工程教育认证背景下复合材料专业课程体系设置

王丽雪,王佳杰,王慧文,梁 岩

(黑龙江工程学院 材料与化学工程学院,哈尔滨 150050)

2016年6月我国正式成为《华盛顿协议》缔约成员[1],标志着我国高等工程教育进入一个新阶段。工程教育认证以“学生中心、成果导向、持续改进”三大理念为核心[2],围绕“解决复杂工程问题的能力”对学生进行培养[3]。这样的培养方式提高了学生的培养质量[4],增加了学生的就业竞争力,且可以实现学历教育国际等效[5]。目前,我国已有多所高校依据各学科领域的工程教育认证标准开展了专业认证工作。

复合材料专业是随着我国国防、航空航天、汽车、化工、能源等关键行业的需求而发展起来的新兴专业,培养满足现代材料学科高科技化和产业化发展需求,掌握复合材料与工程领域的基础理论、专业知识和实践技能,能够在相关领域从事科学研究、技术开发、材料设计、产品设计、工艺设计、生产运行及经营管理等方面的专业人才。对于地方性应用型高校而言,如何依据材料类专业工程教育认证标准进行课程体系设置,对培养应用型高级专门人才具有重要意义。文中以黑龙江工程学院为例从材料类工程教育认证标准和复合材料专业课程体系设置原则、设置内容、运行效果等方面阐述针对应用型工程人才培养的课程体系构建过程。

1 工程教育专业认证标准

课程是实施教学活动的重要载体,是实现学生应具有的知识、能力、素质等学习成果的主要渠道,因此,课程体系的构建是实现人才培养目标和毕业要求的关键环节。教育研究专家林健教授认为:培养卓越工程师的课程体系应达到四个方面的价值取向[6]:(1)满足培养目标需要的根本价值;(2)体现学科专业领域整体的继承和发展价值;(3)反映参与高校人才培养的特色价值;(4)体现学生主体发展的最终价值。在进行复合材料专业课程体系构建时参考了材料类专业工程教育认证标准、国家专业质量标准、行业企业专家、学生就业单位及相关师生的意见和建议,其中,重点考虑了材料类专业工程教育认证标准。

工程教育认证标准涵盖七大项内容,依次为学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍、支持条件,并从课程、师资、条件三方面提出补充标准[7]。工程教育七项认证标准间的相互关系如图1所示。以学生为中心,通过专业培养达到培养目标要求,培养目标是依靠毕业要求来支撑,而毕业要求是通过课程体系来达成,课程体系中各门理论、实践课程又依靠师资队伍和教学条件提供支持。在每项标准实施过程中应注重效果的评价与持续改进。工程教育七项认证标准环环相扣、相互依存,构成严密统一的系统。

图1 工程教育专业认证标准

毕业要求是学生在经过四年本科教育后应达到的标准,是“产出导向”的核心内涵[8],是进行专业课程体系设置的主要依据。专业认证标准中将毕业要求分列为12条,分别从知识、能力和素质方面提出具体要求,如表1所示。在进行专业课程体系设置前对毕业要求进行细致研究,根据专业培养目标和我校的人才定位将12条毕业要求分别拆分成2～5个指标点,使每个指标点前后承接,能够精准地体现对学生知识、能力和素质的要求,能够利于展现学生的学习成果,并能够明晰为了达到毕业要求所需的教学要求,为构建专业课程体系提供明确参考。

表1 工程教育专业认证的12条毕业要求[9]

2 复合材料专业课程体系的设置原则

2.1 成果导向原则

工程教育强调成果导向[10-11],就是学生经过四年的学习后能够获得相应的学习成果,达到毕业要求。因此,课程体系的设置应紧密围绕毕业要求,落实到各个毕业要求指标点上,建立从“毕业要求出发确定教学目标、教学内容”的思维。明确每门课程支撑的毕业要求,建立课程与毕业要求指标点之间的关系矩阵,并根据课程在培养学生能力中的贡献大小赋予权重,设置学时、学分。在课程教学大纲上进一步体现教学目标与毕业要求指标点之间的对应关系、教学内容与教学目标之间的对应关系、教学方法与教学内容之间的对应关系及教学目标与评价方法之间的对应关系等。

2.2 学生中心原则

以学生为中心,即是以学生的认知规律为中心、以学生的学习成果为中心、以学生的职业发展为中心。在进行课程体系设置时,应充分考虑学生的学源、知识结构、能力素养要求,从学生应具有的自然科学类、人文素养类、工程基础类、专业教育类、实践技能类等多方面考虑。课程应不乏基础经典知识理论,又体现新材料、新技术等前沿关键知识应用;既能够传授知识、培养能力,又能够启迪思想、引领价值;最重要的是实现应用型材料类工程人才培养目标。

2.3 专业特色原则

复合材料是应现代工业高速发展需求而产生的先进材料,世界各科技强国均在其重大发展战略规划中将复合材料作为重点突破领域和关键技术领域[12-14]。为使专业培养的工程人才能够满足复合材料及其学科的发展需求,在课程体系设置时坚持体现专业特色原则,紧密围绕复合材料的组分设计、工艺设计、结构设计及复合材料的加工成型、设备使用等环节设置相应课程,尤其是能够培养学生工程实践意识、提高专业实践技能的各类实验、集中实践、企业实习、毕业论文(设计)等环节。

2.4 多方参与原则

在支撑毕业要求达成的同时,为了使课程体系能够紧跟行业发展趋势、满足企业人才需求、符合学生对知识的认知规律,在进行课程体系设置时聘请行业企业专家、学生就业单位、往届和应届毕业生分别通过来校座谈、教师走访、电话访谈、问卷调查等方式,使多方人员都能够参与其中。各方人员结合自身优势对设置的课程提出意见和建议,并针对学生解决复杂工程问题能力的培养,对课程内容的深浅程度、课程运行的衔接顺序、课程目标的考核方式等内容进行探讨,以口头或书面的形式进行反馈。

3 复合材料专业课程体系的设置内容

3.1 课程体系的设置过程

课程体系设置时,首先考虑开设课程必须满足各项毕业要求中对学生知识、能力、素养的培养要求,从而支撑毕业要求的达成[15],充分体现成果导向作用。按照“明确、公开、可衡量、支撑、覆盖”的原则将12条毕业要求分别进行拆分,最终获得32条毕业要求指标点,每个毕业要求指标点均详细阐述了学生毕业时能力要求的核心要素。为培养学生的这些核心能力,在每个毕业要求指标点下设置相应的课程。

以我校毕业要求5为例,支持其能力达成的课程设置如表2所示。毕业要求5主要是培养学生解决复杂工程问题时对现代工具的使用能力,依据毕业要求5的具体内容,将其由浅入深拆分成3个指标点。指标点5-1是较基础的能力,即让学生具有收集相关信息和使用网络工具的能力,为此设置了3门课程。“大学计算机”是让学生了解计算机的基本原理、使用功能和进行网络信息收集和处理的方法;“先进材料发展前沿”是让学生了解复合材料领域的社会需求、发展现状及发展趋势,同时,掌握专门的文献检索方法,进一步熟练计算机在网络中的使用;“毕业论文”是学生专业知识和各种能力的综合使用阶段,可以充分体现学生检索信息、使用工程工具和信息技术工具的能力。指标点5-2在5-1简单地应用计算机收集信息的基础上,要求学生能够利用专门的计算机语言或辅助设计软件表述复杂工程问题,因此设置了“C语言程序设计”“计算机在材料分析中的应用”“虚拟仿真在材料科学中的应用”“计算机辅助设计集中训练”4门课程。其中,“C语言程序设计”“计算机在材料分析中的应用”“虚拟仿真在材料科学中的应用”虽为理论课程,但也设置了课内实验环节,让学生在了解C语言程序编写和相关软件在材料学领域中应用的理论知识基础上,能够通过实验来验证和熟悉C语言和软件的使用方法;“计算机辅助设计集中训练”作为集中实践环节,能够将前期学习的相关理论知识和计算机或软件的使用能力进行综合,达到巩固和提升现代工具使用能力的要求。指标点5-3则要求学生能够结合复合材料专业知识,针对复合材料相关复杂工程问题进行专用设备的选择、使用和相关数据的正确处理,因此设置“材料分析测试技术”“复合材料工艺与设备”“专业综合实训”3门课程。其中,“材料分析测试技术”课程重点讲述材料分析测试中通用设备的原理、构造及使用方法;“复合材料工艺与设备”课程重点讲述针对树脂基、金属基及陶瓷基三种典型复合材料的成型及性能检测时专用设备的原理、构造及使用方法;而“专业综合实训”则是重要的专业技能训练环节,学生针对某一复合材料相关的复杂工程问题开展调查研究,制定实验方案,选择仪器设备实施相关实验,并对实验数据进行分析处理最终获得有效结论,从而实现专业综合能力的提升。

表2 毕业要求5中课程的设置

为了体现学生中心,使设置的课程体系符合学生的认知规律,满足服务于地方经济发展、面向生产一线的应用型高级专门人才定位,同时体现知识的系统性、结构性,使知识框架的构建能够清晰地展示知识结构,按照模块化方式将复合材料专业课程体系分为:通识教育课程模块、专业教育课程模块和综合教育课程模块三大部分,每个模块中的课程又分为理论课程和实践课程两类。通识教育模块侧重思政课程、自然科学类课程和人文素养课程,通过课程学习使学生具有较高的政治觉悟和道德修养,并能够对简单工程问题进行适当表述及求解,结合专业知识对复合材料加工、制备、改性等相关工程问题进行解释;专业教育模块包括工程基础、材料类基础、专业基础、专业必修及专业选修课程,通过课程学习,使学生能够针对复合材料成分、结构、工艺、性能等进行复杂工程问题的设计、计算、分析、合理评价,同时考虑非技术性因素,如环境、社会、安全等方面的影响;综合教育模块注重学生人文社会科学素养、终身学习和适应发展等能力的培养。各个模块中包含的课程及学分情况如表3所示。课程总学分为180学分,三个课程模块的学分比例分别为:通识教育模块占44%,专业教育模块占52%,综合教育模块占4%。

表3 复合材料专业课程体系

为了体现专业特色,在通识教育课程基础上,按照材料类大类招生原则,设置材料类基础课程和复合材料专业教育课程。在充分考虑材料与化学工程学办学历史沿革及我国和地方经济发展需求的前提下,以聚合物基和金属基复合材料为主要办学方向,以轻质高强复合材料和绿色环保复合材料为重点研究方向,按照复合材料设计、选材、成型、性能分析与检测及相关产品应用与管理的复合材料产业一体化为背景设置复合材料专业教育课程体系,使“复合材料原理”“复合材料力学”“复合材料结构设计”“复合材料工艺与设备”“复合材料产品设计”“复合材料生产工艺实习”等理论和实践课程由浅入深、一脉相承。专业教育课程体系如表4所示。

表4 复合材料专业教育课程设置

同时遵循多方参与原则,邀请行业企业专家、学生就业单位及毕业生对初期制定的课程体系进行审阅,依据各方的反馈建议进行课程体系的改进与完善。例如,行业企业专家建议加强计算机类课程设置,因此,课程体系设置时使“计算机类课程四年不断线”,从第一学年的“大学计算机”开始,到“C语言程序设计”,再到“计算机辅助设计集中训练”“虚拟仿真在材料科学中的应用”等,使学生能够连续、不间断地进行计算机类课程的学习和实践,从而完成学生信息检索、程序设计、模拟仿真等能力的培养。

3.2 课程体系对毕业要求的支撑

工程教育认证标准中对课程体系内各类课程的学分比例进行了明确规定,其中数学与自然科学类课程学分至少占比15%;工程基础类、专业基础类课程与专业类课程学分至少占比30%;工程实践与毕业论文(设计)类课程学分至少占比20%;人文社会科学类通识教育课程学分至少占比15%。对设置的复合材料专业课程体系中各类课程的学分比例进行统计核算,以上四类课程的学分占比分别为15.3%、33.9%、22.8%、17.1%,可见各类课程均能够达到标准要求。

为支撑12条毕业要求中学生核心能力的培养,建立每门课程与毕业要求指标点之间的关系矩阵,使每一个指标点有2～4门课程支撑,并以每门课程对毕业要求指标点的贡献程度为依据,赋予各门课程权重值,支撑某一毕业要求指标点的各门课程权重值加和为1.0。部分课程与毕业要求指标点间的对应关系及其权重值如表5所示。

表5 课程与12条毕业要求指标点的对应关系及权重值

课程体系中的每门课程均支持毕业要求指标点的达成,它们在传授知识、培养能力和提升素质方面都会发挥各自特有的作用。以专业实践课程中的“复合材料生产工艺实习”课程为例,该课程属于校企合作课程,是学生了解企业运营、提升专业技能的一个重要环节。课程由实习企业人员和学校专业教师共同指导,让学生通过企业实践了解典型复合材料产品的成型、加工、管理和应用等情况,了解相关的行业标准、职业道德等内容,能够依据实际需求进行复合材料产品的结构设计、工艺设计与成型加工等。该课程以小组的形式进行,主要包括典型复合材料产品的方案论证、成本核算、选材及结构设计、成型工艺设计与评定、项目实施与数据处理、撰写报告几个环节,该课程对学生能力的培养及支持毕业要求指标点情况见图2。各个实践环节均针对特定的核心能力进行培养,同时由于该课程项目是以小组合作的方式进行,因此,小组成员在协同完成复合材料方案论证、成本核算等环节的过程中又提升了各自的团队合作与沟通交流能力。

图2 “复合材料生产工艺实习”课程对毕业要求的支持情况

4 复合材料专业课程体系的实践

以工程教育专业认证标准为主要依据设置的我校复合材料专业课程体系已在教学中运行实施,且效果良好,主要体现在课程对毕业要求的支撑及学生能力的培养两方面。

4.1 毕业要求的达成

从课程体系的运行效果看,已运行的各门课程均能够很好地支撑毕业要求的达成。以课程体系中材料类基础模块中的“材料科学基础”课程为例,该课程共支撑两个毕业要求指标点,分别为指标点1-4和指标点2-1,对应的权重值分别为0.3和0.5。依据该课程所支撑的毕业要求指标点设有3个教学目标,其中教学目标1对指标点1-4达到100%的支撑,教学目标2和教学目标3共同支撑指标点2-1,分别占比60%和40%,通过所有课程目标的达成,来达成该课程所支撑的毕业要求指标点。教学目标通过考试试卷(70%)、课内实验(20%)和课程作业(10%)进行考核,每个考核项制定详细的考核量规,在进行课程目标达成度计算时,将以上三种考核项的内容依据实际需求分别进行拆分,用于支撑对应的教学目标。例如,教学目标1达成时,试卷内容中的50%、实验内容中的50%和作业内容中的55%均对其进行支撑,将以上三项按照权重折算分别为35%、10%、5.5%,再将折算的权重值加和即可得到课程目标的额定值50.5%,而在额定值中试卷、实验和作业的占比分别为69%、20%和11%。若某一学生的试卷成绩为72分、实验成绩为78分、作业成绩为87分,则其教学目标1的总评分为72×69%+78×20%+87×11%=74.85,教学目标1的达成度为74.85×1/100=74.85。全班同学的教学目标1达成度则用全体同学的总评分平均值×权重值/100即可获得,如下表6中教学目标1的达成度0.82即是用此方法算得。以此类推,可以算出教学目标2和教学目标3的达成度分别为0.45和0.28。则某学生课程目标Ai的总评分为

表6 材料科学基础课程参核项及达成度计算

(1)

式中:Wij为考核项j对课程目标i的贡献权重(考核项可以是试卷、实验、报告、说明书等);Cj为考核项j的学生成绩。

所以,课程目标i的达成度为

Bi=Wi×所有学生Ai的平均分/100.

(2)

式中:Wi为课程目标i所支撑毕业要求指标点的贡献权重。

利用课程目标达成度即可算出该课程支撑的毕业要求指标点的达成度,即指标点1-4的达成度为0.82×0.3=0.246、指标点2-1的达成度为(0.45+0.28)×0.5=0.365。可见该课程所支撑的两个指标点的达成度均超过其权重值的75%,则该课程对毕业要求的支撑良好。

4.2 学生能力的培养

通过课程体系中相关课程的学习,学生掌握了系统的专业知识,学会了解决材料领域工程问题的实践技能,并通过大学生创新创业训练项目、科研项目研究、学科竞赛等活动,使综合能力得到大幅度提升。近年来,我校复合材料专业学生参加省级大学生创新训练项目近10项,获得“全国金相技能大赛”国家级一等奖1项、二等奖1项;获得“西钢杯”大学生创新大赛省级一等奖1项、三等奖1项;获得“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛省级二等奖1项。由此可见,该课程体系能够较好地满足专业工程技术人才的培养,支撑毕业要求和人才培养目标的达成。

5 结束语

课程体系是实施专业教育的重要内容,是实现专业人才培养目标、达成毕业要求的最根本途径。对专业课程体系的设置应有理可循、有据可依,所设置的课程应科学、合理、可行。以工程教育认证标准为依据,按照成果导向原则,结合行业企业需求和学生认知规律进行复合材料专业课程体系设计与构建,使课程体系能够满足应用型工程人才培养的需求。