材料工程专业硕士培养及能源材料课程CDIO教学模式探讨与实践

＊甘永平 张文魁 夏阳 张俊 黄辉

（浙江工业大学 材料科学与工程学院 浙江 310014）

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）的英文缩写，CDIO教育理念是近年来国外关于工程教育模式改革的一个重要成果，是对工程教育经验的总结，系统地提出了本科教育具有可操作性的能力培养、实施方法以及检验测评的标准[1]。我国2005年首次引入CDIO教学理念，2008年成立“教育部CDIO研究与实践课题组”，试点高校已经超过100余所。近十年来，随着中国经济和社会的迅速发展，本科生招生规模不断扩大，随之而来的本科生就业困难和应用型专门人才短缺等问题日趋严重，增加专业硕士招生数量成为缓解上述问题的有效措施之一。目前，我校2021年专业型硕士和学术型硕士比例已接近1:1，但其教育模式多数沿袭学术型硕士培养方式，注重基础理论研究，这种培养方法无法适应工程技术领域的人才需求。为此，2010年教育部下发《关于批准有关高等学校开展专业学位研究生教育综合改革试点工作的通知》，批准60余所高校117个专业开展试点工作。“柔性培养模式”[2]“校企协同”[3]“五位一体”[4]等专业硕士培养模式被广泛探索和实践，力求将工程教育思想和工程实践贯穿于专业硕士教学和研究之中，最终实现专业硕士的培养目标。

本教学团队在分析我校材料工程专业学位培养和能源材料课程教学现状的基础上，借鉴CDIO教育教学理念，将构思、设计、实现和运作CDIO四要素契入能源材料课程教学之中，开展CDIO课程教学模式改革和实践，为新工科建设背景下培养应用型高级工程人才提供有益的实践经验。

1.材料工程专业硕士教育教学现状

材料工程专业学位主要培养具有坚实材料工程理论基础和专业知识，了解材料工程行业内发展动向，掌握材料结构与性能分析方法、材料生产工艺、材料改性技术、材料工程规划和质量监督等工程技术，具备从事新材料的研究和开发、生产工艺和设备管理和解决材料工程问题等方面专业技术能力的硕士研究生。目前，材料工程专业研究生培养尚存在许多问题，如课程体系不合理，研究生实践基地运行困难，“双导师”制度执行不到位等[5]。随着专业学位硕士招生规模的扩大，我校近几年对专业硕士培养和课程教学作了许多有益的探索，包括专业硕士和学术硕士培养分离，聘请企业导师及加强研究生企业实践锻炼等，就我校材料工程专业学位培养而言还存在以下问题。

(1)培养方案和培养模式不明确

我校材料工程专业方向包括金属材料与成型，无机非金属材料和高分子材料与成型，其培养方案经过多次高校之间调研，邀请企业专家座谈和教学改革实践，仍然存在专业方向特色不明显，和市场需求结合不紧密，培养方案不能较好体现工程创新能力培养等缺点。培养模式一般第一学期以教学理论课程为主，后两年完成学位论文课题研究，评价方式以发表学术论文或申请发明专利等形式考查是否达到申请专业硕士学位的标准。在这过程中无论是指导模式、学位论文选题、教学方法还是课程体系上均存在套用或沿袭学术型硕士培养模式，研究结果往往以发表学术论文所在期刊的影响因子评价学术水平，而不注重分析研究结果对解决实际工程问题的影响和工程创新性评价。材料工程专业硕士培养方案尚需进一步强化理论研究和工程实践相结合，培养模式上需要增加实践教学和工程研究环节，以适应工程型人才的迫切需求。

(2)课程体系设置不合理

材料工程课程体系是为培养材料类应用性高层次人才的课程群，我校材料工程专业学位课程体系在学术型硕士课程体系的基础上，设立专业学位必修课程和选修课；其中选修课结合材料工程专业不同模块方向和研究特色设置。如材料工程新能源材料方向主要包括材料结构与性能、材料电化学、新能源材料、燃料电池和锂离子电池等主干选修课程，突出新能源材料方向锂离子电池和燃料电池材料领域的研究特色。但课程体系涉及能源材料工程开发和工程管理方面课程欠缺，一方面，除少数导师具备较好的产业开发经验外，多数青年教师甚至海外引进的高水平人才擅长理论研究，缺乏企业项目策划、工程开发和质量监控等方面的实践经验，开设及教授工程类课程困难；另一方面，教学团队在校内尚未建成中试规模的工程类产品教学实践载体，一般通过参与企业合作项目或企业导师形式弥补工程实践环节。

(3)企业导师制和实践基地运行困难

企业导师制度是我校专业学位研究生培养提出的一种教育教学改革，每门课程和导师指导的专业学位研究必须聘任企业指导教师，要求企业导师具备高级工程师职称，其目的是加强研究生和企业的联系，有利于强化工程实践教学，达到材料工程专业硕士学位的培养目标；但也存在许多问题，如企业导师所从事的专业和研究生课程教学或研究课题联系不紧密，不具备良好的授课能力等。聘任的校外企业导师多数采用讲座的形式，往往只是初步涉及企业发展状况，工程开发背景和存在的部分工程问题分析，教育教学效果较差，更多流于形式甚至只是挂名，研究生得不到真实的实践锻炼和深入接触工程项目、设备和管理等方面的关键问题。

实践基地作为专业硕士培养工程能力的良好载体，研究生可以直接进入实践基地参与相关工程项目开发和研究，但和本科生实践基体不同，本科阶段实习基地可以较好锻炼本专业的学生分析问题，解决问题的能力。但研究生阶段因导师课题千差万别，跨学科跨专业或交叉学科比比皆是，实践基地往往和研究培养课题不对应，甚至和部分研究课题完全不相关，同时企业也存在场地、资金、人员等方面不足，导致企业和学校建设研究生实践基地的积极性不高，只限于挂牌或象征性示范，研究生实践基地运行困难。

(4)材料工程专业能源材料课程教学中存在的问题

能源材料课程既是我校材料工程专业硕士的选修课，也是材料科学与工程本科专业功能材料方向的必选课，特别是为锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、氢能和生物质能源等研究方向研究生开设的具有一定工程背景的专业课，也是一门具有较强工程开发、工程管理等实践性强和研究课题结合紧密的一门课程。总结该课程多年的教学实践，主要存在以下问题：①学术型和专业学位研究生混班授课；②授课以讲授为主，学生学习主动性不够，发现问题、解决问题主观意愿不强，不利于培养学生的创新意识和提高创新能力；③教学内容和教学方法，和企业需求、生产管理中存在的技术问题缺乏有效的联系，学生欠缺工程背景知识和实践，工程问题剖析往往成为教师的独角戏；④课程中涉及工程问题的教学资源相对短缺，包括场地、生产设备、视频资料等。

针对上述问题，学校专业硕士培养和课程教学不断进行改革和实践，包括企业、高校多方面调研完善培养方案和课程体系，优化课程设置和教学模式，凝练研究特色的同时强化工程问题训练，完善企业导师制，加大专业学位硕士研究生在企业从事项目开发的时间等，力争逐渐形成具有专业特色的材料工程专业学位研究生培养机制。同时加强课程教学改革，能源材料课程作为材料工程专业硕士实践性很强的专业选修课，具有较强的工程背景和课程特点，将课程契合CDIO教育理念，从CDIO四要素出发进行教学模式探索和实践，有利于改善上述缺点。

2.能源材料课程CDIO模式教学改革实践

教学团队在能源材料课程教学实践中，将CDIO四要素：构思、设计、实现和运作渗透到教学目标、教学大纲、教学内容、教学模式和教学考核等各个环节中，通过案例分析、工程视频、可行性分析报告、分组教学等形式，考查和培养研究生独立思考、设计、分析和解决实际工程问题的能力。

(1)CDIO模式教学目标和教学大纲设计

能源材料课程教学目标为：培养学生获取扎实的新能源利用技术和关键材料的基本理论；掌握关键材料的结构、性能、制备及工程应用，了解新能源材料的研究和发展状况；了解新能源材料的研究、测试、生产工艺和质量监控方法；培养学生阅读参考文献和对所学知识整理、归纳和消化能力，培养学生理论联系实际，研究和解决能源材料生产技术问题的能力，以适应和满足当前新能源技术及关键材料迅速发展的状况和人才需求。CDIO模式教学对此教学目标进行了修订，强化工程方面的知识和技能培养，突出了材料研究和生产中解决实际问题的构思、设计、实现和运作能力的训练。

CDIO模式能源材料课专业硕士课程教学大纲也进行了优化，教学内容上削减了部分能源材料基学科前沿的基础性理论研究，增加了能源所指导教师研究项目，特别是企业开发的工程类项目运作分析，教学内容更侧重于实际工程问题以及解决方案的构思和设计。课程考核方式采用分段式评价机制，除卷面基础知识考核外，通过撰写方案可行性分析报告，分组讨论研究内容和解决方法等方式，增加企业实际问题分析及解决方案考核，以达到CDIO模式能源材料课程强化工程能力的实践效果。

(2)CDIO模式教学组织实施

能源材料课程CDIO模式组织教学设计，以锂离子电池部分章节为例如表1所示。教学内容结合能源材料课程的特点和教学团队的科研基础，特别是由企业提供大量的工艺和设备视频资料，从新能源材料的发展前沿和生产工艺中存在实际问题出发，采用案例教学法、任务驱动教学法和分组讨论法等，运用能源材料的结构、性质、测试方法和质量监控技术等理论基础，分析讨论新能源技术及关键材料中的工程技术问题。教学中运用CDIO理念，合理构思工程技术问题，直观接触企业产品、生产工艺（或工艺视频）、了解质量控制方法等，在课程中观摩产品工艺流程和生产管理，实施CDIO实现和运作环节，有利于加深对工程技术的理解和培养创新思维，训练提高解决实际问题的能力。

表1 锂离子电池关键材料CDIO模式教学设计

(3)CDIO模式教学任务准备

能源材料课程CDIO模式教学组织实施，需要布置教学目标、教学内容和构建问题等任务，并将学生进行分组和布置工程技术问题。由学生阅读教材和查阅文献，了解课题组与教学内容相关的项目实施情况，构思或与导师交流存在的工程技术问题，归纳文献报道中该问题的研究状况和解决方案。对教师而言需要系统的理论基础和实验技能，了解相关研究的前沿和行业动态，特别是需要具备丰富的工程技术开发经验，熟悉教学内容涉及的工程技术、设备、工艺管理以及企业生产管理，并可以准备丰富的设备、测试和工艺流程等生产现场资料。具备条件也可以通过聘请企业导师开讲座，或参观企业实际生产线的方式组织实施教学。

(4)能源材料课程CDIO模式教学模式评价机制

CDIO教学模式注重构思、设计和实践，可以体现较好的组织文献、团队合作、自主学习、沟通表达和分析问题的能力。通过听课情况、分组发言、构建问题、总结资料、解决方案等多方面形成过程性评价；结合撰写工程问题可行性报告（主要包括提出工程技术问题、评价当前该问题国内外研究状况、解决实施方案、涉及主要工艺和设备、技术经济分析等）和书面问题回答等评价该课程的学习和掌握情况。重点评价学生主动学习的能力、分析问题和解决问题的能力。

3.CDIO教育教学实践总结

近年来，专业学位硕士培养模式被广泛研究探讨，本文从培养方案、课程体系、企业导师制和实践基地等方面分析了我校材料工程专业学位培养的特点；重点分析了能源材料课程教学实践中存在的问题；引入CDIO教育理念对该课程实施教学改革和实践。研究表明能源材料课程CDIO模式可以取得以下积极效果：（1）大幅度提高研究生学习的主动性和自主学习能力；（2）有利于培养学生的工程实践能力；（3）有利提高学生发现问题、分析问题和解决问题能力；（4）有利于培养应用型工程人才。但在该课程CDIO模式教学中也存在一些问题，主要包括：其一，学生本科专业背景不一，导致部分学生缺乏相应的材料科学基础知识；其二，部分章节内容，教学团队不具备该内容相关的工程项目和研究开发经验；其三，评价体系不能兼顾到所有同学，仅适用于选课人数较少的班级实施。