基于OBE理念的新能源材料与器件专业实验教学探索与实践

赵春霞 周静 顾少轩 杨爽

摘  要：新能源材料与器件是新兴专业，文章从该本科专业的建设背景、现状和发展态势出发，阐述了实验教学改革的必要性和迫切性。并以武汉理工大学为例，简述了该专业立足武汉理工大学材料学科优势，基于OBE理念，围绕具有创新意识、批判性思维和创新能力的卓越人才培养和实践新工科建设的探索。

关键词：实验教学;新工科;OBE;人才培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）18-0083-03

Abstract： New Energy Material and Devices （NEMD） is a new bachelor profession in China. This article briefly reviews the background， current status and developing trend of NEMD. The necessity and urgency of NEMD experimental teaching reform is demonstrated. Taking Wuhan University （WUT） of Technology as an example， the practice for cultivating outstanding talents with innovative consciousness， critical thinking and innovative ability is explored， which is based on OBE concept and Emerging Engineering Education and the advantages of materials science and engineering discipline of WUT.

Keywords： experiment teaching; emerging Engineering education; outcome-based education; talent cultivation.

近二十年來，我国在新能源技术和相关产业方面取得了令人瞩目的成绩，但也暴露出一些发展中的不足，特别是相关高层次专业人才的缺乏[1]。新能源材料与器件专业是由教育部2010年批准在高等学校设置的新专业，旨在适应我国新能源产业发展需要。截至目前，已在华北电力大学、武汉理工大学、合肥工业大学、北京理工大学、同济大学等76所院校开设。

武汉理工大学2012年获批设立新能源材料与器件本科专业，2013年开始在材料类招生。我校该专业的建设思路是，立足材料科学与工程“双一流”学科，围绕太阳能、电化学能、温差能等可再生能源的利用、转化与储存的关键新材料、新技术与核心器件，结合纳米材料与纳米技术、新能源类型及应用等产业发展对专业人才知识、能力、素质的综合要求办学，培养适应我国战略型新兴产业发展需要的高层次科学研究与工程技术人才。

2013年我国成功加入国际工程教育专业认证（简称“专业认证”）互认协议，这是我国高等工程教育提升教育水平、加快与国际接轨的重大契机。我院把握新工科发展机遇，先后完成了5个专业的工程教育认证工作，有效提升了人才培养质量。习近平总书记在2018年全国教育大会上发表重要讲话，深刻阐明了教育在党和国家工作大局中的战略地位，指出坚持深化教育改革创新是新时代教育改革发展的必由之路。

在我校材料类专业综合性实验教学多年累积的基础上，本文就新能源材料与器件专业在实验教学方面的探索与实践进行了总结。

一、新能源材料与器件专业实验教学的现状与存在问题

由于专业开设不足十年，各高校的新能源材料与器件专业建设还处于自由探索阶段，且一般依托本校的办学特点建设此专业，涉及冶金、能动、机械、电子、化工、材料等学科。依托的学科领域不同，该专业的人才培养目标定位也不同，课程体系具有学科交叉程度高的特点。

不论是传统的工科专业还是新兴工科专业，在人才培养中专业实验教学与理论教学都是相辅相成、紧密衔接的，前者一般具有基础性、通用性和典型性，既是课堂理论教学的拓展和延伸，又是学生综合实践能力的载体，对培养大学生的批判性思维、创新思维、协作能力、工程素养等有着重要作用，故在国内外高等院校中均设有必修类专业实验课。

目前高校普遍存在专业实验教学中演示性、验证性实验偏多，学生实际动手操作的机会少的状况，主要受限于经费紧张导致的设备台套数不足。大多数高校的新能源材料与器件专业虽然开设了设计性或综合性专业实验，但基本上是基于现有设备条件或教师专业背景的实验项目，而非基于目标导向的实验教学，且在实施过程中，学生几乎没有实际参与到设计环节，还停留在“照着做”的状态。此外，专业实验教材欠缺也是专业实验教学的短板，且实验教材或讲义内容更新较慢，特别是关于材料合成、成型、工艺、性能检测方面的实验，甚至部分落后于行业技术水平，无法有效激发学生的积极性和创造性，不利于实现创新型人才培养目标的达成。然而，新型材料制备、结构表征和性能测试等设备通常比较昂贵，且需要专门人员维护管理。目前高校普遍存在教学经费紧张，导致设备台套数不足。

二、新能源材料与器件专业实验教学改革的必要性

在我国建设创新型国家和发展新工科的形势下，工程技术类人才培养面临新的挑战，特别是要具备创新意识、创新思维和创新能力。新能源材料与器件专业具有明显的新工科特性，因此专业实验教学是培养本专业大学生批判性思维、创新思维、协作能力、工程素养等的重要环节。它不仅帮助学生把学科基础、专业基础知识融会贯通，强化学生对专业知识的理解与运用，而且在方案设计、过程实施、数据收集与整理、分析与讨论等环节培养学生的科学精神和批判性思维，训练学生的自主能力和协作意识，进而培养学生的综合素质[2-4]。

随着教学改革的深入，专业实验教学逐步成为适应新工科建设不可或缺的重要环节。在新能源材料与器件专业实验教学中，如何把全国教育大会和新工科建设的内涵贯彻到教学思想和教学理念中，把专业认证的核心理念在实验教学内容、教学方法和考核方式中落地，充分发掘大学生的主观能动性和创造性，探索出一条培养基础扎实、专业技术过硬、富于创新创业能力大学生的实验教学途径、实现新能源材料与器件人才培养的可持续发展已成为当务之急。

三、基于OBE理念的专业实验教学改革与探索

（一）把OBE理念贯彻到实验教学体系

成果导向教育（Outcome-Based Education，简称OBE）[5，6]是专业认证的一个核心理念。专业认证就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价[7]，并强调建立人才培养持续改进机制，形成持续改进文化，保证教育质量和教育活力[8]。专业认证的通用标准中要求学生具备问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具等能力。因此，我们在设计专业实验教学体系时，应把“以学生为中心”、“目标导向”和“持续改进”的理念贯彻其中，强调学生能力的培养和目标达成[9]。

（二）构建OBE实验教学体系

基于OBE理念，做好实验教学的顶层设计，构建综合教学体系，是创新型人才培养不可或缺的核心内容。近年来，我院依托本校材料科学与工程学科优势，以材料科学与工程国家实验教学示范中心、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、国家资质检验检测机构——材料研究与测试中心等八个高水平研究基地，开展校内实验实践教学和创新创业训练，构建了人才培养三层次实验教学体系。分别是一级学科基础实验平台，设置学科大类基础实验;二级学科专业基础和专业综合实验平台，设置了新能源材料专业实验室;三级科技创新共享实验平台，是依托上述高水平研究基地设置，包括材料科学与工程基本实验技能培养基地、新材料研究能力创新实践基地、材料工程能力创新实践基地和现代材料分析能力创新实践基地。

（三）设计OBE专业综合实验教学大纲

以我校的“新能源材料与器件制备与性能”专业综合性实验为例，该课程是本专业高年级本科生的必修课，共有5个学分（160学时）。基于OBE理念和课程体系设计，明确本课程的教学目标，围绕教学目标，设置了实验教学内容，使得实验项目和专业知识相辅相成，共同为培养学生解决复杂工程问题能力服务。同时，在教学实施中，将动脑与动手、个人与团队、科学与工程有机地结合起来，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，培养创新意识和批判性思维。

该课程包含15个实验项目，3个主要项目类型，分别是设计研究性、综合性和验证性/演示性（见表1）。其中，综合性和设计研究性实验项目是在新能源材料专业实验室（二级平台）上实施的。该平台是在2014年通过教育部修购专项投入420万建设的[10]。在教学实施中，基于OBE理念改革教学方式和考核方法，通过材料合成、样品制备、结构表征、性能测试、数据整理、结果分析、报告撰写与汇报等环节，使专业实验更趋内容丰富和形式多样，综合训练和培养学生分析和解决问题的能力、批判性思维、创新能力和协作精神。

此外，汲取新能源材料与技术发展的新成果，在三级科技创新共享实验平台上开设了部分验证性和设计研究性实验项目。请科研基地杰出的研究者参与到人才培养工作中，把学术前沿、科研成果、技术手段和大型仪器设备引入到实验教学当中，践行科教协同。例如在燃料电池湖北省重点实验室开设的“质子交换膜燃料电池单电池组装及性能测试”，在材料复合新技术国家重点实验室开设的“自蔓延高温合成”、“放电等离子体烧结”等，把大型科研设备向人才培养开放，拓展学生的科技视野和国际视野，提高学生的学习兴趣和创新思维，提升学生对专业和行业的认知度和认可度。

（四）加强专业实验教学教材建设

当前，本专业还没有普适的专业实验教材或指导书，这与高校依托自身的学科特色、学科交叉、专业规划和发展方向办学有关。因此，新能源材料与器件专业的实验教材建设迫在眉睫。我校立足本校材料学科特点，逐步修订本专业实验教学的教学大纲和教改方案，形成了一部既有新能源材料与器件专业特色、又可面向材料类学生的实验教材《新能源材料制备与器件性能表征》，全文主要包含材料设计与制备、器件设计与组装、性能测试与分析三大部分，包含二十个典型实验项目，从能源的类别、能源的产生与转化、能源的存储与利用、器件设计与组装等几个方面，进行电、热、声、光、磁、电化学等性能的测定、表征和分析，拟于本年度出版。

（五）逐步完善教学质量保障体系

为进一步规范实验教学，提升教学质量，我校先后出台了《关于加强实验教学基地建设和管理的若干意见》和《武汉理工大学关于综合性、设计性实验基本要求的若干意见》等制度性文件，推进小组实验教学，每组2～3名学生，实现人人动手，加强实践动手能力训练。同时，还加大了对“实验室开放基金项目”、“自主创新基金项目”“大学生创新研究训练计划”、“大型仪器操作证书”等本科生科技项目的支持力度，并依托我校特色活动“材料文化节”，搭建了内涵丰富、形式多样的“金字塔”式学生创新创业训练平台。上述人才培养的举措，践行了新工科建设和卓越人才培养的指导思想，有效促进了新能源材料与器件专业人才培养的可持续发展。

四、结束语

我国十二五以来能源结构不断优化，能源科技创新取得新突破，节能减排和环境污染成效显著。部分高校依托自身学科优势，制定了相应的专业培养方案，开展了新能源材料与器件人才培养的探索和实践。其中，作为工科专业不可或缺的实验教学改革直接关系到学生实践能力训练、创新能力培养和综合素质提高。我校创新性的把学科的科研资源优势融入到实验教学当中，構建了人才培养三层次实验教学体系，出台了相关保障制度文件。特别是在基于OBE的课程体系设计、探索高端设备开放、创新创业文化熏陶等方面形成了特色，取得了良好的人才培养效果。当然，在新工科建设和卓越人才培养的大潮下，如何持续开展新能源材料与器件专业实验教学的创新性改革，推陈出新，与时俱进，仍是我们今后努力的方向。

参考文献：

[1]谢海武，严桂林，马俊.新能源科学与工程专业人才培养模式改革问题与对策研究[J].高教学刊，2017（14）：160-161+164.

[2]王贵成，卢章平，刘会霞.基于大工程理念创新人才培养的探索[J].中国高等教育，2007（12）：26-27.

[3]周济.狠抓教育教学质量，办好让人民满意的高等教育[N].高等教育报，2004-10-27（1）.

[4]刘克江，张树玉.大学生科创能力培养开放式实验体系的探索与实践[J].高教学刊，2018（11）：25-26+30.

[5]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.

[6]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.

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

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

[9]施晓秋.遵循专业认证OBE理念的课程教学设计与实施[J].高等工程教育研究，2018（05）：154-160.

[10]赵春霞，顾少轩，徐庆，等.新能源材料与器件专业建设探索——以武汉理工大学为例[J].教育观察，2017，6（1）：90-91.