基于工程教育专业认证的《功能材料专业课程设计》教学探索

王辅，吴浪，李秀云，李鸿波，代波

（西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳）

一 引言

功能材料有几十大类，十多万种，且国内外每年都有大量新型功能材料问世，发展非常迅速，新工艺也层出不穷[1]。在国家新兴产业结构调整下，高校除了与材料相关的专业有开设《功能材料》课程外，功能材料专业也应运而生，是国家特设专业，也是多学科领域的跨学科专业[2-4]。西南科技大学于2012 年将材料科学与工程专业下的电子信息材料方向发展为功能材料专业，并以独立专业的方式招生至今。其专业特色为以电子信息材料及元器件为特色，培养学生运用新材料技术原理进行电子材料与元器件生产、应用研发的能力。开设该专业的最初的培养目标是：以国家战略性新兴产业发展对材料的需求为导向，培养具有良好的思想品德与人文社会科学素养，具有坚实的自然科学基础和功能材料专业基础知识，具备功能材料设计、制备、性能、应用开发等方面的基本理论和基本技能，具有较强的工程素质、实践能力、沟通交流能力、创新创业意识，德智体美劳全面发展的复合型高级技术人才。为了适应社会的发展，根据基于成果导向教育模式（OBE）理念和工程教育专业认证的要求[5]，功能材料专业培养方案及课程体系较成立之初有较大的持续改进。其中一个重要方面就是加大培养学生的工程实践能力和创新能力。鉴于此，近几年，各高校功能材料专业在课程体系中增加了《功能材料专业课程设计》这门实践类课程[4]。

在教学过程中，课程设计与工程应用结合最紧密，其课程内容和教学方法就尤为重要[6-7]。在传统意义上，课程设计是在一定目标要求下，将专业课程的理论知识内容应用在具体的工业实践中，是高等学校培养学生工程实践能力、创新意识和创新能力的重要课程[8-10]。课程设计的内容丰富[7，10，11]，作为一个“年轻”的专业，各高校在这门课的课程内容上各自都有自己的特色和重点，教学方法和手段也不尽相同，目前还无比较一致的看法。截至2021年，我校功能材料专业的该课程的课程内容、教学方法和教学手段已经历了两学年的实践探索。本文系统的总结并探讨了该课程在这两学年的实践探索方面的经验和积累，以期能为国内开设功能材料专业的院校有启迪与借鉴作用。

二 课程简介

我校《功能材料专业课程设计》是一门专业必修实践类课程，与认识实习、毕业实习、课程实验、综合实验和毕业设计（论文）共同构成专业教育平台下的集中实践环节类课程。课程的设置学分为1学分，全部16 学时均为实践学时。其课程目标为：通过本课程的学习，使学生具备下列能力：（1） 能够自主查阅科技论文和相关资料，综合运用功能材料相关基础知识，优化设计制备某种功能材料的方案或优化设计某种功能器件；（2）能够规范地编写设计说明书，正确分析设计的可行性，并具有团结协作意识，分析、总结问题的能力，具备一定的科学思维。两个课程目标分别支撑的两个培养方案指标点（知识与能力要求）为：（1）能够根据器件应用和工程要求进行材料优化设计和工艺设计等，并体现创新意识；（2）能运用合适的软件或理论模拟和预测材料设计、制备、生产中的相关参数，并能理解模拟和预测的局限性。对两个指标点的支撑权重值各为0.2。课程以增强工程意识为出发点，强化课程思政教育，有效融入课程思政元素，提高学生的分析问题和解决问题的能力，使学生通过该课程的学习，初步能够设计满足特定需求的功能材料及工艺流程，并在设计过程中体现创新意识，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

三 课程主要内容及基本要求

（一） 课程设计题目的选择

学生可以从大纲规定的题目中选择一题作为课程设计的题目；题目也可以自拟，经指导教师审核同意后作为课程设计的题目，一人一题。

在教学大纲中供学生选择的题目有：×××电介质陶瓷材料的制备；××× 半导体材料的制备；××× 磁性材料的制备；××× 绝缘材料的制备；××× 导电材料的制备；××× 光电材料的制备；×××陶瓷电容器材料的制备；×××电阻器材料的制备；×××电感器材料的制备和×××电池材料的制备等。以上“×××”代表某类功能材料体系，由学生结合大学阶段所学的专业知识，根据自己的兴趣自拟，同时企业导师和本科生导师参与题目的拟定，并全过程指导课程设计。所有拟定的题目需由指导教师审核和讨论后确定。

（二） 课程设计内容

所有课程设计须包含以下内容：所选题目涉及领域的应用背景及国内外发展现状；本课程设计拟解决的问题及预期达到的目的；设计的方案和总结。设计方案需包含以下几点：（1）选用的原材料及其性状说明；（2）需运用仪器设备及说明；（3）工艺流程及说明；（4）需采用的成分及微结构分析手段（仪器）及说明；（5）需测试的物理化学性质及测试方法说明。

（三） 课程设计基本要求

课程设计采取以学生自学、自行查阅资料和设计方案为主，教师辅导相结合的学习方式，完成课程设计任务书规定的内容，并规范地编写出课程设计说明书。课程设计的基本要求为：（1）查阅国内外相关文献资料、学位论文及书籍，详细了解所选功能材料的国内外研究现状、发展方向等；（2）设计满足某性能指标的该功能材料的制备方案，并画出设计制备方案的工艺流程图；（3）所选材料、工艺参数要有合理的论证、比较和说明；（4）撰写《课程设计》设计说明书。课程设计的其他要求为：（1）在查阅相关文献的基础之上，确定具体设计或制备方案要有依据；（2）绘图规范、清晰、整洁、正确；（3）要求与课程设计有关的主要参考文献阅读数量不少于10 篇；（4）严格遵守作息时间，按时完成毕业设计阶段各项工作；（5）按课程设计撰写规范撰写出完整的课程设计说明书、并打印提交。

课程设计说明书的内容包括：设计说明书封面（题目）、任务书、学生日志与师生见面情况表、课程设计考勤表和评语表、成绩评分表、摘要和关键词、目录、正文、总结和心得体会、致谢和参考文献。其中正文内容至少包括四个章节（不强制要求章节按四章划分，但应至少包含以下四章的内容）。第一章为绪论，描述所选功能材料的背景、国内外研究现状、材料结构和性能等基本物理化学性质等以及设计依据；第二章为满足某性能指标的功能材料的制备方案设计，学生根据所学习的专业知识，设计所选功能材料的制备方案，使其能达到任务书规定的性能指标，且设计的制备方案所选原材料、设备、工艺参数等都要有合理的论证、比较和说明，有依有据；第三章为设计的制备方案的工艺流程图，要求绘图规范、清晰、整洁、正确。第四章为预期结果和可行性分析，要求学生合理分析设计方案所达到的预期结果，并根据所学专业知识详细地分析其可行性。

四 教学方法

（一） 教学过程

教学采取线上线下结合的方式进行。首先集中为学生讲解课程的基本信息、题目选择、主要内容、基本要求和成绩评定方式等，并建立网络学习平台（如钉钉班级群），给予学生一周左右的时间选题，确定好题目后，通过学习平台发给指导教师审核，审核通过后企业导师、本科生导师和指导教师共同下达课程设计任务书，任务书的内容至少包括：（1）查阅国内外相关文献，详细了解所选功能材料的背景、国内外现状；（2）介绍所选功能材料的研究背景、国内外现状，并详细比较几种制备该功能材料的原料选择、制备方法、配方改进或性能优化方法的优缺点，确定达到的性能指标；（3）设计出合理的满足规定性能指标的该功能材料的制备方案；（4）画出制备的详细的设计工艺流程图；（5）分析设计方案的可行性，并写出总结及心得体会。任务书确定后，开始计算课程设计的课时，进入课程设计内容。在学生做课程设计的整个过程中，要求企业导师和本科生导师全程参与。此外，指导教师选定一个场所，作为答疑地点。学生遇到任何问题，可以通过网络学习平台或者到答疑地点请指导教师解答。教师也通过网络学习平台，实时监督并指导学生的进展情况，掌握并把握好课程设计进程，并及时纠偏。学生课程设计说明书初稿编写完成后，同学之间必须相互讨论、互改，然后提交给指导教师进行一对一修改指导，最后定稿、打印、签字并同时提交纸质版和电子版说明书。所有课程设计及指导过程均需做好记录，写入课程设计说明书中的师生见面情况记录页。

（二） 课程思政

在教学过程中，该课程充分融入课程思政内容，思政元素和思政目标与教学内容和教学环节的对应关系如表1 所示。

表1 《功能材料专业课程设计》课程思政

（三） 成绩评定

综合学生在课程设计中的表现和提交的课程设计说明书质量评定学生的考核成绩。考核成绩实行结构评分，按百分制给出最终成绩，其最终成绩评定方法如表2 所示。

表2 《功能材料专业课程设计》学生成绩评定标准表

五 教学效果

（一） 课程目标达成情况

总体上，学生提交的课程设计说明书比较规范，达到了指导教师的预期效果。在内容上，学生能够在自己查阅文献资料的基础上，了解和掌握所选功能材料的背景、现状及基本性质，然后结合所学专业知识，通过原材料选择、制备方法优劣、配方改进或性能优化方法的比较和论证，设计出了满足一定性能要求的该功能材料的合理制备方案，画出了工艺流程图，预测达到的效果，并进行合理的可行性分析，且所选原材料、工艺参数有相关的合理论证、比较和说明。根据课程2020 年的考核情况，课程目标1 的达成度为87.7%，课程目标2 的达成度为83.8%，课程总体达成度85.7%，完成了课程目标的达成，达到毕业要求规定的指标值。

（二） 教学反馈

按所设计的教学方法，学生学习本课程后，通过问卷星对学生学习效果进行了调查。问卷设置了三个单选题，分别为：（1）您对本课程的教学目标与知识、能力培养要求了解的程度；（2）通过本课程的学习，您的收获情况；（3）您认为学习《功能材料专业课程设计》对毕业后工作或继续学习的帮助情况。2017 级我校本专业学生共41 人，参与调查的学生有35 人，调查结果如图1 所示。结果显示，通过本课程的学习，77% 左右的学生对课程的教学目标与知识、能力培养要求的了解程度达90%以上，其余学生也能达75～89%。这说明，所设计的教学方法可以让学生很好地了解和掌握课程目标及培养要求。另外，97% 的学生认为通过该课程的学习，可以为本科毕业设计（论文）打下坚实的基础，且97% 左右的学生认为该课程的学习对毕业后工作或继续深造的帮助很大或较大（分别为65.71%和31.43%）。其原因主要为课程设计的说明书编写参照了《西南科技大学毕业设计（论文）撰写规范》，通过学生自己查阅资料，让学生结合大学期间所学的所有知识，以学生为中心，指导教师为辅的教学方式，解决设计过程中遇到的各种问题，设计满足性能要求的某种功能材料的制备方案，不仅锻炼了学生的工程实践能力和创新能力，还规范和提高了学生的写作能力。

图1 《功能材料专业课程设计》问卷调查结果

此外，调查还设置了两个主观问题，以调查学生对本课程学习的总体评价（包括学习目的、学习态度、学习效果等）和建议/ 意见。在总体评价方面，调查显示，学生认为课程的学习目的明确，态度良好，效果较佳；辅导模式较好；通过课程设计，从文献查阅、作图、到论文格式的修改，都有了很大的提升，对格式规范性有更强的意识，对毕业设计（论文）写作有较大用处；提前了解到了相关的工艺流程，产品性能，装置使用和注意事项等；掌握了论文书写格式和叙述顺序。通过过程监控，学习态度变好，学习目的变强。但也部分学生认为自己的学习态度可以更积极些。在建议/ 意见方面，学生认为课程设计的时间较为紧张，导致设计方案未能充分周全考虑；在细节上，认为可以在专业课程开设作图软件的训练课程，避免画工艺流程图吃力且作图不规范；适当延长课程设计时间，在刚开始的时候给往届学生的课程设计说明书样文做参考，有利于具体地了解课程内容和说明书规范；加强网络或平台过程监控。

（三） 教学反思

经过查阅资料、讨论、编写说明书、画工艺流程图等环节，学生学到了不少以前理论课程中未涉及到的知识，提高了学生利用网络工具和数据库查阅、分析和总结学术资料的能力，提升了学生综合分析问题能力和实践能力，学生基本能综合运用功能材料相关基础知识和查阅资料，设计某种功能材料制备方案。通过编写说明书，提高学生的技术文件整理、写作及语言表达能力。通过两年的实践，仍然后诸多不足，总结如下：（1）课程时间紧迫，仅有一周的时间，而设计需要学生综合应用《材料科学基础》《材料合成与制备》等多门专业基础课程的相关知识，这些知识通常贯穿了大学所学的大多数课程，需加以融会贯通才能顺利进行；（2）指导教师需加强在课程设计进程中利用网络平台进行过程监控；（3）课程设计的教学内容应加强与工程应用方面联系，以提高学生的工程意识。大多数学生的设计方案只从理论上进行了设计，且局限于实验室小批量的制备方案，学生的实际操作和工程制备考虑较少；（4）需进一步加强工艺流程图的规范性和合理性、制备方案的可行性分析的指导；（5）虽然企业导师和本科生导师也参与了课程设计的指导，但具有丰富工程经验的企业指导教师的参与度还应加强。

六 结语

本文阐述了基于OBE 理念的《功能材料专业课程设计》的课程目标、教学内容、教学方法和过程的探索，以及课程目标达成情况、教学反馈和教学改进意见。我校《功能材料专业课程设计》包括选题、任务书的下发、文献调研、比较论证、制备方案设计、工艺流程图的绘制、预期结果和方案的可行性的分析、课程设计说明书的编写等内容，根据课程考核和学生反馈情况，本课程的教学内容和教学方法能很好的支撑课程目标，达到毕业要求规定的指标值。本课程的教学理念，强化了学生应用能力和创新意识的培养，有效地融入了思政元素，满足了基于OBE 理念和工程教育专业认证的要求，有利于培养出竞争力强的应用型和创新型技术人才，更好地为我国经济发展服务。