基于复杂工程问题的无机非金属材料工程专业实验教学体系改革

摘  要：依据工程教育专业认证标准中对复杂工程问题的特征分析，针对当前专业实验课程涉及培养学生解决复杂工程问题能力训练不足的现状，结合中北大学无机非金属材料工程专业人才培养目标，以压电陶瓷/水泥复合材料综合实验为研究对象，从实验内容和教学模式两方面进行教学改革。多年实践结果表明，该教改工作有效提高学生解决复杂工程问题的能力，对无机非金属材料工程专业工程教育认证水平的提高具有积极的促进作用。

关键词：工程教育认证；复杂工程问题；无机非金属材料工程；实验教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）25-0134-05

Abstract： Based on the analysis of complex engineering problems in engineering education accreditation standards and the talents cultivation objectives of inorganic non-metallic materials engineering majors in North University of China， we have carried out an educational reform from the experimental content and teaching module of the comprehensive experiment course of ceramic-based piezoelectric composites， which intends to improve the insufficient training of solving complex engineering problems in the current experiment course. After years of practice， the teaching reform has effectively improved the ability of students to solve complex engineering problems， and exerted positive effects on improving the level of engineering education accreditation for inorganic non-metallic materials engineering majors.

Keywords： engineering education accreditation; complex engineering problem; inorganic non-metallic materials engineering; experimental teaching

1989年，来自美国、英国、加拿大、爱尔兰、澳大利亚和新西兰6个国家的民间工程专业团体发起和签署了《华盛顿协议》，其宗旨是通过建立多边认可的工程教育认证体系，实现各国高等教育机构工程类专业教育水准的实质等效，为工程师资格国际互认奠定基础，现在已成为国际上影响最广泛的工程教育学位互认协议[1-2]。2016年6月，我国正式加入《华盛顿协议》，被认为是中国高等教育取得的重大突破，标志着我国的工程教育迈向国际化发展的快车道。加入该协议，对提高中国工程教育人才培养质量，实现国家现代工业化的远景目标，加强中国工程制造业实力和国际竞争力具有重要的意义。因此，我国的高等院校亟需依照新的人才培养标准对课程体系和教学理念进行重新定义和改革[3-4]。

中北大学（以下简称“我校”）无机非金属材料工程专业创建于2001年，目前已形成新型无机材料和绿色建筑材料为主要方向的办学特色，办学以来累计为社会培养技术人才2 000余人。专业目标旨在培养适应社会发展需要和地方经济建设，能在新型无机材料、绿色建筑材料等相关行业和领域，从事无机非金属材料设计、制备、性能分析等方面的工程型技术人才。本文以我校无机非金属材料工程专业2020—2023年的实验课程改革为例，针对培养学生“解决复杂工程问题能力”的教学目标，以具体实验项目为例介绍实验教学体系改革的思路和方法。

一  工程教育认证标准对复杂工程问题的要求

基于《华盛顿协议》的毕业生素质要求细则，中国工程教育专业认证协会和教育部教育质量评估中心按照“国际实质等效”原则共同制定了《工程教育认证标准》，该标准包含两部分，即通用标准和专业补充标准，其中通用标准对学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件7个方面提出要求，专业补充标准则针对专业领域在以上一个或多个方面提出补充要求，所有项目全部达到相应标准，方可通过认证。对于工程教育而言，以学生为中心，以培养目标和毕业要求为导向，教师团队充分利用多样的教学资源确保各类教学课程的实施效果，并且通过合理的教学质量管控机制对课程内容进行持续改进，培养满足毕业要求的高素质学生，是高等院校人才培养工作的关键。因此，毕业要求也是工程教育认证中最重要的考核项目之一[5]。2022年版《工程教育认证标准》中毕业要求共12条，其中工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、沟通8项要求的具体内容中，均明确要求各项能力的指向是复杂工程问题，充分表明“培养学生解决复杂工程问题的能力”在工程教育中的基本定位[6]。

《工程教育认证标准》规定复杂工程问题必须具备7个特征，其中第1条“必须运用深入的工程原理，经过分析才可能解决”为必备，指出复杂工程问题的本质，第2条至第7条为部分具备或全部具备，是复杂工程问题的表象与补充。因此，当需要解决的工程问题超越常规方法和技术领域时，可以被认定为复杂工程问题[7]。高等院校的课程体系应建立在理解并掌握“复杂工程问题”本质的基础上，充分利用专业资源，对复杂工程问题进行深入探索，并做出全面解读，使达成度评价在教学实施过程中有据可依。全面研究学生“解决复杂工程问题”的能力提升方法，将成为开展工程教育的高校及相关专业教师着重关注的教学改革方向。

二  我校无机非金属工程专业实验课程教学存在的问题

根据《工程教育认证标准》，高等院校的课程体系应包括数学与自然科学类课程、专业理论课程、通识教育课程和实践教育课程，毕业要求则分解到相应教学活动中落实。实践教育课程作为衔接专业理论课程与学生就业之间的一个关键环节，是培养学生“发现问题-分析问题-解决问题”能力的重要载体。目前，国内高校的实践教育课程体系主要包括实验教学、课程设计、实习教学和毕业设计（论文）。其中，实验教学作为实践教学体系中最重要的组成部分，在培养学生发现、观察、分析和解决问题的能力方面，是其他课程难以取代的[8]。经过多年的摸索与改进，我校无机非金属材料工程专业对实验教学体系进行了总体优化设计，把4年的实验教学作为一个整体统一筹划。专业实验课在大四上学期开设，主要包含日用陶瓷综合实验、结构陶瓷综合实验、压电陶瓷/水泥复合材料综合实验，实验内容涵盖陶瓷材料的三个种类，实验类型包括基础性实验和设计性实验，本着“以学生为本”的教学理念，采用分层次、有梯度的教学模式，逐渐培养学生解决复杂工程问题的综合技能。

日用陶瓷综合实验和结构陶瓷综合实验可归入到基础性综合实验。首先测试陶瓷泥料的可塑性或陶瓷浆料的流动性，再采用不同的成型工艺制坯后烧结成瓷，通过对样品的物理性能和机械性能展开测试和分析，学生对实验室环境和操作安全等方面有了全面的认识与理解，学生的实践动手能力得到有效提高，为后续的压电陶瓷/水泥复合材料设计性综合实验做好充足的准备。压电陶瓷/水泥复合材料设计性综合实验涉及到学科多门课程和跨学科知识，目的在于培养学生解决复杂工程问题的能力，学生通过运用多学科的专业理论知识，针对实验项目背景和目标，采用多种实验手段和测试方法获取实验数据，并对结果进行分析和评价。

然而，在多年形成的人才培养体系中，重理论、轻实践、理论与实践的分割在工程教育中长期存在。同时，传统实验的教学模式下，教师和学生分别处于主体地位和从属地位，学生在上课前并未深入了解专业实验的背景及其与理论课程的联系，而是仅仅将实验指导书中提出的实验目的和实验操作步骤抄写到预习报告中作为课前预习；学生在上课时的表现也比较盲目，只是按部就班地操作实验设备，没有真正理解实验过程中涉及到的相关知识点；在课后撰写实验报告的过程中，学生以描写实验现象和记录实验数据为主，缺乏深刻的分析和思考，对于主动学习和拓展思路更无从谈起。尽管指导教师有针对性地开设了面向复杂工程问题的设计性综合实验，学生并没有主动参与到工程问题的分析与解决过程中，仍然需要指导教师提供问题的解决思路与方法。因此，指导教师需要建立新的实验教学机制，优化实验教学体系，通过实验教学过程控制实现学生“解决复杂工程问题能力”的培养目标。

三  以复杂工程问题为导向的实验体系设计

基于对复杂工程问题的理解，我专业指导教师以压电陶瓷/水泥复合材料综合实验为试点，通过持续完善实验教学体系，不仅使实验内容更加符合复杂工程问题的特征，而且促使学生在实验过程中全面运用工程原理和工程知识解决复杂工程问题，培养学生“解决复杂工程问题”的能力。

（一）  压电陶瓷/水泥复合材料综合实验内容设计

本实验将绿色建筑材料与新型无机材料两个专业方向相结合，要求学生设计一种压电陶瓷/水泥复合材料，该材料由压电陶瓷与水泥材料复合而成，既具有压电材料良好的介电、压电性能，还具有水泥材料的高强度和耐久性，可以用作土木结构健康监测系统的传感器材料。该实验项目内容很好地匹配了复杂工程问题的特征①、③、④、⑦。

1）实验项目符合必备特征：①必须运用深入的工程原理，经过分析才能解决。学生需要综合应用无机非金属材料工程专业知识来分析和解决问题，不是单纯的一、两种理论知识，而是要掌握多种技术原理和工程知识。最重要的是，项目没有唯一的标准答案，每个项目小组可以通过不同的方法达成项目目标。

土木工程健康监测系统由传感器子系统，数据采集、处理和管理子系统，以及安全评估和预警系统组成，通过分析土木结构在不同服役期或荷载作用下的响应信号推断结构特性的变化情况，可以及时评估和预警土木工程结构的缺陷或损伤。该实验项目以土木工程健康监测系统的压电传感器材料为背景，学生通过深入分析压电传感器的工作原理及其在工程应用环境中对材料的特殊要求，提出适用于该系统的压电传感器材料体系，确定实验目标。然后，根据项目的实施环境约束（实验室原材料、陶瓷坯体成型设备、高温烧结设备等）和项目需求约束（传感器材料关键性能指标），充分考虑成本和周期要素，结合复合氧化物压电陶瓷材料合成与烧结制度等工程技术原理，设计并优化实验方案。在确定实验方案后，采用相应的实验室原料及设备，实现压电陶瓷材料合成、陶瓷坯体成型与烧结，以及压电陶瓷/水泥复合材料制备，通过检测复合材料的介电、压电性能，判断复合材料性能是否满足项目需求，通过组装压电传感器，搭建土木工程健康监测系统，采集和分析混凝土标准结构在破坏过程中形成的信号特征参数，实现对混凝土结构损伤的精准判断。

2）实验项目符合选择特征③和④需要建立合适的、具有创造性的抽象模型，并且采用非常用方法实现目标。通过创建合适的抽象模型，可以协助学生正确理解和预测复合材料结构对性能的影响规律，并选择相应的工艺方法制备复合材料。

根据压电相与水泥相的不同联通方式，压电陶瓷/水泥复合材料可以分为十种基本类型，即0-1、0-2、0-3、……、1-3、2-2型，第一个数字代表压电材料的联通方式，第二个数字代表水泥材料的联通方式。学生可以利用Pro-E、SolidWorks等三维建模软件绘制相应的模型，再通过设定边界条件，利用Ansys数值模拟软件计算不同结构复合材料的介电、压电性能，得到压电复合材料结构与性能之间的联系。学生可以选择不同工艺制备压电陶瓷/水泥复合材料，例如将压电陶瓷粉体与水泥材料直接混合后成型制备0-3型压电陶瓷/水泥复合材料，也可以结合实验室现有仪器设备，采用非常规的成型工艺，如将压电陶瓷块体切割成柱状或片状后填充水泥浆料得到1-3型或2-2型压电陶瓷/水泥复合材料。