工程教育認證下的現代功能材料課程改革

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摘要：功能材料技術是其他各技術群落的基礎，在與國際接軌的工程教育認證背景下，現代功能材料教學改革對新工科高等教育體系的發展具有重要意義。本文基于以學生為中心、產出導向、持續改進的工程教育認證理念，從《現代功能材料》課程教學現狀和問題出發，提出《現代功能材料》課程教學改革設計方案，重點是教學內容的調整及實施、教學內容工程實踐背景的強化和考核方式的改革設計，以期加強培養學生解決復雜工程問題的能力，探索以工程教育專業認證為導向的課程教學改革新思路。

關鍵詞：教學改革；工程教育專業認證；現代功能材料課程

一引言

2016年6月2日，中國正式加入《華盛頓協議》，這是中國工科教育國際化的具有歷史意義的里程碑。自此工程教育認證的熱潮以更快的速度席卷全國大部分高校[1]。以學生為中心、產出導向、持續改進是《華盛頓協議》的三大教育理念，而本科培養學生解決復雜工程問題的能力既是工程教育認證的重要標準，也是高校培養高素質工程人才的關鍵內容[2]。什么是復雜工程問題？《協議》用如下7個特征進行刻畫。其中第一條是必備的，它指出了復雜工程問題的本質；第二到第七條是可選的，它們可以看作是復雜工程問題的表象[1,3]。（1）必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決。（2）需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性。（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中。（6）問題相關各方利益不完全一致。（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題，增強課程內容的開放性。功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學、生化等形式的能量刺激后，顯示出特定功能的材料。功能材料既遵循材料的一般特性和變化規律又具有其自身特點?，F代功能材料主要是指功能材料中的功能更新穎、更先進的材料?！冬F代功能材料》課程內容在工科專業知識結構中具有極為重要的地位和作用。在全球技術競爭日趨激烈的新形勢下，本文基于對工程教育理念的學習，針對筆者多年來在江蘇大學擔任《現代功能材料》課程的教學過程中所遇到的問題和收獲，進行了總結、分析和思考，提出《現代功能材料》課程教學改革設計的新方案，以供拋磚引玉，力求為高?，F代功能材料課程教學的不斷完善，為其在人才培養中發揮更大的作用添磚加瓦。

二《現代功能材料》課程的重要意義

美國科學家維納在他的《控制論》一書的序言中說：“科學技術的發展具有為善和作惡的巨大可能性”。誠然，現代社會的人類享受著科學技術這把雙刃劍帶來的豐盛福利，也面對著生產力高速發展而帶來的諸多難題，例如能源問題、環境問題等等。功能材料技術的飛速發展，為解決生產高速發展以及由此所產生的能源、環境等一系列的問題，提供了有效的解決途徑。例如，基于功能材料技術的飛速發展，已經實現或者即將實現：塑料將不以石油為原料而完全以玉米替代；建筑材料有望由洋麻等纖維類作物替代；石油的枯竭也不再可怕，因為用秸稈完全可以替代[4,5]?，F代功能材料技術正在滲透到現代社會的各個領域，成為能源、計算機、通訊、電子、激光等現代科學技術群落的基礎。新型功能材料的發展和應用，可直接為社會生產和人類生活帶來巨大改變，推動人類社會前進。例如，2005年一個容量為100kb的U盤售價約為100RMB，而現在一個30G的U盤的價格約為50RMB，這其中，高儲備容量的芯片功能材料的開發，功不可沒。目前，現代功能材料日趨成為材料領域中與現代社會各個領域密切相關的最活躍的前沿學科，現代功能材料技術在未來的社會發展中具有重大戰略意義[6]。目前，全球范圍內各個國家均十分重視功能材料技術的研究，世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰，新技術、新專利層出不窮。發達國家通過知識產權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷的現象已經屢見不鮮。在這種國際形勢下，加強我國功能材料技術的發展，加強我國功能材料技術人才的培養是工科學校刻不容緩的重要任務[7,8]。

三《現代功能材料》課程教學現狀和問題

目前，科學技術的發展和進步已是常態，而且更新速度越來越快。功能材料技術是其他各技術群落的基礎，因此，高?，F代功能材料課程內容要盡量反映功能材料科學發展的新成就，讓學生接觸最新的功能材料前沿。而目前高校選用的教材的編寫出版流程相對較長，很難將最先進的功能材料研究成果囊括其中，教材內容大多已不能匹配于新工科發展的世界范圍的大趨勢。因此，如何規劃課程內容以便適應工程教育認證背景下培養學生解決復雜工程問題的能力，是高校功能材料課程共同面對的問題。筆者以往收集的學生課后回饋表明，學生結束課程學習之后對所學功能材料的功能特性、機理和工程應用僅有模糊的、大致的了解，匱乏對重要知識點的深刻把握，尤其是對于材料在實際工程應用中的重要意義缺乏明確的認識。以往所實行的以課程總結報告為主的課程考核方式的目的是好的，但按國內學生的現狀，效果不好，課程總結報告不深入，未能充分閱讀資料通過分析總結變為自己的理解，因此，通過這種方式來實施能力考核難度較大。

四《現代功能材料》課程教學改革設計

（一）教學內容的調整及實施60年代初，美國一些理工科大學鑒于當時大學基礎物理教學與現代科學技術的發展不相適應，紛紛試行教學改革。為此，當時在加利福尼亞理工學院任教的著名理論物理學家費曼將當時物理學各個分支的最新科研成果全部融入課堂，并根據其課堂錄音編纂了《費曼物理學講義》，完成了基礎物理的教學改革。《費曼物理學講義》至今仍是物理學領域基礎教學的經典之作[9]。以此為鑒，功能材料是材料學科最活躍的研究熱點，在期待功能材料前沿科研引領者的傾力之作的同時，任課教師要即時追蹤功能材料的最新發展動態，著力保障每年的授課內容在不同程度上是動態更新的。這就要求教師備課不僅僅是重溫往年的課件內容，而是要重新查閱大量中英文文獻，追蹤每種功能材料的最新研究態勢及成果并將其引入課堂內容中。例如，在形狀記憶聚合物這一主題中，在2018年的教學內容中增加了文獻最新報道的4D形狀記憶聚合物的內容，即將近年來備受關注的3D打印技術和形狀記憶效應相結合的研究成果。除此，注重教學內容的開放式探索，將教師本人及同行的最新科學研究成果第一時間引入課堂，真正踐行教學內容持續改進的工程教育專業認證理念。在課堂內容保持一定程度的動態更新的基礎上，針對學生群體的專業特點來規劃課程內容，并充分利用學生課外時間導向性的引導其自行拓展課程內容。針對學生群體的專業特點來規劃課程內容，即課程內容的規劃以學生的專業就業方向為目標來量身定制，從而踐行以學生為中心，以產出為導向的工程教育專業認證理念。例如，對于機械專業背景的學生，課程內容在材料的功能特性和機理的基礎上，以功能材料的工程應用為重點規劃內容；而針對于化學或者材料等相關學科的學生，則可以以功能材料的工程應用為背景，以功能材料的結構設計、合成制備及性能調控為主。通過引導學生自學來進一步拓展課程內容。目前，功能材料是材料學科最活躍的研究熱點，功能材料技術發展迅猛。通過“滿堂灌”“填鴨式”教學方式，在有限的課堂教學課時內讓學生了解和學量的現代功能材料知識是不可能的，也是沒有必要的。而且由于學生個體的基礎和興趣等差異的存在，更需要一種靈活的課程內容拓展方式，例如，鼓勵學生針對一些功能材料相關的問題自主進行信息檢索等的自學方式?，F在是信息大爆炸的時代，學生身處其中，圖書館、慕課、百度、知乎和抖音，甚至是電視的科技頻道等等都是他們潛在的課程學習資源。而實質上，不是可供選擇的課程資源不夠，而是課程資源太多，反倒無從下手。授人以魚不如授人以漁，教師在進行課堂教學時注重精煉和引導，強調舉一反三，并通過拋出問題布置作業等方式，引導學生課外自主學習。在思考問題和完成作業的過程中，學生有目的地針對具體問題進行文獻檢索，信息提煉，問題分析等學習活動，在激發學生的學習興趣和自我認可的成就感的同時，大幅度拓寬了學生的功能材料視野，同時也滿足了一部分學生對課程深度拓展的要求。通過引導學生自學來實現課程內容的拓展，踐行了以學生為中心，并指向了學生的終身學習能力的培養。

（二）教學內容工程實踐背景的強化有一位詩人曾經說過：“整個宇宙就存在于一杯葡萄酒中”，觀察一杯葡萄酒，你可以看見整個宇宙。因為葡萄酒中有彎曲的液面，光的折射等物理現象，有原子分子等化學構成，有發酵等生物現象，有••••••而這一切關于各類學科的知識都統一于一杯葡萄酒中。由此可窺見一斑，實際的工程應用環境都是紛繁復雜的，《工程教育認證標準》對于“復雜工程問題”給出了明確的定義和剖析[1,3]。復雜工程問題涉及理論但不是理論問題，涉及技術卻也不是單純的技術問題，現代工程問題的復雜性在于需要基于工程原理分析問題，要全局性地考慮問題，要選擇性的使用技術，從而創造性地解決實際工程問題[10]。本科畢業生要具備解決復雜工程問題的能力，則必須要在本科學習階段進行工程實踐。沒有工程實踐經驗的學習和積累，解決復雜工程問題的能力無從談起。現代功能材料課程的工程實踐特點是以新工科大工程為背景，要充分體現現代功能材料在產品設計制造及控制過程中的重要意義。目前高校所推行的實驗課、生產實習、產學融合等主要課程實踐方式不適合在現代功能材料課程。新技術到新產品一般是有一定周期的，現代功能材料課程內容所包含的前沿功能材料及其應用，大多尚未走出實驗室而實現商品化，或者已初步商品化但尚未普及，并不適合開設實驗課程，也很難找到相關的生產企業進行產學融合，因此，現有實踐方式不能滿足現代功能材料課程的實際需求，探尋適合現代功能材料的課程實踐方式勢在必行。教師的工程實踐經驗、工程案例的課堂再現和學生的功能材料應用設計三者的結合，是現階段適合現代功能材料課程的一種可行的實踐方式。1.任課教師具備工程實踐經驗：從事現代功能材料的教師必須要有實際的工程實踐經歷（例如工程項目的主持和參與，企業合作項目的展開等），才能將工程實踐經驗在教學過程中進行穿插。但是任何一位教師也不可能從事所有現代功能材料的實際研發或項目工作，教師從事工程實踐工作的意義在于通過有限的工程實踐經驗，形成必要的解決復雜工程問題的工程理念、邏輯思路、分析方法等等更高層次的思維體驗，實現對工程實踐本質意義的深度把握。在此基礎上，教師進一步學習和關注課程所涉及的各類功能材料的工程應用案例及潛在的工程應用設計，對其工程問題及解決方法進行分析、提煉和總結，從而實現教師工程實踐經驗的拓展。2.課堂內容的實踐性規劃：課堂教學是引領課程內容的核心和引擎。教師在課堂上圍繞某一個主題的功能材料，深入淺出地講授材料的功能特性、功能機理，然后借助圖片、視頻及網頁鏈接等方式大比例引入材料功能的具體工程應用案例。主要是系統的針對性的分析工程問題中所涉及的工程原理，工程環境的特點、器件的整體需求和材料具體功能之間的聯系，并兼顧環保、安全和成本等其他因素的考慮，從而基于材料的功能特性提出解決實際工程問題的新方法。工程應用案例課堂再現的重點在于給學生呈現一條解決工程問題的清晰思路并揭示其背后的工程理念。

例如，生物可降解的形狀記憶聚合物支架在治療血管狹窄時的醫學工程應用案例，首先要了解目標工程環境，強調材料的可生物相容性或者生物降解性是必須的；然后再分析治療血管狹窄的醫學原理的基礎上，利用材料的形狀記憶功能來解決血管狹窄的醫學問題，并進行方案設計，即在人體外將支架進行預變形處理使其體積最小化，然后通過微創手術置入人體血管狹窄處，基于材料的形狀回復行為使支架恢復初始形狀從而對血管的狹窄部分形成擴展性支撐。又例如，壓電陶瓷打火機，一元的價格，穩定的取火功能，很好地體現了“夠用就好”的工程理念。教師站在講臺上，卻已在一定程度上再現了工程實踐的現場，通過典型工程案例，為學生提供一個與課程內容貼合匹配的現代功能材料的模擬工程實踐環境，從而初步培養學生具有運用材料的功能特性來解決工程問題的思路和能力。3.學生的工程應用設計實踐任務：學生已通過課堂學習了解了功能材料的基本知識和應用實例、了解了功能材料工程應用的基本理念和思路。在此基礎上，參照已學過的功能材料的工程應用實例，自主完成一種功能材料的工程應用設計。著力引導學生在實際工程中去尋找需求痛點，提煉工程問題，并給出基于材料功能特性的工程應用設計方案。要求設計思路具有一定的創新性、新穎性和可行性，圖紙及文字表達要準確。課程實踐經驗表明，通過課堂學習積累的功能材料基本知識和材料工程應用技術的知識儲備，學生在完成應用設計任務時不會有畏難情緒，反而有種實戰演練的興奮。學生對應用設計類作業表現出極大興趣，能夠針對功能材料在工程領域的應用進行思考，雖然一部分同學的設計在可行性方面有所欠缺，但大部分同學的工程應用設計內容新穎、部分學生作業有非常好的創意，充分展示了學生群體的創造潛力。在今后的教學中，將進一步強調功能材料工程應用設計作業的重要性，同時鼓勵學生進行適當的過程調研，鼓勵團隊合作完成，并結合大學生創新項目立項等科研活動深入展開。

（三）考核方式的改革設計除了保留考勤、增加了對應用設計作業的考核，另外還增加了課程內容的演講報告。演講是伴隨學生一生的“溝通大眾”的重要技能?，F代社會中，演講能力是每一個職場人員進行求職、工作和成果展示等的必備技能，幾乎每一個成功的企業家都是一個優秀的演講者。在歐美國家，對學生演講能力的重視和培養貫穿于從幼兒園到大學的整個教學體系中，而這種活動在我們國內的課堂確相對比較缺乏?，F代功能材料的課程主題演講，首先安排學生在課外制作和功能材料內容相關的PPT，然后安排每一位同學進行課堂演講（選課人數較多時則先分小組進行演講，互相評價，選出每個小組的優勝者，代表小組進行課堂演講）。此項任務要求學生的報告內容具有新穎性、邏輯性以及注意演講過程中的語言面貌、肢體語言等細節。課堂上短短幾分鐘的演講，是學生在課堂之外就課程內容所進行的大量學習和提煉的結果，學生以自主選擇的感興趣的功能材料為題，查閱資料，深度閱讀，總結提煉后制作PPT。為了將演講中的問題表達清楚，學生會就所收集的課程資料進行積極思考、動用日常知識儲備、組織語言邏輯等等，這些過程都潛移默化地擴展了學生學習的深度和廣度。課程演講環節不僅給學生提供了一個必要的表達自我的鍛煉機會，增強學生自我表達的信心和的勇氣，而且有助于提升學生對信息提煉和總結的能力，以及較好的邏輯思維和口頭表達能力，以及培養學生就工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流的潛力。以往的教學實踐也表明，課堂演講是一項深受學生喜愛的教學活動，有的學生在講臺上就自己所精心準備的功能材料主題進行演講時的意氣風發，有的學生發現問題并犀利提問時的針鋒相對，在活躍的課堂氣氛中，學生不僅加深了對功能材料知識的深入理解，而且其思辨能力也得到了良好的鍛煉。這是一項具有獨特價值的教學方式，有待于在今后的教學活動中進一步挖掘。

五結束語

本文從工程教育認證的理念出發，針對《現代功能材料》教學中存在的問題進行思考和總結，提出針對教學內容、工程實踐和考核方式的改革措施。教學內容每年在一定程度上進行動態更新、依據學生專業特點進行規劃，踐行課程內容持續改進、以學生為中心及產出導向的工程教育認證理念；從教師、課堂和學生三方面進行調整和設計，從而強化現代功能材料教學內容的工程實踐，強化對學生解決復雜工程問題能力的培養；在考核方式上，通過功能材料工程應用設計和課程演講匯報等方式，更好的實現了對學生能力的評價考核。任何一門課程都是一個寶貴的資源。現代功能材料課程同樣隱藏著著物質世界的本質規律，蘊含了大自然之美，需要教師深耕不輟，采集出各種知識果實，以回饋學生求知的胃。進一步深化《現代功能材料課程》的教學改革，培養高素質的、能夠解決復雜工程問題的本科人才，引導學生更好地走向工程教育認證所開啟的世界之門，并為我國功能材料技術在未來國際競爭中占據主導地位盡獻綿薄之力。

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作者：吳雪蓮 單位：江蘇大學