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摘要：我国工程教育专业认证协会以《华盛顿协议》提出的毕业生素质要求为基础，以结果导向（OBE）为核心理念，制定了工程教育专业认证标准。认证标准规定了学生在毕业时应该具备的基本专业知识、研究及设计能力、沟通能力、合作能力、终生学习的能力以及责任感等能力素质要求。而实践能力是研究机构和公司引进人才时十分关注的方面，因此，如何让学生关注实验课程并参与发现问题、设计方案以及分析问题的过程是很重要的课题。本文提出了一种在材料物理性能测试实验中演示与设计组合的教学模式，有助于提升学生解决复杂工程问题的能力。
关键词：工程教育认证；本科实验教学；演示—设计教学法
一、工程教育认证推进本科教学改革
中国工程教育专业认证协会开展的工程教育认证在高等教育中构建了工程教育的质量监控体系，推进中国工程教育改革，提高工程教育质量，特别是建立了与工程师制度相衔接的工程教育专业认证体系，促进工程教育与企业界的联系，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性。我国自2016年3月加入《华盛顿协议》，成为协议正式成员国后，我国的工程教育得到国际认可，为我国工程类学生提供了具有国际互认质量标准的学历，也提供了更广阔的国际化平台。
二、工程教育认证对实验课程的要求
高校的专业实验在实践类课程中，不同于公共实验普遍适于各理工学科大类，也不同于实习设计极强的工业操作性，是每个专业针对本专业培养目标开设的培养学生专业素养的实践课程。工程教育认证要求专业必须有明确、公开的毕业要求，毕业要求能够支撑培养目标的达成。其中，不仅仅要求学生掌握包括数学、自然科学、工程基础和专业理论等工程知识，还要求学生可以识别、表达并运用这些工程知识研究分析复杂工程问题，能针对复杂工程问题提出解决方案，设计满足特定需求的系统、单元或工艺流程等，会使用恰当的技术资源，能分析和解释数据[1]。而专业实验在实践类课程中，是从理论知识到实践操作的过渡，是从思维模式到操作方式的实现和转化，在实践课程中有着不可或缺的地位。本文将以上海理工大学材料科学与工程学院材料物理综合实验为例，阐述专业实验在工程教育认证背景中如何实现培养目标和毕业要求。
材料物理综合实验是材料科学与工程专业的一门专业实践课程。需要达到的课程目标包括：验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识，了解材料性能的分析和测试原理，研究材料物理性能和规律，掌握材料物理实验方法以及材料物理量测量方法；能够设计材料性能研究的实验，制定并实施材料物理量测量的实验方案，且利用图、表等方式分析和评估实验数据；了解测试仪器的基本工作原理、特点和应用，掌握常用仪器的基本操作方法，应用材料物化基本理论来研究、分析材料的组成、结构、性能等复杂的材料工程问题[2]。在传统的目标导向教学模式里，学生通常使用实验室已经搭建好的测试模板，将实验样品测量得出数据并计算，列出图表分析即可。而结果导向（OBE）的模式更注重学生自主学习和思考设计的过程。为此，笔者设计了部分演示—整体设计的教学模式。部分演示—整体设计的教学方法下的实验是设计性实验，要求学生自主设计实验方案观察实验现象，在掌握仪器的基本构造和原理后，自主搭建测试平台或者设计实验方法来测算材料物性数据，并根据具体要求列表作图，分析图表的数据。考虑到实验仪器的复杂性和可操作性，教师需根据实际课堂进度，增加直观的演示过程。本文以材料的导热性能测试实验为例证。材料导热性能测试实验要求学生测算导热系数以及比热容等数据[3]。常用的导热测量方法有非稳态导热法和激光闪射法，两种方法的原理不同，使用的仪器设备也不相同。非稳态导热法主要运用的是傅里叶定律，是在准稳态的时间段内记录和测量数据，而激光闪射法是利用激光光源照射样品，瞬间完成测量并借助电脑软件采集数据分析计算。我们关注到，非准稳态导热法的实验装置简单，但测算得到的不是直接数据，需要通过计算获得导热系数，因而精度有限。而激光闪射法可以快速精准地得到导热系数，但是无法直观地向学生展示实验过程和具体的细节。因此，我们将这两种方法相结合。首先，带领学生梳理实验思路，明确实验所要达到的目的。向学生介绍两种方法，回顾和巩固两种方法使用的理论依据，列出物理模型和数学表达式。接下来进行激光闪射法的演示。不同于独立实验课程，激光闪射法在本实验中是一种辅助的测试方式，因此，教师应当减少占用课堂时间进行激光闪射法的实验准备过程。可用直观的原理图解释其原理方法，然后由教师操作完成测试，并利用电脑软件得出数据，操作的过程不应过长。笔者认为，对这种方法的演示，有助于拓宽学生设计非稳态导热法实验方案的思路，是衔接理论模型与设计实验之间的一座桥梁。下一步，引导学生根据实验要求，使用非稳态导热法来设计测试平台，包括从样品，隔热装置，测温装置，以及电流电压测量仪的准备，到逐步设计出测试模型，过程中可以形成良性循环，让学生发现误差来源和减少误差的方法。笔者在承接本门课程中，采用学生与教师互问互答的方式，不断给学生铺路，在道路上又设置各种问题，让学生解答，最终形成完整的装置，并且在互问互答的过程中，也让学生更透彻地理解使用的公式每一部分来源于实验装置的哪个环节，以及设计这些环节的原因。最终，由学生将两种方法的数据进行对比分析，总结不同方法的优势劣势。而这些分析，也有助于学生理解实际工程或者科研、如何选择合适的方案实验，以达到设定的实验目的。整个课堂最核心的部分就是教师与学生的互动。如何激发学生积极思考，如何引导学生一环一环达到实验目的，并最终得出结论。这对教师对课堂的把握要求很高，这也是在高等教育里如何将工程教育生动化的挑战，使学生具备运用材料科学原理、科学方法对材料研究的整体实验设计、实验方法制定及方案实施和评估的自我创新能力。
四、在反馈中持续改进
工程教育认证中另一大核心思想，就是在反馈机制中不断持续改进。没有一成不变的老师，也没有一成不变的学生，更没有一成不变的课堂，因此，在实践的反馈机制里不断改进教学方法，是每位教师持久的课题。在本文例举的实验中，我们可以通过课堂反响来改进课堂的进度和环节的设定。例如，如何在有限的课堂时间里，合理分配各环节的时间，把握启发学生思考的进度，这就要求实验课堂不能大，而应该是小班教学，正好符合工程教育认证的要求，在有充足的硬件配套设施的前提下，将学生小组化，小组分工合作的过程也能在提高学生团队协作能力上起到重要的作用。学生与学生之间，个体对于知识的接受程度的差异性，也是教师必须要考虑的方面。在课堂中，根据实验环境和条件，灵活巧妙地转变演示方式，或利用三维影像，或利用工程实例，都能达到良好的表达效果。而工程教育认证里，对学生参与解决实际工程问题的能力要求十分具体，因此，将产业与校园实验课堂相关联，也是未来实验课堂教学的重点和发展方向。作为课堂的主心骨，每位教师需要牢牢把握在固有的教学模式中灵活变通的思想。
参考文献：
[1]上海理工大学材料科学与工程学院.中国工程教育专业认证自评报告[R].上海理工大学,2016:172-175.
[2]上海理工大学材料科学与工程学院.材料物理综合实验教学大纲[Z].上海理工大学,2016.
[3]上海理工大学材料科学与工程学院.材料物理综合实验指导书[Z].上海理工大学,2015:21-24.
作者:汤赟 单位:上海理工大学
