工程教育认证导向材料物理专业实验教学探索

赵春霞，周 静，刘曰利

(武汉理工大学 材料科学与工程学院 武汉 430070)

工程教育认证导向材料物理专业实验教学探索

赵春霞，周 静，刘曰利

(武汉理工大学 材料科学与工程学院 武汉 430070)

武汉理工大学以工程教育认证理念为指导，基于学习产出的教育模式(OBE)，针对材料物理专业特点，以“预期学习产出”为中心，依托材料科学与工程优势学科特色，并结合专业现有的实验教学条件，探讨材料物理专业综合性实验教学改革和实践。文中介绍了在材料物理专业综合性实验建设持续改进方面的一些实践经验，旨在进一步提高学生的工程实践能力和创新能力。

工程教育认证；材料物理；持续改进；实验教学

美国工程与技术认证委员会(ABET)是国际工程教育专业认证互认协议《华盛顿协议》的发起组织之一。2013 年，我国工程教育成功加入《华盛顿协议》，这是我国提升工程教育水平、加快与国际接轨的重大契机。在工程教育认证背景下，重新审视材料物理专业综合性实验建设过程中的问题和不足，持续改进，是优化与完善人才培养体系的重要内容。

工程教育认证的通用标准要求学生掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程实践学习经历，具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析。此基于学习产出的教育模式(outcomes-based education，OBE)最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革[1]。

William G. Spady认为OBE实现了教育范式的转换，学生学到了什么和是否成功，远比怎样学习和什么时候学习重要[2]。西澳大利亚教育部门把OBE定义为“基于实现学生特定学习产出的教育过程。教育结构和课程被视为手段而非目的。如果它们无法为培养学生特定能力作出贡献，它们就要被重建”[3-4]。 因此，“以学生为中心”“目标导向”和“持续改进”，是工程教育专业认证的基本理念[5]。

材料物理专业实验是本学科大学生最重要的实践和创新能力训练之一。武汉理工大学通过持续加强实验实践环节建设和提升实验室管理水平，推进了材料物理专业实验教学改革，提高了实验教学质量。本文是在武汉大学材料物理专业综合性实验教学多年累积的基础上，以工程教育认证为引导，将OBE理念引入材料物理专业实验教学培养中，持续改进，提出一些心得体会来和大家分享。

1 材料物理专业实验教学改革的意义

学科间或跨学科活动，形成新的知识体系而构成了交叉科学。学科交叉点往往是科学新的生长点、新的科学前沿，最有可能产生重大的科学突破[6]。材料科学是重要的交叉学科之一，材料物理专业的特色方向在半导体材料、电介质材料、光电子材料、磁性材料以及和微电子器件等领域。材料物理是一门基础与应用、理论与实践并重的学科，专业实验教学是培养本领域本专业大学生实践、创新能力的重要环节。它不仅可以通过观察实验现象、分析实验数据和总结实验结果，验证理论课学习的相关知识，强化学生对专业知识的理解与运用，同时也可以通过实验设计、探索创新，培养学生的科学精神和创新思维，进而提升学生的综合素质和创新能力[7]。

当前，提高我国高等工程教育的质量是我国培养创新型工程技术人员的重点之一。在我国建设创新型国家、高校建设创新型大学的形势下，人们对材料物理类人才培养提出了更高的要求。

随着全球能源危机和环境污染的日益加剧，新型功能材料，特别是新能源类、新信息类和新型环保类材料，以及基于新型功能材料和纳米结构的特殊电学、光学、光电子学、磁学等性能，成为各国科技发展的前沿和战略重点。这就要求材料物理类专门人才不仅通晓传统材料的制备、结构、特性与性能，还特别需要了解材料物理的理论前沿、应用前景和最新发展动态，具备创新意识、创新思维和创新能力。因此，以工程教育认证理念为指导，基于OBE模式，针对材料物理专业特点，以“预期学习产出”为中心，依托材料科学与工程优势学科特色，并结合本专业现有的实验教学条件，探讨材料物理专业综合性实验教学改革和实践，无疑是十分重要和迫切的。

材料物理专业实验教学与相关专业理论教学紧密衔接，是课堂理论教学的拓展和延伸，具有明显的基础性、通用性、典型性，对培养学生的设计思想、创新能力和动手能力有着重要作用，被许多高校设为专业基础必修课。

然而，材料物理专业实验教学中演示性、验证性实验多，学生实际动手操作的机会少。部分高校虽然开设了设计性或综合性实验，但也普遍是由授课教师设计，学生没有实际参与到设计环节。此外，实验内容更新慢，传统的材料物理性能实验的内容较单一、滞后，缺乏创意，无法有效激发学生的积极性和创造性，难以适应新形势下人才培养的需求，不利于实现材料物理创新型工程技术人员培养目标的达成。然而，新材料制备和性能测试需要新的试验设备，这些设备通常比较昂贵。目前高校普遍存在教学经费紧张，无法做到及时更新。另外，专业实验教材和指导书欠缺，学生所用的基本上为自编讲义。

2 材料物理专业综合性实验教学的改革

随着教学改革的深入，材料物理实验教学将逐步建设成为适应整个材料科学与工程专业不可或缺的实践课程。如何通过教学改革，转变教学理念、更新教学内容、创新教学方法和手段，实现材料物理创新型工程技术人员培养目标的达成已成为当务之急。

2.1 持续完善综合性实验教学设计

材料物理学科是一个理论性和实践性都很强的学科，因此，我们提倡要将实验教学放在与理论教学同等重要的地位。为此，我校2004年开设了材料物理综合性实验教学环节。综合性实验教学设计是一种完全有别于传统实验教学的新型实验教学模式，其目的在于培养学生实际操作能力和创新能力的综合素质，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高学生的综合素质[8-9]。我们通过对实验教学内容和课程体系进行不断优化整合，做到实验教学与理论教学相互协调，逐步完善实验教学的知识结构，将孤立、分散的实验内容通过专业综合性实验有机地结合起来，使学生掌握材料科学研究方法和手段及实验流程，亲自动手，完成从材料制备、结构表征、性能测试、结果分析到实验报告撰写的全部环节。

在新形势下，为使综合实验教学更趋科学化、系统化，我们总结了10年的教学实践改革经验，提出使教学和科研充分融合，以科研引领教学，改革教学方法，丰富教学内容，逐步提高实验教学水平[10]。近年来，湖南科技大学在材料化学专业教学中，也提出了“科研与教学互动”的教学理念，把科研课题与材料化学专业实验教学相结合，取得了良好的教学效果[11]。

表1 材料物理专业综合性实验教学项目 名

注：1)实验类型中，1为设计研究；2为综合性

2.2 共享科研设备，逐步更新实验教学内容

在实验教学改革过程中，注重把握新能源、信息、环保等新功能材料探索方向和我国科技发展的前沿和战略重点，逐步更新实验教学内容。针对我校材料物理专业的特点，结合我校材料复合新技术国家重点实验室、硅酸盐建筑材料国家重点实验室、光纤传感技术国家工程实验室和材料学科特色，2010年以来，不断汲取材料物理学科技术发展的新成果，开设一系列选做实验和演示实验。请科研一线的教师参与实验教学，把科研成果和科研手段逐步引入到实验教学当中。

在实验教学中，积极探索实验设备共享，以求缓解本科实验教学大型设备购置难的问题。即把新型科研设备引入教学，借助这些费用昂贵的新型设备，增设创新性实验内容，紧跟材料物理学科发展前言，拓展学生的视野，提高自主学习兴趣，进一步促进大学生的实践能力、创新能力和综合素质的培养。基于科研平台而开设的实验项目见表2。

此外，在材料物理专业实验教学的积极探索中，主动申请教育部财政部改善基本办学条件项目，更新陈旧设备，补充台/套数不足，申购新型教学设备，逐步改善实验教学条件，稳步更新实验教学内容，与国家战略性研究和学科前沿接轨。拟申购的设备主要是面向新能源材料与器件方向的实验项目。依托我校材料复合新技术国家重点实验室、燃料电池与氢能源技术国家工程研究中心、湖北省燃料电池重点实验室，结合我校在新能源材料与器件研究的特色，拟开设锂离子电池正极材料制备与电池性能测试、太阳能电池材料制备与微加工实验、热电材料制备与性能测试、燃料电池制备与性能测试等实验项目，促进本科实验实践教学中对于本科生动手能力、创新能力、工程化能力培养的达成度。

表2 基于科研平台的材料物理专业实验教学项目

注：1)实验类型中，1为演示性；2为验证性

2.3 加强实验教学教材建设

国内兄弟院校大都是根据自身学科特色、专业规划和发展方向等开设实验，造成指导学生所用的基本上为自编讲义，指导书欠缺，还没有材料物理实验教学的普适教材或辅导书。这与各高校自身的学科特色、专业规划和发展方向有关。我们立足本校材料物理专业的学科特点，对材料物理专业实验教学的教学大纲和教改方案逐步修订和完善，编纂出版了材料物理专业的实验教学教材《功能材料制备及物理性能分析》[13]。全文围绕实验设计、合成与制备、性能表征、结果分析展开，结合不同材料的性能特点设置实验项目，对功能材料的热学、电学、电介质、声学、光学、磁学、电化学等性能进行测试和表征。随着材料物理专业创新型综合性实验建设的持续改进，实验教学教材建设仍是实验教学的重要内容。

3 结束语

在工程教育国际认证标准的指导下，材料物理专业实验教学逐渐转向以项目为导向的教学方式。施行结果表明，学生无论是在学习积极性、理论知识的完善，还是工程实践、团队合作能力等方面都有显著提高。综合性实验教学的改革必将成为注重动手能力、工程能力和创新能力的一种行之有效的实验教学模式。引入实验项目，促使学生逐步探索，激发了学生学习的热情，变被动学习为主动学习。此外，项目驱动的教学模式有利于实验室的深度开放，促进实验室管理制度的不断创新。面对其存在的一些问题，我校创新性的把科研成果和科研手段融入到实验教学当中，积极探索先进实验设备共享，进一步拓展教学手段，丰富和更新教学内容，取得了良好的教学效果。如何开展材料物理专业综合性实验教学的创新性改革，将学科前沿的科研成果有机地融合到实验教学中，仍是我们今后努力的方向。

[1]顾佩华, 胡文龙, 林鹏, 等. 基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[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]李志义, 朱泓, 刘志军, 等. 用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J]. 高等工程教育研究, 2014(2): 29-34, 70.

[6]王玲, 雷环. 《华盛顿协议》签约成员的工程教育认证特点及其对我国的启示[J]. 清华大学教育研究, 2008. 29(5): 88-92.

[7]沈晓红, 冯祖德, 彭栋梁, 等. 材料科学与工程专业实践教学体系的探索[J]. 实验科学与技术, 2013. 11(6): 60-63.

[8]汪大海, 付强. 材料物理与化学专业综合性实验教学改革初探[J]. 实验室研究与探索, 2011. 30(1): 103-105.

[9]苗润生, 邵红红, 王兰. 金属材料工程专业综合实验课程的教学实践[J]. 实验科学与技术, 2012. 10(2): 92-93, 103.

[10]赵春霞, 周静, 韩京. 材料物理专业创新型实验教学探索与实践[J]. 实验科学与技术, 2013. 11(1): 77-79.

[11]田俐, 申少华, 刘清泉, 等. 材料化学实验与科研课题结合的教学模式[J]. 实验科学与技术, 2011. 9(6): 131-133.

[12]周静. 功能材料制备及物理性能分析[M], 武汉: 武汉理工大学出版社, 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

湖北省教学研究基金资助项目(2012107)。

赵春霞(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：新型功能材料的结构与物化效应。从事理论与实验教学建设。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.026