项目驱动的专业实践课程体系反向设计

吴修胜,曹菊芳,王爱国,张高展,刘开伟,徐海燕

(安徽建筑大学 材料与化学工程学院，合肥 230022)

工程教育认证是当前教育部为监控和评估高等教育质量的积极推进的一项重要工作。越来越多的高校意识到对促进专业建设具有重要作用，并积极投入相应的认证工作。专业认证提出的“以成果导向”教育理念(OBE)正越来越受到重视，并得到推广和运用。成果导向型教育(OBE)是一种以学生成果为导向的教育理念。它的实施原则是关注学生的学习成果，为每个学生提供获得学习成果的机会，扩大对学生的期望以及反向设计教学过程[1]。逆向设计课程是实现成果导向的重要保证，从教学目标设计出发，让学生从被动接受改为主动探索发现，成为学习的主宰[2]-[3]。它的想法与CDIO工程教育的理念高度一致(C代表构思(Conceive)、D代表设计(Design)、I代表实现(Implement)、O代表运行(Operate))。CDIO教学模式以项目为载体，让学生以积极心态，紧密联系实际，学习理论知识，并在项目实施过程体验当前企业解决实际工程问题的过程和方法，从而达到工程训练的目的[4]-[5]。“省级质量工程项目-卓越工程师计划”资助下，我校无机非金属材料工程专业自2011年开展基于CDIO工程教育理念人才培养模式改革，实施基于项目制的教学模式。结果表明采用CDIO项目式教学方法,对提升学生解决复杂工程能力大有益处，可以有力支撑毕业要求的达成。2016年我校无机非金属材料工程专业顺利通过教育部工程教育认证。本文就我校如何基于OBE的理念反向设计专业实践教学以及实施情况进行论述。

1 复杂工程问题及需具备的能力界定

基于OBE的理念进行反向设计首先需要明确我们想让学生取得的学习成果是什么，通过这些学习成果累积学生能够达到预期毕业要求是什么。工程教育认证标准对本科毕业生达到的毕业要求作了规定并强调工程问题的复杂性[6]-[7]。根据工程认证专家的意见，结合安徽建筑大学人才培养定位和无机非金属材料工程专业培养目标和行业特色，专业多次组织相关专家充分研讨后，确定了体现我校无机非金属材料工程专业特色的毕业要求以及对其中本专业涉及的 “复杂工程问题”和学生为解决复杂工程问题应具备的能力进行了界定。其毕业要求与专业认证通用标准完全对应。本专业复杂工程问题的复杂性主要体现在四个方面：以提升材料性能为目的，对材料组成、结构、制备与加工工艺方面的研究；设计或开发满足特定工程需求的材料；材料服役环境下性能预测以及设计符合要求的材料工艺系统或关键设备部件。这四个方面问题具有专业认证通用标准所规定的“复杂工程问题的特征”。首先，上述问题均来自无机非金属材料工程相关领域工程实际问题；其次，上述问题的解决需要采用深入的材料科学与工程原理分析后才能得以解决； 再者，上述问题涉及材料设计、生产、工艺设计、工程应用等多个方面，不同方面可能还存在相互影响和冲突；最后，这四个方面的问题需要综合运用多门课程涉及的理论和知识方能解决。围绕上述四个方面复杂工程问题，本专业界定培养的学生能力特征应包括以下几个方面：(1)能够结合工程实际通过观察自行提出问题的能力；(2)能够通过实地调查、文献查阅，对提出的问题进行独立分析的能力；(3)能够综合运用材料科学与工程原理和相应技术进行工程设计和现代工具进行工程实践的能力；(4)能够在工程设计和工程实践中与他人进行有效交流和合作，具有社会意识、环境意识和创新意识。

2 专业实践课程体系的反向设计

2.1 传统专业实践课程设置的局限性

传统专业实践课程概括起来主要存在以下不足：一是对实践教学重视程度不够，实践投入不多；二是实践教学环节缺乏设计，对课程设计、专业实验、专业实习、毕业论文等环节仅从人才培养教学完整性角度考虑予以开展。以材料专业实验为例，开设的实验往往较为陈旧，不能反映最新科研成果，也不能贴近工程实际，以验证性实验为主。学生工程实践能力得不到锻炼，从毕业要求达成角度也是实现的；三是实践课程评价机制不健全。课程评价往往就是简单基于学生实践报告进行评定，缺乏对过程跟踪。

2.2 专业实践课程改革思路

提升运用工程原理解决复杂工程问题的能力是当前工程教育亟待解决的问题。专业实践课程是承担这一任务的重要载体。为实现这一目标，有必要对原有专业实践课程进行整合和重新设计。 因此，有必要根据毕业要求和定义复杂工程问题的标准来确定应提供哪些实验和实践课程，即哪些课程需要提供实验，哪些课程需要配备课程设计，哪些课程需要配备课程设计。需要提供实践培训项目，并确定每个实验的时间、课程设计、实践培训和特定的实验内容。一句话,需要根据OBE理念反向设计教学环节。

CDIO工程教育模式作为国外众多高校近些年研究的一种人才培养模式，在国内也受到许多高校关注。其核心以产品全周期方式设计整个培养环节，通过构建理论课程与实践课程一体化课程体系，让学生能够以积极实用的方式学习工程，并培养学生的工程知识掌握能力、终生学习能力和团队沟通能力以及在社会企业背景下构建产品，过程和系统的能力[4]-[5]。杨毅刚等人从专业认证和CDIO模式的发展愿景、价值理念、目标、实施思路、实施方案、评估评价体系和改进体系等多个方面进行深挖细剖，比较分析两者的异同点，认为实施CDIO工程教育模式对专业认证有很好的促进作用[8]。从我校实施效果来看，事实也是如此。我校无机非金属材料工程专业自2011年基于CDIO工程教育理念对课程体系进行优化，重点对专业实践教学进行了设计，取得了较好效果。

2.3 专业实践课程体系的构建

CDIO工程教育模式通过项目制教学活动，让学生在学习理论知识的同时开展项目研究，认识工程并提高解决复杂工程问题的能力。图1为我校无机非金属材料工程专业基于CDIO理念构建了所示的理论教学与实践教学一体化课程体系。通过设置 “材料科学基础综合实践”、“水泥基材料综合设计”、“材料工程设计”以及“建筑节能围护体系设计”四个综合性实践项目，让学生把所学的知识转化成工程实践能力。项目从工程实际出发，体现专业特色，强调工程问题的复杂性。通过项目的实施使学生在掌握材料科学与工程基本原理的同时，提高分析问题和解决问题的能力。同时在项目实施过程通过成员间相互合作培养团队协作意识，交流表达能力，真正让学生解决复杂工程问题的能力得到提升。

图1 无机非金属材料工程专业一体化课程体系

3 基于 CDIO 工程教育模式的教学正向实施

3.1 项目教学大纲的编写

教学大纲作为指导课程教学的纲领性文件，在教学活动中起着指挥棒的作用。课程教学大纲编写要求在制定符合自己学校办学特色的毕业要求并分解细化各指标点基础上编写。根据毕业要求指标点明确有哪些课程加以支持，在此基础上确定课程目标以及采取哪些措施确保目标达成。本专业在确定毕业要求和界定专业复杂工程问题的基础上，反向设计了相应专业实践课程并编写了相应课程项目大纲。下面以我校无机非金属材料工程转业毕业要求4为例。毕业要求4研究：能够基于材料科学与工程基本理论并采用合适研究方法对材料性能改善、新材料设计与开发过程

中的复杂工程问题进行研究，包括方案设计、数据采集与分析、并通过信息综合得出合理有效的结论。该毕业要求利用《材料科学基础》、《材料研究方法》、《材料物理性能》以及《无机非金属材料工艺原理》等原理对材料性能改善、新材料设计与开发过程中的复杂工程问题进行研究。据此反向设计了“材料科学基础综合实践”这一项目并确定该项目为强支撑。为进一步指导项目的开展，我们还对毕业要求进行了指标点分解。基于分解的指标点，对项目的课程目标进行设计：(1)能够进行文献查阅获取有关材料设计、生产、性能及应用等相关方面知识并利用这一知识对材料组成-结构-性能-制备相关问题进行分析；(2)利用材料科学与工程基本原理进行方案设计，并考虑经济、环境等方面因素；(3)能够利用现代工具和手段安全有效开展实验；(4)能对实验数据进行收集整理并加以分析并得出有效结论；(5)通过对成果的总结培养交流表达沟通能力和团队能力(包括在团队中扮演个体、骨干、领导等角色时应具备的能力)。表1为部分课程目标与毕业要求指标点对应关系。表2为各阶段考核方式。每个阶段均制定了评分细则。据此按教学进度安排就可以进行教学组织，并根据项目实际运行结果撰写课程总结报告，用于持续改进。

表1 课程目标与毕业要求4的对应关系

表2 “材料科学基础综合实践”课程考核

3.2 项目的组织实施

以《水泥基材料综合设计》这一项目为例。在没有改革之前，围绕《胶凝材料学》、《混凝土学》仅开始了土木工程材料这一验证性为主的实验课程。而改革后，通过对相关课程进行整合，以课程核心知识点为基础，以提升解决土木工程中涉及到水泥基材料实际复杂工程问题为目标，设置若干有关材料课题，学生组队参加。图2为某组学生参加项目后成果展示。通过这样的项目开展，有力的调动大家学习的热情，解决工程问题能力得到了提高，对毕业要求的达成起到了积极支撑作用。表3为项目制教学活动在不同阶段设计对毕业要求的支撑情况。

3.3 项目实施条件保障

本专业自2011年实施基于CDIO工程教育理念项目制教学活动以来，主要从三个方面加强建设，已保障项目的成功实施。一是师资队伍建设。提高学生解决复杂工程的能力，对师资队伍工程化背景提出了较高的要求。为满足项目顺利开展，近年来，通过与企业开展合作研究、聘用技术人员、选派青年教师到企业挂职等多种措施不断提高项目教学团队的工程实践能力。二是校内外实践基地建设。实践基地是实施项目制教学的载体，拥有较完善的实践基地是顺利开展项目的基础。为此，一方面需加强对现有校内实践教学平台的整合，另一方面利用学校与企业产学研的合作基地，加强与企业的合作，积极拓展实践教学渠道。现已建成“材料科学基础实验室”、“材料工程基础实验室”、“材料物理性能实验室”、“材料分析与表征实验室”、“材料科学与工程开放实验室”以及“土木工程材料实验室”。对于校外实践教学基地，充分参与企业的实验室和科研基地建设，通过为相关企业提供技术指导来获得他们对我校实践教学改革的支持，弥补校内部分实验条件的欠缺。同时师生通过利用企业的平台和和企业技术人员的交流，也能接触到实际工程中遇到的技术难题，提高解决实际问题的能力。三是制度建设。首先加强了课程标准化建设，对课程大纲、教学活动设计、过程化管理支撑材料、课程评价报告等均做了相应要求；其次成立了由分管教学院长、专业系主任、资深教授等组成的教学质量评估小组对教学过程实行全面的指导、监控和评估。再者建立了指导教师考评机制，指导优秀的老师在年度考核，项目申报等方面优先考虑。通过上述几个方面的建设，项目开展得到了有力保障。

图2 学生学习成果展示

表3 CDIO项目制教学对毕业要求支撑情况

4 结语

工程教育认证是提高工程应用技术人才培养质量的有力抓手，其目标指向学生解决复杂工程问题能力的培养。开展以项目为引导和主要载体的CDIO教学模式改革，让学生通过工程实践项目收到构思一设计一实施一运行全过程训练，使学生从被动接受转变为主动探索，解决复杂工程问题的能力不断得到提升。文中就我校无机非金属材料工程专业实践教学改革思路和实施效果情况做了介绍。然而，我们也应看到学生解决复杂工程问题能力培养不可能一蹴而就，其培养模式需要不断探索。国内高校材料类专业众多，如何结合自己学校办学定位突出专业特色，开展相关人才培养模式改革以及提升学生解决复杂工程问题能力研究，是从事高等教育工作者继续深入研究和探索的课题。