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・216・2021年第50卷以培养解决复杂工程问题能力为导向的无机非金属材料 卢杨，王复栋，张全庆，郝春来，原天龙，赫丽杰
(营口理工学院，辽宁营口115000)
摘要：无机非金属材料工程专业实验作为专业工程教育的重要组成，是培养学生解决工程问题能力的重要载体。本文以营口理工学院无机非金属材料工程专业实验为例，通过构建以解决工程问题为驱动的教学模式、引导多层次实验教学体系联动、以科研促教学、创新教学方法及完善实验考核评价方法五方面，探索以培养解决复杂工程问题能力为导向的专业实验教学方法。 关键词：专业实验；工程问题；教学改革
中图分类号:G642文献标识码：B文章编号：1008-021X(1011)05-0116-01
随着我国成为《华盛顿协议》正式成员，标志着我国的工程教育积极迈向国际化发展的快车道。作为新兴的工程教育大国，为培养具有国际影响力和竞争力的工程类专业人才提供质量保障制度，有助于我国毕业生的学历学位和工程师等资格将得到国际社会的互认与通行根据《华盛顿协议》相应制定的我国工程教育专业认证体系，体现了工程教育专业认证与其他类型工程教育相互区别，将培养解决“复杂工程问题”能力作为核心内容的显著特征［2］。因此，高等院校的工程教育专业认证体系应建立在理解并掌握“复杂工程问题”的特征与内涵的基础上，深入研究如何提升学生解决“复杂工程问题”的能力，将成为开展工程教育的高校及相关专业重点关注的教学改革方向。
中国工程教育认证协会给出了“复杂工程问题”的基本特征，并指出在必须满足特征(1"的前提下，应同时满足特征(2) ~(7)的部分或全部，各特征内容总结如下：(1)必须使用深入的工程原理知识才可能解决的问题；(2)涉及多学科的工程技术知识和不确定因素，并容易产生相互冲突；(3)需要借助体现出创造性的抽象模型才能解决；(4)依靠常规方法往往难以完全解决的；(5)问题的各因素可能不完全属于专业工程认证规范中；(6)涉及相关的各方利益有所偏差;(7)属综合性问题，常包含多个相关的子问题。
在理解并掌握“复杂工程问题”的基本特征与内涵的基础上，本文以营口理工学院无机非金属材料工程专业实验为例，探索以培养解决复杂工程问题能力为导向的专业实验教学方法。结合我校无机非金属材料工程专业应用型人才的培养目标，通过分析并改进实验内容与教学方法，旨在从专业实验教学改革的角度，切实提高学生对复杂工程问题的解决能力，从而提升无机非金属材料工程专业的工程教育
认证水平。
1构建以解决工程问题为驱动的教学模式
教师在传统教学活动模式中处于主体地位，而学生处于从属地位，学生主要通过教师单纯的讲授来接收知识。加拿大教育学者Bar—ws则针对这种单一的传统教学模式提出了以问题为驱动的PBL(Problem Based Learning)教学模式。该模式是在教师的引导下，基于现实世界的以学生为中心，以专业领域内的各种问题为基础，并以问题为驱动规划学生的学习内容，进而引导学生独立寻求解决问题方案的教育方式［3］。师生间在此模式下不再是制度上的支配与从属关系，而是借助以问题为驱动的教学模式来实现和谐、积极充满活力的学习气氛。根据PBL教学模式以问题为驱动的核心特点，有必要进一步构建以解决工程动学，学解决工程
题能力奠定基础。
我校无机非金属材料工程专业在大三上学期开设黏土-水系统双电层实验、热重分析、黏土离子交换量的测定及固相反应动力学专业基础实验。通过调研学生反馈的情况，发现由于前两年学生主要接触公共课，对专业知识了解还不够全面，以及相关教材和讲义主要是针对单个实验项目本身，并没有相关的课程导入环节。学生在上课前并不知道该专业基础实验是干什么的，与本专业有什么关系，造成学生上课时比较盲目，常常为了上实验课而做实验，容易造成学生的专业兴趣下降，解决复杂工程问题
更是无本之木。基于此，我们通过构建以解决工程问题为驱动的教学模式，设置具有引导性、应用性及开放性的问题，提前一周布置给学生。如引入德国科学家Tern在1924年提出的经典双电层模型，通过模型讲解黏土-水系统双电层引起电泳现象的原因，以及电泳现象在汽车工业电沉积汽车底漆、医学上分离血清蛋白的应用进展等。需要学生查阅相关文献资料并予以分组讨论，形成教师有针对的构建问题，学生有准备的解决问题，对于学生解决困难的工程问题，教师则在实验课正式开始前以课程导入的形式予以解决，使学生提前掌握实验原理、，有于解决工程力'理，实验过程中，一步作
的待解决工程问题点，教师仔细观察学生实验操作过程，不轻易干涉实验的进行，不以实验最终解果评判实验成功与否，而是更注重实验过程，以解决问题点数评判学生实验成绩，形成解决工程动学，备解决工程
教学基础。
2引导多层次实验教学体系联动
专业实验教学是培养学生“工程能力”最重要的环节之一。但长久以来，实验课常常处于辅助理论课教学的地位，因而许多大学的实验课一般是由青年教师授课，由于很多青年教师缺少科研经历和企业工作经历，实验课的内容也仅仅局限于这一节，实验内容与实际工程技术之间，以及各个实验项目间有何联系？哪些实验与这个实验在知识和技术上相关？要解决以上问题，则需要引导多层次实验教学体
系联动，这就要求专业实验师必有业历'于有业历
教师，本专业积极联系专业相关企业，通过访问工程师制度实现教师的企业工作经历，提升教师的解决复杂工程问题的能力。
工业机器人装配我校无机非金属材料工程专业于2013年首次招生，由于专业建设起步晚，多层次实验体系还不不够完善，尤其是作为提升解决复杂工程问题能力重要手段的创新设计性实验体系薄弱。因此我们首先构建了本专业多层次实验教学体系，着重对创新设计性实验体系进行了完善。单个实验项目以及单一层
收稿日期：2020—2—0
基金项目：营口理工学院校级教改项目(JG2019005)
作者简介：卢杨(1986$)，工学硕士，中级实验师，主要从事无机非金属材料实验教学
第5期卢杨，等：以培养解决复杂工程问题能力为导向的无机非金属材料工程专业实验教学改革-217-
次的实验体系不足以培养学生解决复杂工程问题的能力，必须在构建多层次实验教学体系的基础上实现联动⑷。因此对于基础、综合、创新设计各层次的实验项目在设置上应有关联性，专业基础实验提高学生对于复杂工程问题的认知层面，专业综合实验使学生真正面向专业领域的各种工程问题，而创
新设计性实验则以选修的形式使学生创造性的解决其感兴趣的某一实际复杂工程问题灼。多层次实验体系围绕培养解决复杂工程问题这一最终目标形成多条主线，而不是孤立的点，如表1所示。
表1无机非金属材料工程专业实验体系
主线
多层次体系构成
专业基础实验(必修)综合实验(必修)创新设计实验(选修)主线一黏土-水双电层*水泥工艺实验*耐火浇注料研制
主线二失重分析实验*陶瓷工艺实验*特种陶瓷制备与设计主线固相反应动力学*工艺实验*高纯玻璃成分设计与熔制主线岩相分析实验*材工艺实验*镁碳砖配方设计与制备
3以科研促教学提升学生解决复杂工程问题能力科研和教学是高等教育的两个重要组成部分，两者相互促进、相互提高，并且不可分割。专业实验教学作为科研项目的重要支撑，直接关乎学生能否参与并实施科研项目，只有充分掌握了专业实验原理与技能才能能巧妙地设计科研方案并顺利实施。同时，将科研成果应用到实验教学中，能使实验内容更加丰富、生动与深刻，有助于更好的解释实验现象和实验结果[6]。
近年来将无机非金属材料工程专业科研项目所取得的研究成果引入专业实验教学过程中取得良好效果。如2018年立项的校级科研项目“新型刚玉质低水泥浇注料结合剂研制”在研究了水泥含量对浇注料性能影响的基础上研制了低水泥刚玉浇注料，所取得的成果应用到主线一(表1)的专业实验体系。2019年校级项目“纳米氧化铝粉体制备及其分散性研究”中关于纳米级氧化铝粉体的制备研究对于主线二实验体系中陶瓷材料相关实验有很好的指导促进作用。而2018年的校企横向课题“成型方向对镁碳砖使用性能影响机理的研究”与2019年的省部级项目“电熔氧化镁工艺改进及电熔氧化镁过程中杂质迁移的研究”则在耐火材料方面取得很多研究成果，此有助于丰富主线四中耐火材料相关实验内容，使实验内容更加契合企业生产实际过程中的工程问题，并通过省级科研项目研究成果更好的解释一些复杂的实验现象和实验结果，切实提升学生解决复杂工程问题能力。大厦扇
4学
考虑到综合与创新设计性实验涉及的实验设备较多、专业知识面涵盖范围广的特点，在上课前将实验目的、设备简介、基本操作以及该实验在近年所取得的研究与应用进展等内容以录课视频的形式发给学生，有利于学生提前了解相关实验内容与设备情况，充分做好实验预习，不仅为专业实验正式开课营造氛围，而且拓宽了学生自主学习专业实验的空间。刮奖卡制作
在专业实验授课过程中，则注重将现代软件工具与实验过程相结合，提高学生实验效率与工程设计能
力⑺。如在耐材工艺实验中的显气孔及体积密度测定项目引入XQK03显气孔体密自动分析测定软件，能有效提高实验效率，并在撰写实验报告过程中则要求利用传统的数据推到方式计算结果与软件测定结果相比较，进行误差分析，有助有提高分析与处理能力。在特种陶瓷制备与设计实验中，由于其主要原料AJO3具有多种同分异构体，因此利用Materials Studio计算软件对a-A—O3、"-AJO3、$-AJO3等同分异构体结构进行基本建模，能直观的比较各种A—O3的结构与性质特点，有助于学生选择适合本组的原料配方进行特种陶瓷制备与设计。
5完善实验考核评价制度
结合复杂工程问题能力特征，应注重完善综合和创新设计性实验的考核评价制度，着重考查学生的分析能力、综合能力与创新设计能力。学生分析能力的评价应以能够运用物理、化学和材料科学与工程的基本原理、文献来认知、表达、分析实验问题、实验过程和实验结果；而综合能力的评价则不仅包含对于多种工程技术及专业知识的掌握与运用，也包括实验操作以及团队协作能力。创新设计能力则要求学生具有创新的思路与方法，能够设计针对实验问题的解决方案，设计满足特定理化性能要求的专业工程材料[8]o
将专业基础实验、综合及创新设计实验整体纳入考核，总平均分低于60表明该生基本的专业知识与工程能力欠缺；60-70分表明其能够认知并初步分析工程问题;70-80分表明其具备分析并解决简单的工程问题的能力；80~90分表明其能够运用合解决一些业内工程；分90分
则表明其具有一定的创新与工程设计能力，初步具备解决复杂工程问题的能力。从近两年无机材料专业实验教学改革的效果来看，取得了一定的效果，学生解决专业工程问题的能力有所提高，受到用人单位的肯定，为地方工业经济发展发挥作用。
参考文献
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砭石枕
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(本文文献格式：卢杨，王复栋，张全庆，等.以培养解决复杂工程问题能力为导向的无机非金属材料工程专业实验教学改革[J].山东化工，2021,50(5)：216-217.)
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