基于OBE-CDIO模式的复合材料与工程专业计算机能力培养体系的构建与实践

马驰 王娜 于智

摘  要：随着国际工程教育认证的不断开展，对学生利用计算机解决复杂材料学问题的能力培养也越来越受到重视，但是在傳统培养模式下，复合材料与工程专业的计算机类课程体系已很难有效支撑现阶段的培养目标和毕业要求，亟须进行有效改革。文章结合复合材料的专业特点和多年来的教学改革实践，从目前复合材料与工程专业计算机类课程体系的现状分析入手，提出在先进OBE-CDIO培养模式引领下，通过课程体系优化、教学内容创新以及考核方式改革等举措全面提升复合材料与工程专业学生的计算机能力水平，以期为相关院校的专业课程体系改革提供有益的借鉴。

关键词：复合材料与工程专业;计算机能力培养;课程体系建设;OBE-CDIO模式

中图分类号：G642.0    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）10-0136-04

复合材料是将两种或两种以上化学或物理性质不同的材料，通过先进制备技术组合优化而成的一种新型材料，可广泛应用于航空航天、装备制造、电器电子等领域，其不仅在国民经济生活中占有重要地位，而且已经成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料与工程专业正是以培养具备复合材料专业基础知识和生产应用技能的高素质人才为目标的普通高校本科专业，其于2012年正式纳入《普通高等学校本科专业目录》，近年来随着复合材料产业的不断发展，对该类型人才的需求量也大幅增加，对人才的培养质量要求也越来越高，截至2020年10月，全国已开设有复合材料与工程专业的学校有44所，如何提升复合材料与工程专业学生的培养质量，对接国际工程教育认证，构建合理的知识结构体系，已经是开设该专业的全国各高校关注的焦点[1-2]。在复合材料与工程专业能力培养中，利用计算机及现代科技手段解决复合材料领域中复杂工程问题已成为十分重要的能力培养目标之一，也是国际工程认证重点考核毕业要求之一[3-4]，但由于复合材料与工程专业建设起步较晚，且计算机能力培养属于交叉领域学科，对教师知识面的深度和广度要求较高，全国尚没有完善的案例可参考，亟须探索出一套切实可行的、符合中国国情的复合材料与工程专业计算机能力培养体系。沈阳化工大学于1996年便开设了复合材料与工程专业，目前已有近三十年的历史，并且于2003年率先为复合材料与工程专业开设了“计算机在材料科学中的应用”课程，经历近20年的努力，在计算机能力培养方面积累了丰富的经验。本文从复合材料与工程专业计算机能力培养中先进培养理念引进、课程体系优化、教学模式创新、训练平台建设、考核方式改革等方面入手，探讨复合材料与工程专业人才培养的经验和模式，为提高复合材料与工程专业人才培养质量，提升学生创新能力、实践能力和应用现代化技术手段解决复杂工程能力提供有益参考，对促进国内复合材料与工程专业发展，对接国际工程认证具有重要借鉴作用。

一、复合材料与工程专业计算机能力培养体系的现状

目前理工科院校开设的复合材料与工程专业，大都延续了传统材料学专业的特点，比较注重材料学基础知识体系和实践能力的培养，开设的课程内容主要包括材料科学基础、材料物理、材料化学、复合材料加工工艺学和复合材料成型设备与模具等课程，很大程度上可帮助学生建立起复合材料学研究所需的专业知识体系，而像计算机科学基础、电工学、管理学等课程长期以来主要作为公共选修课或限选课加以开设，用来作为专业基础知识的补充，而没有受到足够的重视。对于计算机能力的培养，有的院校仅单纯地依赖非本专业的老师开设的“计算机科学基础”一门课作为支撑，在未进行工程认证之前，这种现象在很多开设该专业的高校中十分普遍。目前，对于计算机类课程体系的设置本身存在以下几个问题：

（一）对于计算机类课程的重视程度不够

目前计算机的发展已经日新月异，渗透到复合材料制备的每一个环节，甚至已经成为复合材料学研究的一个重要分支，仅以通识性的计算机科学基础作为复合材料与工程专业的计算机能力支撑显得过于单薄，也无法保障学生在毕业后能够独立利用计算机解决复合材料学中的问题，因此，仅仅通过这一门课的安排显然无法达到学生计算机能力培养的要求，亟须院校提升对计算机类课程的重视程度，以更好地支撑复合材料与工程专业的培养目标。

（二）计算机类课程内容过于单一，缺乏专业性和实效性

近年来随着国际工程教育认证的开展，各专业的教学培养模式也越来越完善。在国际工程教育认证体系中，对于学生毕业时的计算机能力也有着明确的要求，在十二项毕业要求中占据着十分重要的地位，因此越来越多的院校也逐渐意识到计算机类课程的重要性，不但将“计算机基础”课程设为必修课，而且增加了“计算机在材料科学中的应用”等课程，以期为该项能力培养提供更好的支撑。但在实际操作的过程中却发现，由于复合材料与工程专业计算机课程是一门新兴的课程，可参考的经典案例很少，很多高校的复合材料专业大都采用了之前针对金属类专业学生开设的课程内容和教材，里面包括相图的计算机辅助分析、锻造等工艺过程的计算机仿真等内容，与复合材料的实际生产过程相差甚远，针对性不强，并且由于该教材是十多年前编写的，近年也没有再版，一些新型的计算机分析手段也没有提及，实效性大打折扣，亟须引入复合材料相关的教学内容和先进的分析方法来提高学生对该现代分析手段的认知。

（三）目前所采用的教学手段较为单一，实践性不强

目前大多数院校讲授的计算机类课程其理论学时都占了大多数，而实践内容较少，不利于学生充分掌握计算机技能。虽然计算机理论在计算机使用过程中有着十分重要的作用，但计算机实际操作技能在学生利用计算机解决复杂材料学问题时起着至关重要的作用。重理论、轻实践的教学方法，不利于学生能力的培养，高校亟须提升计算机类课程的实践上机学时数，在实践中培养学生的计算机能力。

（四）师资力量薄弱，考核方式单一

由于是要培养学生利用计算机解决复合材料工程中的问题，这就要求任课教师既要懂得计算机知识，还得了解复合材料学中的一些基本原理，该领域屬于交叉学科领域，对任课教师的能力要求较高，以往全部请计算机专业的老师任教，显然无法达到专项能力培养的要求，而复合材料与工程专业的老师又很少有计算机专业背景，凸显出该类课程优秀任课教师的匮乏、师资质量亟待提高等问题。此外，对于计算机能力的考核方式大多仍停留在笔试考核，由于笔试考核的局限性，很难反映学生真实的利用计算机解决实际问题的能力。

伴随着国家“双一流”建设和国际工程教育理念的深入人心，高校人才培养更加强调学科的实用性、交叉性与综合性，但传统复合材料与工程专业计算机能力培养体系严重滞后于目前专业技术水平的发展，很难满足国际工程教育认证对于学生该方面能力的要求，因此对复合材料与工程专业计算机课程体系的改革具有充分的必要性和紧迫性。

二、复合材料与工程专业计算机能力培养体系的改革内容

通过国际工程教育认证使全国各具有复合材料与工程专业的院校都充分认识到了对学生计算机能力培养的重要性，但是如何构建完善的、可操作性强的、针对复合材料与工程专业的计算机能力培养的教育教学体系，成为困扰教育教学管理者的难题。近年来，针对这一问题，沈阳化工大学进行了多次的教学体系改革，逐渐探索出一条适合复合材料与工程专业学生计算机能力培养的新途径和新举措，取得了良好效果，具体改革内容如下：

（一）先进培养理念引进

对于一个专业来说，完善的教学体系，离不开先进培养理念的指引。为了适应目前复合材料的发展方向和现代化人才培养要求，沈阳化工大学在复合材料与工程专业的人才培养方案和具体课程大纲的制定上就充分吸收和引入先进的教育教学理念，以“113”应用型人才培养体系的构建为基础，引入成果导向（OBE）的优秀人才培养理念[5]，遵循构思、设计、实现和运作（CDIO）的人才培养模式。“113”人才培养模式基于反向设计原则，强调能力本位教育，要求能力结构与课程体系之间有一种清晰的映射关系。通过对在校生、毕业生和用人单位等的走访、问卷调查、电话和会议交流等方式获得对复合材料与工程专业学生应具有的计算机技能的第一手资料。然后根据调研结果，通过专家工作组和专业教师的多次研讨，将需求转换为人才培养目标，再根据工程认证标准将人才培养目标确定为学生毕业时应具有的计算机知识、能力和素质的毕业要求，依据OBE理念将毕业要求细化为复合材料与工程专业的毕业标准。而落实CDIO模式的第一个环节正是课程体系设计，通过对CDIO工程教育模式的深入学习和讨论，理清了计算机类课程体系设计的思路。以课程间的知识、方法、问题等逻辑联系为结合点，通过课程的整合，设置了课程群，建立了课程之间的有机联系，使先进培养理念融入每一个课程教学环节。

（二）课程体系优化

在OBE+CDIO培养模式的指引下，沈阳化工大学对复合材料与工程专业的计算机课程体系进行大幅优化，进行了课程的“加减法”。原先第二学期开设的“计算机科学基础”课程不变，但学时由原来的48学时减少为32学时，取消第四学期开设的“C语言程序设计”限选课，在第五学期增加“计算机在材料科学中的应用”课程，并且由原先的32学时增加为40学时，并且将原先的24学时理论+8学时上机实践，改为16学时理论+24学时上机，大幅增加学生实践比例。此外，在第七学期还增加了复合材料制品的课程设计实践，让学生利用计算机进行复合材料结构的设计，在课程设计实践中，增加其实际解决复合材料问题的应用能力。并且在毕业论文中，也安排一部分学生通过计算机仿真针对某一实际生产单位的复合材料产品进行设计，进行成果导向的专项研究与创新实践。

（三）教学内容创新

摒除目前复合材料与工程专业计算机类课程教学中陈旧性或针对性不强的课程内容，取消在“计算机科学基础”中的DOS操作原理，“计算机在材料科学中的应用”中的金属相图分析软件的使用等内容讲解，仅提供相关素材和资源供其校外阅读。增添复合材料与工程专业使用较多、实用性较强，并且符合时代发展趋势的专业软件课程内容。如增加PAM-RTM、MoldFlow等复合材料制备及加工仿真软件的使用讲解，引入如Origin、ImageJ等数据和图片处理软件的介绍，拓展Matlab人工神经网络及复合材料网络数据库的相关内容讲解。在实际授课过程也一改以往单一的理论教学，引证更多的实例，使学生在每一个案例中逐渐体会软件的思路和具体的操作技巧。如在讲解PAM-RTM使用时，以复合材料层合板为例，讲解不同纤维铺设方向对复合材料力学性能和热力学性能影响的仿真分析，使内容更符合应用实际。在ImageJ的教学中，以无机粒子在聚合物基体中的分散为例，讲解利用该软件进行粒径分析的具体过程，进而判断其分散状况，而不是枯燥地讲解每一操作菜单的使用，使学生通过实例来理解软件的操作逻辑，再结合理论课的内容，让学生进一步体会软件的计算原理，以后根据不同应用场合合理使用适当的方法，使学生在掌握软件使用方法的同时，提升其再开发的能力。通过设置更加合理的课程教学内容，更好地服务后续课程设计和毕业论文研究的需求，支撑培养目标的达成。此外，为了提升教师在该方面的教学和专业技能，派遣有潜力、高素质的优秀年轻教师利用假期积极参与专业软件的应用技能培训班，并且不定期地举办周围院校相关专业的教学研讨会，不断提升教师在该方面的教学理念和教学水平。

（四）考核方式改革

计算机类课程传统的考核方式大多为笔试，但是该类课程大多为实际应用性较强的课程，笔试很难考查出学生的真实能力水平。为了更好地考查此类课程的教学效果，沈阳化工大学复合材料专业对计算机类课程的考核方式也进行了大胆地改革，取消平时成绩的比例限制，教师可根据实际教学情况大幅提高平时成绩的比例，使计算机类课程的期末成绩不再“一考定输赢”，淡化期末考试成绩的重要性。但这种考核方式并不代表完全放松对学生的考核要求，为了配合这种考核方式，必须制定严格的平时成绩判定标准和行程性评价制度。要求在教师在平时教学过程中，不但要及时认真地评阅和收集学生的课后作业和实践结果，还要求所有作业和实践练习必须做到“一人一题”，避免学生的简单复制，造成大量雷同。如在进行利用计算机进行聚酰胺的分子式绘制时，安排学生根据学号绘制不同的分子式，学号第一位加1为多元酸的碳原子数，第二位为多元胺的碳原子数，这样就使每一位同学绘制的分子式都不同，更有利于对其真正能力进行考查，并通过在实践过程中的按比例打分的模式，对学生实践过程、思路想法和最终结果进行综合评判，使平时成绩更加客观，并且结果要在第一时间公布给同学，接受学生监督，所有平时成绩相关的行程性评价内容都必须有据可查，确保最终成绩的合理性和有效性。

三、结语

经过多年的不断探索和改革，针对复合材料与工程专业的计算机能力培养体系构建取得了积极成果，经在校生的综合测评，计算机类课程的满意度由2015年的63.8%，提升至2020年的95.2%。在对用人单位的问卷调查中，认为毕业生计算机能力可基本满足企业需要的由原来的42.3%提升至92.1%，教学改革效果十分明显，有效提升了复合材料与工程专业学生的社会认可度，也是對OBE-CDIO人才培养模式的有益探索和实践。复合材料专业是一个国家综合科技实力的体现，该领域专业高技能人才的培养对我国的科学技术发展和经济建设起到至关重要的作用，只有不断提升人才培养理念，完善人才培养体系，才能使国内的复合材料与工程专业的人才培养水平与国际接轨，为社会主义经济建设和科技发展提供更有效的智力支撑。

参考文献：

[1] 韩克清，金俊弘. 复合材料与工程专业工程实践能力培养体系的构建与思考[J]. 高分子通报，2019（08）：79-82.

[2] 潘育松，盛绍顶，王静，等. 复合材料工程专业“双创型”人才培养模式研究[J]. 教育教学论坛，2019（10）：156-157.

[3] 朱凯，王仪. 以专业认证促工科“一流专业”建设的探讨[J]. 大学，2021（23）：31-33.

[4] 杨少锋，周航，杨亚楠，等. 工程认证背景下的复合材料专业教育培养体系建设研究[J]. 教育现代化，2019，6（04）：78-80.

[5] 毛广湘. 基于OBE理念的人才培养方案编制[J]. 大学，2021（25）：26-29.

（责任编辑：罗欣）

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“高分子材料成型加工虚拟仿真双创中心”（项目编号：201801205013）;沈阳化工大学一流课程建设项目“计算机在材料科学中的应用”;沈阳化工大学教育教学培育工程项目“新工科视域下《高分子化学》金课建设”。

作者简介：马驰（1979—），男，博士，沈阳化工大学材料科学与工程学院副教授，研究方向为复合材料教学;王娜（1977—），女，博士，沈阳化工大学材料科学与工程学院院长，教授，研究方向为复合材料教学;于智（1969—），女，博士，沈阳化工大学材料科学与工程学院副院长，副教授，研究方向为材料化学教学。