基于工程教育认证背景下的金属功能材料课程改革与实践

袁 斌 曾美琴 胡仁宗 朱 敏

华南理工大学材料科学与工程学院 广东广州 510641

工程教育认证是实现工程学位国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。目前，世界上主要的工业发达国家都建立了工程教育认证制度，并通过多边的协议实现工程教育学位国际互认。其中，由美、英等国主导的《华盛顿协议》体系是国际上最具权威性和影响力的四年制本科工程教育学位互认体系。自2005年起，我国就开始建设工程教育认证体系，并把实现国际互认作为重要目标。 经过近十年的发展，我国已经在31个工科专业类中的18个开展了认证，截至2015年底，已有553个专业点通过认证[1]。2016年6月2日，我国成为《华盛顿协议》的正式会员，这表明工程教育认证将在我国各大学全面铺开，并成为各高校工程专业建设的标配之一。在此背景下，我校的材料科学与工程专业(含金属材料与无机非金属材料方向)在今年也要开展并完成工程教育认证工作。

我校这几年的认证成功经验表明，认证能否顺利通过，最重要的在于各任课教师对于《华盛顿协议》精神和工程教育认证标准(2015版)[2]的深刻认识以及教育思想的转变。《华盛顿协议》体系有两个突出特点：一是“以学生为本”，着重基于学生学习结果的标准；二是强调工业界与教育界的有效对接。工程教育认证标准也明确规定学生的毕业要求，对于金属材料类专业的学生，除了要求掌握材料工程知识、具备问题分析和研究的能力之外，还特别要求学生具有独立思考能力与创新意识、团队协作意识和能力以及沟通和交流能力。然而，我院材料科学与工程专业以前的培养计划更多注重学生的工程知识灌输和技术能力的提升，实践的课程偏少，而且对于沟通、团队合作等方面重视和体现不够。同时，认证强调专业人才培养结果导向，要求培养计划将学生毕业要求分解对应到相应课程上去，并在课程教学中有效实施。因此，我院根据工程认证的要求和专业课程的特点，首先对本专业的培养计划做了一些修订。其中，比较重要的修改之处就是将原来的专业选修课金属功能材料变为专业必修课，相应地增加教学课时数，并新增实验教学课时。

金属功能材料是学生了解当前各种先进功能材料的一门重要课程，该课程涵盖了多种功能材料的研究现状和发展趋势，以及相关基本原理、材料种类、特点和应用。这门课程有助于学生拓宽专业知识面，同时加深对金属材料专业的认识和应用，并在实际中能够解决相关应用问题。笔者作为本门课程的负责人，如何根据工程认证的要求建设好这门课程，使得学生真正受益，成长为一个动手能力、创新能力和团队协作能力强的工程师，成为当前的一个重要任务。本文从分析这门课程的现状和主要问题入手，提出相应解决措施，并指出初步的实践效果。

1 金属功能材料课程现状及存在的问题

功能材料是相对于结构材料而言，它是指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学等功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的之高技术材料[3]。在工程领域中占主导地位的曾是以钢铁为代表的结构材料。随着科技的发展和进步，微电子工业、新能源、海洋技术、生物和医学工程等高技术产业迅速兴起并飞速发展，在国民经济中占据了日益重要的地位。而功能材料则是支撑这些高技术产业的重要物质基础。因此，功能材料在近几十年来得到日益广泛的重视，功能材料的品种越来越多，功能材料的应用范围越来越广，对人类的社会发展和物质生活有着重要的影响。因此，在材料科学与工程专业开设金属功能材料这门课程是十分有必要的，可以让学生毕业后胜任与功能材料相关的高技术产业工作。然而，从近十年的教学经验来看，其开课效果并不理想，还存在诸多问题，远远达不到工程认证的要求，主要体现在以下几点。

1.1 内容繁多 教学方式单一 学生学习兴趣普遍不高

功能材料发展迅速，已有几十大类，十万多种材料，而且每年都有大量新品种问世。因此，本课程涉及的学科多、信息量大、内容繁杂，而且系统性不强。诸如，导电功能材料和磁性功能材料涉及物理学的导电理论和磁学理论；能源材料和催化材料涉及化学领域的电化学和催化理论；而生物医学材料则涉及医学和生物学领域的组织工程知识。由于学时有限，不可能每种材料都进行较为深入的介绍，基本上都是浅尝即止，而且教学方式主要以课堂教学为主。因此，想要较好理解学习的内容，对于学生知识背景和课外阅读能力要求较高，学生学习兴趣普遍不高。加之，本课程为专业选修课，学生以拿60分为目标，其学习积极性和主动性也普遍不高。

1.2 任课教师的研究领域相对狭窄且背景专业单一

本课程涉及领域众多，要求的基础理论知识广。然而，本课程的任课教师只有一人，且他的研究领域相对集中，所掌握的基本理论和专业知识相对有限，只对他所研究的领域十分熟悉，而对其他研究领域只是一般的了解。如果让他对熟悉的功能材料进行介绍，他可以很好地理论联系实际，并与自己研究项目相结合，可以将此种功能材料的基本理论、研究现状和发展趋势、实际应用，深入浅出地进行介绍。然而，对于其他种类的功能材料，他必须花费大量精力去备课，可能也只能做到将课本知识转述给学生，很难生动讲授相关内容并提高学生的学习兴趣，实际课堂教学效果并不佳。

1.3 实验内容缺乏

本课程主要内容包括各类金属功能材料的基本原理、材料种类和特点及其应用的讲解介绍，并不包括实验教学内容。然而，实验课程恰恰又是对于学生进行实际问题解决、团队协作和创新能力培训的最重要途径之一[4]，这也是工程教育认证所着重要求的。实际动手参与实验与所看、所听的知识差距很大，没有相关的实验教学，学生对于知识的理解只是停留在字面上。诸如，形状记忆合金获得双程记忆效应需要对其进行训练处理，采用的方法有应力诱发马氏体法，即在母相态对形状记忆合金施加变形。但如果学生不真正进行实验操作，还是不会理解其中的含义。这也是造成学生对此课程学习主动性不高、学习兴趣不浓的主要原因之一。

2 课程建设的内容与改革措施

2.1 强化任课教师队伍

根据金属功能材料课程知识涉及的学科和背景领域众多的特点，并针对之前任课教师研究领域相对有限的缺点，我们开创性地对任课教师队伍进行成倍的扩充。将不同专业背景和不同研究领域的任课教师纳入到教师队伍，由之前的1名主任课教师，改成为现在的6名任课教师，包括3名主任课教师以及3名实验负责教师。他们的专业涵盖材料、物理、化学、电化学等，研究领域包括形状记忆材料、医用金属材料、磁性材料、能源材料和电催化材料等，这基本上与课程所涉及学科和领域相一致；并且他们在各自所从事的领域具有丰富的基础和应用研究经历，对其专注的功能材料的基本原理、种类和工程应用相对熟悉。他们可以系统地向学生讲授一种功能材料的由来、发展历史、现状和将来发展趋势，最重要的是可以熟练向学生介绍这种功能材料的实际应用和制备手段，设计开放性实验并指导学生动手完成。这将极大地提高学生的学习兴趣和积极性。

2.2 精选教学内容 改革教学方式

金属功能材料课程涉及的材料种类繁多，讲授内容较多，但授课学时数相对有限，只有48学时。因此，根据任课教师的研究领域和本地产业发展特点，将讲授内容重点定为：导电材料、半导体材料、磁性材料、储氢材料、形状记忆材料、电池材料等。每位任课教师讲授1～2种功能材料，每种功能材料6个学时，着重把教学内容与实际生产和日常生活相结合，列举一些学生在日常生活中容易接触的东西或者实际生产遇到问题，诸如，三星Note7手机充电时发生燃烧爆炸的原因，就是企业为了提高手机电池的容量，将锂离子电池隔膜减薄，由于工艺不稳定导致正负极短路所致。通过这些生活常识和实际生产问题，使学生了解功能材料无处不在，作用巨大，正确使用可带来丰厚利润，错误理解可导致企业损失巨大，从而增强学生对本课程学习的积极性。

在课堂教学中以教师为主导，除采用传统的板书和投影教学之外，还可以将现代教学手段如Flash动画、视频等充分引入课堂，把一些抽象的理论和原理以更直观、更形象的动画方式展示出来，学生容易理解。同时将一些实际生产过程采用视频讲解方式，让学生提前了解功能材料的生产和应用过程，产生浓厚兴趣。例如，讲解锂离子电池的工作原理，可使用一个简短的Flash动画，既深入浅出，又形象生动。又如，播放一个锂离子电池从电极材料混料到最后组装成完整电池的视频，并配以解说，胜过阅读任何教材。对于主要讲授的6种功能材料，采用课堂教学方式。

传统的课堂教学师生互动交流较少，学生的沟通能力和团队协作能力很少得到锻炼。因此，我们也积极改进教学方式，将启发式、讨论式教学方式引入课堂，增大讨论课的比例，剩余12学时全部用于课堂讨论课。功能材料众多，除了重点讲授的6类功能材料，其他的新型功能材料，诸如超导材料、激光材料、发光材料、光纤材料、热电材料、压电材料、光电材料和隐身材料等，让学生自己上台讲解。引导学生主动参与课堂教学，提高学生的主动性和积极性。

2.3 设计创新性和开放性的实验内容

通过实验可以加深学生对理论知识的理解和掌握，使学生熟练掌握功能材料制备方法、仪器和设备使用、结果分析等研发工作的程序和规律，从而可以训练学生的研究、学习和解决实际问题的能力。根据工程教育认证的要求，我们增加了16学时的实验课程，设计了4个实验内容，包括车载电解水装置及电极材料的设计与优化、超弹性医用管道支架的设计与制备、软磁材料的设计与制备、基于Sn负极材料的锂离子软包电池设计与电动车应用实例等，实验设计基于的原则是创新性、开放性、探索性、实用性、团队协作和可完成性。学生以6～8人为一组，4个实验只选择其一完成。

以车载电解水装置及电极材料的设计与优化实验为例，说明具体的做法：该实验基于任课教师的实际横向项目，原型产品已经基本研发完成，并有相关的测试数据，其中关键的部件为电催化功能材料。学生需要完成的内容包括：(1)对已有的车载电解水装置拆解，了解电解水装置的工作原理、各部分设计细节和电极材料种类；(2)查找资料和小组讨论，提出更为优越的装置设计方案和电极材料选择，优化各组件设计和选择购买电极材料，并绘制成加工图和三维装配效果图，评估其可行性、经济性；(3)对所购买电极材料的成分、微观组织和性能进行表征；(4)加工制作各部件，并装配成完整装置，并测试其性能；对整套装置的经济性、加工性、产气性能进行整体评估；(5)将整个实验过程汇总成课程报告，并制作PPT和上台讲解。由于这个实验是基于任课教师的原型产品，学生将其拆解后要提出1～2处的改进之处，没有限制，或是结构设计或是电极材料选择，这体现该实验的创新性和探索性；同时，该实验只是在原型产品上微小改进，而且该产品也已经投入市场，因此学生肯定能完成该实验，且完成的产品具有实用性，这会极大激发学生的学习热情和积极性。而且，该实验需要学生采用CAD和Solid work等软件绘制三维加工图和装配图，这也是现在学生所热衷完成的工作，提高学生的积极性。该实验还具有一定的复杂性，需要团队分工协作，有人查找资料，有人设计加工，与加工师傅沟通确定方案的可行性，并购买电极材料；有人负责表征材料和测试性能，并汇总所有材料完成PPT汇报和课程报告；所有成员紧密合作才能按期完成实验。因此，该实验也很好地训练了学生的团队协作能力。通过一学期的尝试，所有的学生对这种开放性实验给予高度评价，有的学生甚至评价“这门课是他在大学四年里，上过最有收获的一门课程”。这充分表明增加这些实验内容的必要性，并很好地满足工程教育认证的要求。

3 结语

工程教育认证不仅是工程技术人才跨国流动的需要，是我国高等教育的必然趋势；更重要的是，工程教育认证还肩负着推动工程教育改革的重任。本文在工程教育认证的背景下，结合我校材料科学与工程专业中金属功能材料课程的现状和存在的问题，进行重新建设和改革探索。强化教师队伍，优化教学内容，改进教学方式和手段，最重要的是增加开放性和创新性实验内容。激发学生的学习兴趣，提高了学生的主动性和积极性，增强了同学之间的团队合作意识，培养学生的创新能力、沟通能力、解决实际问题能力，从而最终为国家培养出企业认可、国际认证的工程师奠定基础。

参考文献

[1]万玉凤,柴葳.中国高等教育将真正走向世界[N].中国教育报,2016-06-03.

[2]工程教育认证标准(2015版)[EB/OL].中国工程教育专业认证协会网站http://www.ceeaa.org.cn.

[3]《功能材料及其应用手册》编写组.功能材料及其应用手册[M].北京:机械工业出版社,1997.

[4]刘桂香,曹林洪,温建武,李延波,工程教育专业认证背景下功能材料专业实验教学内容改革初探[J],大学教育,2017(3):36-37.