基于OBE-CDIO模式的復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實(shí)踐
——以沈陽(yáng)化工大學(xué)為例

馬馳，王娜，于智

（沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110142）

復(fù)合材料是將兩種或兩種以上化學(xué)或物理性質(zhì)不同的材料，通過(guò)先進(jìn)制備技術(shù)組合優(yōu)化而成的一種新型材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、裝備制造、電器電子等領(lǐng)域，其不僅在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中占有重要地位，而且已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。復(fù)合材料與工程專業(yè)正是以培養(yǎng)具備復(fù)合材料專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和生產(chǎn)應(yīng)用技能的高素質(zhì)人才為目標(biāo)的普通高校本科專業(yè)，其于2012年正式納入《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》，近年來(lái)隨著復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)該類(lèi)型人才的需求量也大幅增加，對(duì)人才的培養(yǎng)質(zhì)量要求也越來(lái)越高，截至2020年10月，全國(guó)已開(kāi)設(shè)有復(fù)合材料與工程專業(yè)的學(xué)校有44 所，如何提升復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，對(duì)接國(guó)際工程教育認(rèn)證，構(gòu)建合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，已經(jīng)是開(kāi)設(shè)該專業(yè)的全國(guó)各高校關(guān)注的焦點(diǎn)。在復(fù)合材料與工程專業(yè)能力培養(yǎng)中，利用計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代科技手段解決復(fù)合材料領(lǐng)域中復(fù)雜工程問(wèn)題已成為十分重要的能力培養(yǎng)目標(biāo)之一，也是國(guó)際工程認(rèn)證重點(diǎn)考核畢業(yè)要求之一，但由于復(fù)合材料與工程專業(yè)建設(shè)起步較晚，且計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)屬于交叉領(lǐng)域?qū)W科，對(duì)教師知識(shí)面的深度和廣度要求較高，全國(guó)尚沒(méi)有完善的案例可參考，亟須探索出一套切實(shí)可行的、符合中國(guó)國(guó)情的復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系。沈陽(yáng)化工大學(xué)于1996年便開(kāi)設(shè)了復(fù)合材料與工程專業(yè)，目前已有近三十年的歷史，并且于2003年率先為復(fù)合材料與工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程，經(jīng)歷近20年的努力，在計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本文從復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)中先進(jìn)培養(yǎng)理念引進(jìn)、課程體系優(yōu)化、教學(xué)模式創(chuàng)新、訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)、考核方式改革等方面入手，探討復(fù)合材料與工程專業(yè)人才培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)和模式，為提高復(fù)合材料與工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，提升學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)手段解決復(fù)雜工程能力提供有益參考，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)復(fù)合材料與工程專業(yè)發(fā)展，對(duì)接國(guó)際工程認(rèn)證具有重要借鑒作用。

一、復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系的現(xiàn)狀

目前理工科院校開(kāi)設(shè)的復(fù)合材料與工程專業(yè)，大都延續(xù)了傳統(tǒng)材料學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，比較注重材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)體系和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，開(kāi)設(shè)的課程內(nèi)容主要包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理、材料化學(xué)、復(fù)合材料加工工藝學(xué)和復(fù)合材料成型設(shè)備與模具等課程，很大程度上可幫助學(xué)生建立起復(fù)合材料學(xué)研究所需的專業(yè)知識(shí)體系，而像計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)、電工學(xué)、管理學(xué)等課程長(zhǎng)期以來(lái)主要作為公共選修課或限選課加以開(kāi)設(shè)，用來(lái)作為專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充，而沒(méi)有受到足夠的重視。對(duì)于計(jì)算機(jī)能力的培養(yǎng)，有的院校僅單純地依賴非本專業(yè)的老師開(kāi)設(shè)的“計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)”一門(mén)課作為支撐，在未進(jìn)行工程認(rèn)證之前，這種現(xiàn)象在很多開(kāi)設(shè)該專業(yè)的高校中十分普遍。目前，對(duì)于計(jì)算機(jī)類(lèi)課程體系的設(shè)置本身存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（一）對(duì)于計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的重視程度不夠

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)日新月異，滲透到復(fù)合材料制備的每一個(gè)環(huán)節(jié)，甚至已經(jīng)成為復(fù)合材料學(xué)研究的一個(gè)重要分支，僅以通識(shí)性的計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)作為復(fù)合材料與工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)能力支撐顯得過(guò)于單薄，也無(wú)法保障學(xué)生在畢業(yè)后能夠獨(dú)立利用計(jì)算機(jī)解決復(fù)合材料學(xué)中的問(wèn)題，因此，僅僅通過(guò)這一門(mén)課的安排顯然無(wú)法達(dá)到學(xué)生計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的要求，亟須院校提升對(duì)計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的重視程度，以更好地支撐復(fù)合材料與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）計(jì)算機(jī)類(lèi)課程內(nèi)容過(guò)于單一，缺乏專業(yè)性和實(shí)效性

近年來(lái)隨著國(guó)際工程教育認(rèn)證的開(kāi)展，各專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)模式也越來(lái)越完善。在國(guó)際工程教育認(rèn)證體系中，對(duì)于學(xué)生畢業(yè)時(shí)的計(jì)算機(jī)能力也有著明確的要求，在十二項(xiàng)畢業(yè)要求中占據(jù)著十分重要的地位，因此越來(lái)越多的院校也逐漸意識(shí)到計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的重要性，不但將“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程設(shè)為必修課，而且增加了“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”等課程，以期為該項(xiàng)能力培養(yǎng)提供更好的支撐。但在實(shí)際操作的過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)課程是一門(mén)新興的課程，可參考的經(jīng)典案例很少，很多高校的復(fù)合材料專業(yè)大都采用了之前針對(duì)金屬類(lèi)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的課程內(nèi)容和教材，里面包括相圖的計(jì)算機(jī)輔助分析、鍛造等工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真等內(nèi)容，與復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相差甚遠(yuǎn)，針對(duì)性不強(qiáng)，并且由于該教材是十多年前編寫(xiě)的，近年也沒(méi)有再版，一些新型的計(jì)算機(jī)分析手段也沒(méi)有提及，實(shí)效性大打折扣，亟須引入復(fù)合材料相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容和先進(jìn)的分析方法來(lái)提高學(xué)生對(duì)該現(xiàn)代分析手段的認(rèn)知。

（三）目前所采用的教學(xué)手段較為單一，實(shí)踐性不強(qiáng)

目前大多數(shù)院校講授的計(jì)算機(jī)類(lèi)課程其理論學(xué)時(shí)都占了大多數(shù)，而實(shí)踐內(nèi)容較少，不利于學(xué)生充分掌握計(jì)算機(jī)技能。雖然計(jì)算機(jī)理論在計(jì)算機(jī)使用過(guò)程中有著十分重要的作用，但計(jì)算機(jī)實(shí)際操作技能在學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜材料學(xué)問(wèn)題時(shí)起著至關(guān)重要的作用。重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)方法，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)，高校亟須提升計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的實(shí)踐上機(jī)學(xué)時(shí)數(shù)，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力。

（四）師資力量薄弱，考核方式單一

由于是要培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決復(fù)合材料工程中的問(wèn)題，這就要求任課教師既要懂得計(jì)算機(jī)知識(shí)，還得了解復(fù)合材料學(xué)中的一些基本原理，該領(lǐng)域?qū)儆诮徊鎸W(xué)科領(lǐng)域，對(duì)任課教師的能力要求較高，以往全部請(qǐng)計(jì)算機(jī)專業(yè)的老師任教，顯然無(wú)法達(dá)到專項(xiàng)能力培養(yǎng)的要求，而復(fù)合材料與工程專業(yè)的老師又很少有計(jì)算機(jī)專業(yè)背景，凸顯出該類(lèi)課程優(yōu)秀任課教師的匱乏、師資質(zhì)量亟待提高等問(wèn)題。此外，對(duì)于計(jì)算機(jī)能力的考核方式大多仍停留在筆試考核，由于筆試考核的局限性，很難反映學(xué)生真實(shí)的利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

伴隨著國(guó)家“雙一流”建設(shè)和國(guó)際工程教育理念的深入人心，高校人才培養(yǎng)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，但傳統(tǒng)復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系嚴(yán)重滯后于目前專業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，很難滿足國(guó)際工程教育認(rèn)證對(duì)于學(xué)生該方面能力的要求，因此對(duì)復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)課程體系的改革具有充分的必要性和緊迫性。

二、復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系的改革內(nèi)容

通過(guò)國(guó)際工程教育認(rèn)證使全國(guó)各具有復(fù)合材料與工程專業(yè)的院校都充分認(rèn)識(shí)到了對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的重要性，但是如何構(gòu)建完善的、可操作性強(qiáng)的、針對(duì)復(fù)合材料與工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的教育教學(xué)體系，成為困擾教育教學(xué)管理者的難題。近年來(lái)，針對(duì)這一問(wèn)題，沈陽(yáng)化工大學(xué)進(jìn)行了多次的教學(xué)體系改革，逐漸探索出一條適合復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的新途徑和新舉措，取得了良好效果，具體改革內(nèi)容如下：

（一）先進(jìn)培養(yǎng)理念引進(jìn)

對(duì)于一個(gè)專業(yè)來(lái)說(shuō)，完善的教學(xué)體系，離不開(kāi)先進(jìn)培養(yǎng)理念的指引。為了適應(yīng)目前復(fù)合材料的發(fā)展方向和現(xiàn)代化人才培養(yǎng)要求，沈陽(yáng)化工大學(xué)在復(fù)合材料與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和具體課程大綱的制定上就充分吸收和引入先進(jìn)的教育教學(xué)理念，以“113”應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建為基礎(chǔ)，引入成果導(dǎo)向（OBE）的優(yōu)秀人才培養(yǎng)理念，遵循構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作（CDIO）的人才培養(yǎng)模式?！?13”人才培養(yǎng)模式基于反向設(shè)計(jì)原則，強(qiáng)調(diào)能力本位教育，要求能力結(jié)構(gòu)與課程體系之間有一種清晰的映射關(guān)系。通過(guò)對(duì)在校生、畢業(yè)生和用人單位等的走訪、問(wèn)卷調(diào)查、電話和會(huì)議交流等方式獲得對(duì)復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)具有的計(jì)算機(jī)技能的第一手資料。然后根據(jù)調(diào)研結(jié)果，通過(guò)專家工作組和專業(yè)教師的多次研討，將需求轉(zhuǎn)換為人才培養(yǎng)目標(biāo)，再根據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)將人才培養(yǎng)目標(biāo)確定為學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)具有的計(jì)算機(jī)知識(shí)、能力和素質(zhì)的畢業(yè)要求，依據(jù)OBE 理念將畢業(yè)要求細(xì)化為復(fù)合材料與工程專業(yè)的畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而落實(shí)CDIO 模式的第一個(gè)環(huán)節(jié)正是課程體系設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)CDIO 工程教育模式的深入學(xué)習(xí)和討論，理清了計(jì)算機(jī)類(lèi)課程體系設(shè)計(jì)的思路。以課程間的知識(shí)、方法、問(wèn)題等邏輯聯(lián)系為結(jié)合點(diǎn)，通過(guò)課程的整合，設(shè)置了課程群，建立了課程之間的有機(jī)聯(lián)系，使先進(jìn)培養(yǎng)理念融入每一個(gè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)。

（二）課程體系優(yōu)化

在OBE+CDIO 培養(yǎng)模式的指引下，沈陽(yáng)化工大學(xué)對(duì)復(fù)合材料與工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)課程體系進(jìn)行大幅優(yōu)化，進(jìn)行了課程的“加減法”。原先第二學(xué)期開(kāi)設(shè)的“計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)”課程不變，但學(xué)時(shí)由原來(lái)的48 學(xué)時(shí)減少為32 學(xué)時(shí)，取消第四學(xué)期開(kāi)設(shè)的“C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”限選課，在第五學(xué)期增加“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”課程，并且由原先的32 學(xué)時(shí)增加為40 學(xué)時(shí)，并且將原先的24 學(xué)時(shí)理論+8 學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)踐，改為16學(xué)時(shí)理論+24 學(xué)時(shí)上機(jī)，大幅增加學(xué)生實(shí)踐比例。此外，在第七學(xué)期還增加了復(fù)合材料制品的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，增加其實(shí)際解決復(fù)合材料問(wèn)題的應(yīng)用能力。并且在畢業(yè)論文中，也安排一部分學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真針對(duì)某一實(shí)際生產(chǎn)單位的復(fù)合材料產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行成果導(dǎo)向的專項(xiàng)研究與創(chuàng)新實(shí)踐。

（三）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

摒除目前復(fù)合材料與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)類(lèi)課程教學(xué)中陳舊性或針對(duì)性不強(qiáng)的課程內(nèi)容，取消在“計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)”中的DOS 操作原理，“計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用”中的金屬相圖分析軟件的使用等內(nèi)容講解，僅提供相關(guān)素材和資源供其校外閱讀。增添復(fù)合材料與工程專業(yè)使用較多、實(shí)用性較強(qiáng)，并且符合時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的專業(yè)軟件課程內(nèi)容。如增加PAM-RTM、MoldFlow 等復(fù)合材料制備及加工仿真軟件的使用講解，引入如Origin、ImageJ 等數(shù)據(jù)和圖片處理軟件的介紹，拓展Matlab 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及復(fù)合材料網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容講解。在實(shí)際授課過(guò)程也一改以往單一的理論教學(xué)，引證更多的實(shí)例，使學(xué)生在每一個(gè)案例中逐漸體會(huì)軟件的思路和具體的操作技巧。如在講解PAM-RTM 使用時(shí)，以復(fù)合材料層合板為例，講解不同纖維鋪設(shè)方向?qū)?fù)合材料力學(xué)性能和熱力學(xué)性能影響的仿真分析，使內(nèi)容更符合應(yīng)用實(shí)際。在ImageJ 的教學(xué)中，以無(wú)機(jī)粒子在聚合物基體中的分散為例，講解利用該軟件進(jìn)行粒徑分析的具體過(guò)程，進(jìn)而判斷其分散狀況，而不是枯燥地講解每一操作菜單的使用，使學(xué)生通過(guò)實(shí)例來(lái)理解軟件的操作邏輯，再結(jié)合理論課的內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)軟件的計(jì)算原理，以后根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合合理使用適當(dāng)?shù)姆椒?，使學(xué)生在掌握軟件使用方法的同時(shí)，提升其再開(kāi)發(fā)的能力。通過(guò)設(shè)置更加合理的課程教學(xué)內(nèi)容，更好地服務(wù)后續(xù)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文研究的需求，支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。此外，為了提升教師在該方面的教學(xué)和專業(yè)技能，派遣有潛力、高素質(zhì)的優(yōu)秀年輕教師利用假期積極參與專業(yè)軟件的應(yīng)用技能培訓(xùn)班，并且不定期地舉辦周?chē)盒Ｏ嚓P(guān)專業(yè)的教學(xué)研討會(huì)，不斷提升教師在該方面的教學(xué)理念和教學(xué)水平。

（四）考核方式改革

計(jì)算機(jī)類(lèi)課程傳統(tǒng)的考核方式大多為筆試，但是該類(lèi)課程大多為實(shí)際應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，筆試很難考查出學(xué)生的真實(shí)能力水平。為了更好地考查此類(lèi)課程的教學(xué)效果，沈陽(yáng)化工大學(xué)復(fù)合材料專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的考核方式也進(jìn)行了大膽地改革，取消平時(shí)成績(jī)的比例限制，教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況大幅提高平時(shí)成績(jī)的比例，使計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的期末成績(jī)不再“一考定輸贏”，淡化期末考試成績(jī)的重要性。但這種考核方式并不代表完全放松對(duì)學(xué)生的考核要求，為了配合這種考核方式，必須制定嚴(yán)格的平時(shí)成績(jī)判定標(biāo)準(zhǔn)和行程性評(píng)價(jià)制度。要求在教師在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中，不但要及時(shí)認(rèn)真地評(píng)閱和收集學(xué)生的課后作業(yè)和實(shí)踐結(jié)果，還要求所有作業(yè)和實(shí)踐練習(xí)必須做到“一人一題”，避免學(xué)生的簡(jiǎn)單復(fù)制，造成大量雷同。如在進(jìn)行利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行聚酰胺的分子式繪制時(shí)，安排學(xué)生根據(jù)學(xué)號(hào)繪制不同的分子式，學(xué)號(hào)第一位加1 為多元酸的碳原子數(shù)，第二位為多元胺的碳原子數(shù)，這樣就使每一位同學(xué)繪制的分子式都不同，更有利于對(duì)其真正能力進(jìn)行考查，并通過(guò)在實(shí)踐過(guò)程中的按比例打分的模式，對(duì)學(xué)生實(shí)踐過(guò)程、思路想法和最終結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判，使平時(shí)成績(jī)更加客觀，并且結(jié)果要在第一時(shí)間公布給同學(xué)，接受學(xué)生監(jiān)督，所有平時(shí)成績(jī)相關(guān)的行程性評(píng)價(jià)內(nèi)容都必須有據(jù)可查，確保最終成績(jī)的合理性和有效性。

三、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的不斷探索和改革，針對(duì)復(fù)合材料與工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)體系構(gòu)建取得了積極成果，經(jīng)在校生的綜合測(cè)評(píng)，計(jì)算機(jī)類(lèi)課程的滿意度由2015年的63.8%，提升至2020年的95.2%。在對(duì)用人單位的問(wèn)卷調(diào)查中，認(rèn)為畢業(yè)生計(jì)算機(jī)能力可基本滿足企業(yè)需要的由原來(lái)的42.3%提升至92.1%，教學(xué)改革效果十分明顯，有效提升了復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生的社會(huì)認(rèn)可度，也是對(duì)OBE-CDIO 人才培養(yǎng)模式的有益探索和實(shí)踐。復(fù)合材料專業(yè)是一個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力的體現(xiàn)，該領(lǐng)域?qū)I(yè)高技能人才的培養(yǎng)對(duì)我國(guó)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到至關(guān)重要的作用，只有不斷提升人才培養(yǎng)理念，完善人才培養(yǎng)體系，才能使國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)水平與國(guó)際接軌，為社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技發(fā)展提供更有效的智力支撐。