基于OBE理念的材料科学与工程专业综合实践课程教学改革*

马冬威 赵红利 张红霞 罗成 沈培智 覃群

摘  要  针对当前材料科学与工程专业综合实践课程教学中存在的问题，以工程教育认证和省级重点专业建设的要求与理念为指导，系统开展专业综合实践课程教学改革。通过系统规划，充分结合工程实际和学科竞赛，开发具有开放性和设计性的专业综合实验项目，充分发挥学生的主动性，让专业理论知识深度融入实践教学中，提高学生的实践动手能力，培养学生的创新意识以及解决复杂工程问题的能力。

关键词  材料科学与工程；工程教育；OBE理念；综合实践；教学改革

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0142-04

0  引言

工程教育专业认证是高等教育的重要组成部分，是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1-3]。对于高等院校，可以通过工程教育专业认证工作的开展，推动自身教育质量持续发展和进步[4-5]。成果导向教育（OBE，Outcomes-based Edu-cation）是工程教育认证的一个核心理念，在工程教育认证背景下，基于OBE理念的工程教育改革显得尤为迫切和重要[6-7]。

湖北汽车工业学院秉承“工程教育回归工程”的教学理念，坚持走“产学研创融合”的特色发展之路。培养和提升学生的工程能力是学校的重要责任和使命，专业综合实践是培养和提升学生工程能力的重要途径[8]。通过专业综合实践训练，学生将大学中学到的理论知识和技能充分融合与提升，培养创新意识和解决复杂工程问题的能力，最终成为现代企业发展所需要的复合型人才。

湖北汽车工业学院材料科学与工程专业综合实践是本专业学生必修的一门独立设课课程，是学生学习本专业相关理论知识后进行专业技能训练的重要方式。该课程重视理论与实践相结合，以“重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”为指导思想，通过独立实验课程的学习和锻炼，帮助学生深入理解相关金属材料制备、强化、加工等相应专业知识，掌握具体的相关专业技能，培养学生实践动手的能力、理论和实践相联系的能力以及对具体工程问题的分析和解决能力。

1  传统专业综合实践课程教学中存在的问题

1.1  集约式以教师为主的传统实验模式

传统专业综合实践课程同样属于独立设课课程，有固定的上课时间，学生按照课表上的时间到实验室上课。但是经过实践教学发现，学生在规定的时间内只能完成简单的综合实验项目，对于新开发的综合多因素和培养综合能力较强的设计性项目则难以完成，所以集约式的课程时间表已经不适应新的培养方案。在传统的综合实践教学过程中，由于上课时长的限制，教师担心学生在实验过程中走弯路，在规定的时间内不能完成实验，对实验项目的讲解过于细致，以至于有些需要学生按照自己的设计方案探索后才能获得知识的环节被省略。

1.2  实验项目陈旧，缺乏开放性和设计性

传统的专业综合实验项目基本是固定的几个题目，学生不可以自主选择研究对象，一般只要根据已有的实验流程完成实验，最后提交实验报告即可。在这种教学方式下，学生最后所提交的报告大同小异，不能很好地体现创造性思维，因此，这类实验项目不利于对学生材料分析和研究工作能力的培养。根据OBE理念，实验项目需要具备开放性和设计性。比如，教师给每组学生一个具体的研究目的和要求，让学生自己查阅资料、选题、设计实验方案并实施，自己选择检测设备进行分析，然后完成报告。在整个过程中，教师在学生遇到问题时给予指导，这样更有利于学生拓展知识范围和提高解决实际工程问题能力。

1.3  实验项目所支撑的理论课程不够丰富

专业综合实践开设于大四上学期，虽然是独立设课课程，但是实验项目需要的理论知识大都来自学生之前所学习的课程，因此，实验项目的设计要有对应支撑的理论课程。但是一个实验项目对应支撑的理论课程不能局限于一门课程，而是要在设计时体现出对多门课程的支撑，这样才更有利于复合型人才的培养。

1.4  与工程实际结合不够紧密

传统的专业综合实践课程教学大多局限于实验室内部，实验对象是统一的标准材料，学生在实验室内完成实验项目，项目内容与工程实际结合程度较弱，大多停留在对理论知识的验证阶段，对学生工程能力的培养远远不够，这就迫切需要开发出适应当前工程教育理念的新教学项目。

1.5  没有线上教学内容

之前由于线上教学平台较少，功能不够齐全，线上教学方式受到限制，但是如今互联网迅猛发展，线上教学平台功能日益强大，可以满足占用内存较多的视频等教学资料的上传。线上教学不仅仅是专业综合实践的一个辅助，更应成为教学内容的一部分。线上教学可以打破线下教学模式对于时间和空间的限制，学生通过线上教学资源的自主学习，对于教师讲解部分可以进行一对一学习，对于实验中可能用到的实验设备和分析手段提前充分熟悉。

2  OBE理念导向的专业综合实践课程教学改革措施

2.1  注重能力培养的教学内容设计

要开发具有开放性、设计性的能够支撑多门理论课程知识的实验项目。材料科学与工程专业综合实践开设于大四上学期，总学时为48 h，是学生做毕业设计之前重要的实践环节，也是专业课程知识之间相互衔接和融合的平台，实验项目包括材料强韧化（10 h）、焊接工艺及组织研究（10 h）、材料表面处理（8 h）、失效零件的分析（10 h）和铝合金熔炼与组织性能分析（10 h）。支撑的专业课程有材料热处理原理及工艺、材料性能学、焊接冶金及金属焊接性、材料表面工程、金属腐蚀与防护、失效分析、汽车工程材料、材料合成与制备、金相技术、材料现代分析方法等。实验项目与专业课程之间的支撑关系如图1所示，可以看出新设计的实验项目和专业课程之间存在多元支撑关系，即一个实验项目可以支撑多门专业课程，主要目的是通过独立实验项目的学习和锻炼，让学生系统地掌握专业知识和工艺实践方法并进行科学实验和科学研究的基本训练。着力培养和提高学生的实践和创造能力，使学生成长为当今社会发展所需要的知识面宽、动手能力强、综合素质高的人才。

2.2  以学生为中心的教学过程

每个实验项目开始前先要做一些必要的准备工作。以“铝合金熔炼与组织性能分析”为例，教师先讲解实验项目背景、安全教育和注意事项，然后学生分组，发放实验过程中需要的单晶硅、铝锭、细化剂、变质剂、中间合金等原材料。每个小组设立一名组长，组长负责本组成员间、组与组之间以及和教师的沟通协调，并把握本组实验进度。每组需要根据实验指导书，查阅铝合金熔炼、铝合金强化和组织性能分析等方面的文献资料，进行实验方案设计，方案中需要体现对变量参数设置和实验方法选择的分析，要求每组之间的实验参数不能重复。实验方案制定后，需要以组为单位进行方案的可行性论证，学生讲解本组实验方案制定的依据、特点和预期效果；教研室教师作为评委，如果发现方案不具备实施条件或实施意义，指导学生进行修订。

教师给出该实验项目结束时间，实验正式开始后，实验进度由每组学生自行把握，学生可按照自己的时间节点到实验室进行实验，按照方案完成原材料配比计算、材料准备、熔炼、浇铸和组织性能分析等过程，中间如果遇到问题可以请教，教师给予指点。整个实验过程中都需要学生发挥创造性思维和主观能动性去完成实验项目。实验项目结束时，每组学生需要进行项目答辩，评委教师对学生实验开展和结果分析情况进行点评，指出学生完成实验项目过程中的亮点和不足之处，以利于学生持续改进和学习。实验项目结束后，指导教师按照课程评分标准，综合学生实验方案设计、实验过程中的总体表现、实验答辩和实验报告等多个环节对学生实验项目进行成绩评定。

2.3  教学项目与工程应用及学科竞赛紧密联系

按照OBE理念设计的实验教学项目增强了项目与工程应用之间的联系。以“失效零件的分析”实验项目为例，采取开放性选择项目研究对象，部分学生之前参与过课题，可以选择之前研究过的失效零件作为研究对象，也可以选择教师提供的零部件作为研究对象。教师大多与企业联系紧密，平时做项目时积累了大量的失效零部件，这些来自企业实际的零部件均可以拿来作为开展实验项目的对象。学生进行实际零件的失效分析研究，而不是简单的试样分析，可以大幅提高解决复杂工程问题的能力。

“失效零件的分析”实验项目还结合“全国失效分析大奖赛”，比赛过程中，参赛学生除了对失效零件进行系统研究外，还需要掌握失效分析的理论知识。通过竞赛，让实验项目得到进一步的延伸和拓展，学生的综合能力也得到进一步提升。“材料强韧化”实验教学项目结合“中国大学生材料热处理创新创业大赛”和“全国大学生金相技能大赛”两项国家级赛事，学生通过选择不同的材料，制定相应的热处理工艺方案进行热处理实验，然后通过金相制备、组织分析和力学性能分析等手段对材料强韧化的机理进行研究。该教学项目可以系统锻炼学生在热处理和金相技能方面的设计、实践与归纳分析能力，为学生参加竞赛奠定基础。

2.4  开发线上教学资源

目前，材料科学与工程专业综合实践基于学习通平台上传许多线上教学资源，如课程介绍视频、教学实录视频、教学大纲、实验指导书、电子书、金相图谱和国家标准等。其中，课程介绍视频详细说明课程目标和要求、安全教育、注意事项等；教学实录视频介绍实验材料、设备、流程和防护措施；电子书、金相图谱和国家标准提供给学生查阅，用于熟悉实验项目背景知识、制定实验方案和分析结果。除了学习通平台之外，还为学生提供一些虚拟实验资源，如热处理虚拟实验、铸造虚拟实验等。通过虚拟实验资源，学生可以对一些比较危险的实验步骤有清晰的认识，对实验流程提前预演，减少后期实操过程中的失误。

3  结束语

综合实践是材料科学与工程专业工程教育中培养学生工程能力的重要环节。基于OBE理念，以具有设计性、开放性的紧密联系工程应用和学科竞赛的综合实验项目为载体，实现以学生为中心、课程学习成果为导向、持续质量改进的课程教学模式，有利于学生专业课程知识和技能的充分融合、提升，有助于培养学生在工程实践中的团队合作意识、创新意识和解决复杂工程问题的能力。

参考文献

[1] 刘畅荣，王志勇，王玉蝶.工程教育视域下高校人才核心素养培养体系的重构[J].中国教育技术装备，2021（11）：6-7.

[2] 史同娜，朱冰洁，杨伟，等.工程教育专业认证背景下“大型材料加工实验”课程的重构[J].实验技术与管理，2020，37（2）：212-216.

[3] 宋强，胡亚茹，李兆峰，等.适应工程教育专业认证的材料类生产实习模式构建[J].实验室研究与探索，2016，35（12）：219-223，244.

[4] 戚琳，程从前，史淑艳，等.基于专业认证的“金属材料工程与技术综合实验”课程建设与实践[J].实验室科学，2018，21（5）：130-133.

[5] 谢启，陈景波，陈勇，等.工程教育专业认证背景下专业综合性工程实践课程建设[J].中国教育技术装备，2021（4）：128-131.

[6] 刘卫东，黄蕾，冯若雯.基于OBE人才培养模式的本科教学质量管理体系重构[J].国家教育行政学院学报，2021（10）：19-30.

[7] 孙晶，张伟，任宗金，等.工程教育专业认证毕业要求达成度的成果导向评价[J].清华大学教育研究，2017，38（4）：117-124.

[8] 赵红利，张红霞，罗成.《材料工程基础综合实验》教学改革探索[J].科技创新导报，2019，16（21）：206-208.

*基金项目：湖北汽车工业学院教改项目（JY2021025，JY2021077）；湖北省高校实验室研究项目（HBSY2021-22）；湖北省高等教育学会专项课题（2021-39）；湖北省高校实验室研究项目（HBSY2020-01）；湖北高校省级教学研究项目（2021382）；湖北汽车工业学院课程思政教育教学改革研究专项课题（21mdsz04）。

作者：马冬威，湖北汽车工业学院，高级实验师，研究方向为金属材料及失效分析；赵红利，湖北汽车工业学院，正高级实验师，研究方向为材料表面工程及失效分析；张红霞，湖北汽车工业学院，教授，研究方向为汽车工程材料；罗成，湖北汽车工业学院，教授，研究方向为粉末冶金；沈培智，湖北汽车工业学院，副教授，研究方向为新能源材料；覃群，湖北汽车工业学院，副教授，研究方向为材料表面工程（442002）。