment teaching of material physics under materials science and engineering platform by applying OBE methodologies. In details, we combined the characteristics of material physics subject, the cultivation for talented students with innovative awareness and ability, and together with the conditions of the current experiment teaching in our university to achieve the intended learning outcomes. The practice and experience in sustaining improvement of material physics experiment teaching was then discussed and summarized, aiming to help improve the undergraduate students’ practical engineering and innovation capability.

engineering education accreditation; materials physics; sustaining improvement; experiment teaching

2014-07-09

湖北省教學研究基金資助項目(2012107)。

趙春霞(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：新型功能材料的結構與物化效應。從事理論與實驗教學建設。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.026