工程教育背景下“材料物理性能”课程改革与探索＊

汤金柱

（长江师范学院，重庆 408100）

现今科学技术突飞猛进，新材料、新技术、新理论、新工艺不断涌现，因此社会广泛需求高质量复合型工程人才，要求学生具备全面的基础知识，较强的实践能力、创新能力和终身学习意识。培养符合社会发展需求的工程质量人才是高等教育的根本任务，而工程教育是连接社会需求和高等教育的直接纽带，因此工程教育问题成为现代高等教育研究体系的重点内容。

“材料物理性能”是长江师范学院材料科学与工程和材料化学专业必修的核心理论课程，开设对象为本科二年级学生，是一门理论基础和工程实践密切集合的课程，主要讲解材料的电、磁、光、热、弹性性能等物理性能产生的本质原因和影响因素，是新功能材料研究领域的核心，是材料在航空航天、交通能源、信息通信、生物医疗、机器人等高新技术和产业应用与发展的理论基础。本课程为学生后续专业课程的学习、工程实践以及将来从事功能材料的研究起到重要的理论指导作用。

“材料物理性能”内容融合了材料学和物理学相关知识，具有理论性较强、概念抽象难懂、公式推导烦琐、知识覆盖面广和各章节关联性不强等特点，极易给学生造成枯燥乏味、烦琐冗杂、晦涩难懂等负面学习印象，从而产生畏难和厌学情绪，直接影响教学的进程和效果。本门课程理论知识抽象且繁杂，在教学过程中容易存在理论教学与工程应用相脱节的问题，导致学生不了解实际应用背景，缺乏工程意识和应用理论知识解决实际问题的能力，导致学生容易存在“为什么学”“为谁学”“怎样学”等系列问题。CDIO作为一种国际工程教育范式，被广泛应用于各个国家高校的工程教育改革中，取得了良好的效果，且较容易实现本土化改革，展现出多样性、开放性、包容性和广泛性，对中国工程教育改革具有借鉴意义，成为中国高等教育研究领域的热点。目前关于CDIO教育理念的研究主要集中在教育模式、培养模式和专业体系等方面，针对很多专业和课程提出了较为详细科学的理论分析和实施方案，取得了良好的教学效果。基于此，要求探索适合“材料物理性能”的教学方法，以激发学生学习的兴趣，调动学生学习的主动性，培养学生自主学习能力。

1 “材料物理性能”课程的特点及教学问题

“材料物理性能”作为材料学及相关专业本科生的重要基础课程，主要讲解材料的电、磁、光、热、弹性性能等物理性能的本质、影响因素和作用规律关系，不仅为后续学习、科研和工作提供必备理论基础知识，而且在航空航天、交通能源、信息通信、生物医疗、机器人等高新技术和产业具有广泛应用背景，是一门理论基础和工程实践密切集合的课程[1]。“材料物理性能”讲解了材料物理性能各个本质参数的概念、内涵和意义，阐述了材料的组成、结构和性能间的关系，重点分析了物理性能作用原理、微观机制、变化规律及测试和改进方法，其存在理论性较强、概念较为抽象、公式推导相对烦琐、章节知识关联性不强等特点，给学生的学习造成一定的难度，容易让学生感到学习方法单一、内容枯燥乏味，普遍缺乏学习热情，甚至产生畏难、厌学等心理。而传统教学模式属于以“教”为中心的“注入式”教学方式，学生被动接受知识，难以有效激发学生的学习积极性、主动性和热情，极易导致学生失去学习兴趣。

2 工程教育概述

与科学教育和职业教育不同，工程教育是以工程需求为导向，实践逻辑关系为本，培养能综合运用经济、技术、科学以及人文等多领域知识解决复杂工程问题的人才为目标的教育体系，具有实践性、综合性、系统性和伦理性的独特属性。“以学生为中心”“以成果为导向”“持续改进”是工程教育的三大核心理念[2]。基于工程教育理念的教育模式较多，如CDIO工程教育模式、基于“学习产出”的教育模式、基于“企业需求导向”的工程教育模式、基于“工程问题导向”的工程教育模式和基于“体验式导向”的工程教育模式等。尽管这些工程教育模式存在一定特征差异，但均重点突出工程实践在教学过程中的重要性，重点培养学生的工程专业能力。在教学过程中，要求以学生为中心，尊重学生的需求和爱好，充分发挥学生的创造力、想象力和能动性，自主设计教学内容和教学方法，重点引导学生自主学习、思维方式、团队协作等能力的培养[3]。

3 工程教育背景下“材料物理性能”课程改革策略

3.1 基于社会需求，科学设定教学目标

培养迎合社会发展需求的拔尖人才是高等教育人才培养的根本任务和使命。在设计教学目标时，要以社会需求为导向，尤其是当地企业发展需求人才，基于CDIO教育模式的核心内容，注重工程实践能力和专业知识的并重，突出培养学生的创新能力、实践能力、自主学习能力、交流能力、团队协作能力、思辨能力等综合素质，实现理论知识体系、实践能力体系和人际交往技能体系的有机结合，使学生具备严谨的工作态度、良好的社会道德观和职业责任感，拥有处理工程和科学研究问题的能力，形成终身学习的意识。

3.2 突出工程实践能力培养，科学有效设计教学内容

“材料物理性能”讲述各种物理性能的原理和本质，部分内容较为抽象和晦涩，且章节内容连贯性不强，在教学过程中如果一味地灌输枯燥的理论知识，重理论知识轻工程实践，不仅限制了学生多向思维的发展，而且极易导致学生产生畏难厌学情绪。因此，紧跟科技发展前沿，充分考虑企业需求，尤其是地方特色、优势、急需产业，在教学过程中引入与理论知识相关的生产、工程和科研等实践问题和过程，将理论与实践相结合，以具体实例或项目驱动增强学生对抽象事物的理解，激发学生的学习兴趣和热情，提高学生运用理论分析和解决问题的能力，也有利于形成正确的学以致用、用以促学、学用相长的良性循化。例如，在理解热容、热导率和膨胀系数的定义、物理意义和本质内涵时，可以让学生分析油汀和暖手宝对材料热学性能的需求差异性，并基于热学性能本质和原理引导学生讨论材料的发展方向。

教学内容贴近行业，让学生分析具体工程实践过程对材料性能的需求，创造身临其境的课堂氛围，以增强学生对理论知识理解的深度和层次，从而培养学生的思辨能力和工程实践能力，并基于科学前沿，完善丰富课程教学的内容和深度，以扩展学生视野，提高学生创新能力。如在讲解磁滞回线时引入磁存储材料的发展、研究现状和主要问题，将枯燥的知识内容与实际应用相结合，启发学生学习的主动性和积极性。如在讲解超导体的性能时，着重介绍超导体在能源、交通、电信等领域的应用前景和存在的主要问题，引导学生梳理热、力、电、磁等综合知识；在讲解热膨胀系数、热导率时，引导学生讨论轴承机械部件的安装和拆卸方法。

在教学过程中，作业的布置要多元化，可以要求学生针对章节内容，模拟工程需求情景，并以“工程师”身份自主设计综合实践活动，让学生在完整的工程实践过程中提升工程意识和能力。

3.3 实施课堂教学方式改革，构筑多元化教学模式和考核方案

CDIO教育模式要求明确工程背景需求，用实际需求展现知识的力量和作用，使学生学有所思、学有所得、学以致用。CDIO注重全过程教育，将理论知识和工程实践引入教学过程中，实现了教师和学生的角色转换，教师不再是单方向地灌输知识，而是知识的引导者、项目实施的组织者、实践效果的监督者和疑难问题的提出者、解答者，学生以项目参与人员身份主动学习、查询相关知识，实时讨论定期汇报项目实施情况，以实际工程应用加深对理论知识的认识，真正提高其工程综合素养。在教学过程中，应采用互动式教学模式，综合应用问题式、启发式、互动式、研讨式、演示示范、微课、慕课等多种现代化教学方法，创建多样化教学情景，使学生真正有深度地参与教学活动，以转变被动学习为主动学习，激发学生的学习热情、调动学生的学习兴趣，使其产生主动的求知欲望和深入的学习愿望[4]。要促进学生积极主动学习，必须坚持“考”与“学”相一致，充分发挥以考促学的功能。通过学生的平时表现、学习态度、项目实践等多项评价指标来综合评价学生的知识、能力和素质，注重全过程、多角度、开放式、动态地综合性评价[5]。减少记忆性、书本化等浅层次知识考核比例，增加工程实践问题和科研研究问题的考核比例，从而进一步增强学生工程意识和思辨能力培养，锻炼学生运用理论知识解决实际问题的能力。多元化教学方法和全过程考核方式不仅可以兼顾学生的个体差异和个性化发展，多角度全方位激发学生的学习热情，还可以引导学生注重学习过程，提高学生的工程认知和解决复杂问题的能力。

为充分发挥学生课堂主人翁意识，进一步调动学生学习的主动性，激发学生学习热情，并培养学生发现问题和运用知识解决问题的能力，将试卷20%主观考核内容由学生参与出题。教师根据学生出题内容和提供的参考答案，筛选出2道试题作为试卷考核内容，并在试题下方标注“该题由XXX同学提供”，以鼓励学生参与课堂教学，让学生充分体验出题的成就感和荣誉感。这一方法也可以让学生实现角色互换，从出题人角度体验知识考查的要求和细节，有利于学生掌握出题思路和风格，提高知识认知水平。同时任课教师可以从学生的出题类型、方向和难度等方面综合评判学生对知识掌握的水准和重点问题的把握情况，有利于把控试卷难易程度和重点考核方向。

3.4 构建多维评价机制，持续改进实施方案

在多年传统教学模式的影响下，学生在学习过程中形成了以成绩为导向的错误认知，形成了一种“课程怎么考，学生就怎么学”的错误思维。传统的课程考核过于简单，仅以一张试卷简单判定学生课程成绩本身就具有一定的局限性，难以全面考核学生的创新与实践能力，不利于培养和提高学生的综合素质，且极易导致平时不听讲、不参与教学互动、只学考试重点的错误行为习惯，甚至出现临时突击、考试作弊等陋习。CDIO教育模式强调通过“项目”形式考察学生沟通表达能力、自主学习能力、组织能力和实践能力，以动态的形式从全过程和综合性评价学生的知识掌握情况、综合素质和能力。依据CDIO教育模式，从考核内容和考核方式2个方面，建立现代化全方位课堂教学质量评价机制、跟踪机制和持续改进机制，分析并确定教学改革的效果、效率及存在的问题，找出课堂教学薄弱环节，提出具体的问题及针对性的改进措施[6]。在构建多维评价机制过程中，要充分发挥教师、辅导员、学生、用人单位、校友及其他利益相关者的反馈信息，并有效利用学生学习效果反馈机制，及时修正培养目标，调整教学内容、进度安排、方法、考核内容和形式，保证课程教育朝向工程教育方向发展和教学质量的持续提升。

4 结束语

将工程教育应用于“材料物理性能”课程教学中不仅是一种教学形式的变化，更是教学内容和目标、教育观念的变革。目的在于基于工程应用背景建立明确的培养目标，通过项目、设计和训练等多元化教学锻炼学生的工程意识、实践能力和综合素质，形成明确的学习目标，为培养高水平应用型人才及今后的实际工作打下良好基础。在教学过程中，强调以学生为中心，以能力培养为导向，注重学生实践能力和专业素质的提高，从而实现对传统教学“以教师中心”“以书本中心”的超越。