周昌荣 袁昌来 陈国华 许积文

【摘 要】工程教育认证是一流本科教育与国际接轨的一体化要求，而工程教育认证教育中重要的一环是培养出具有解决复杂工程问题能力与创新精神的毕业生。本文基于解决复杂工程问题能力的视角，在功能陶瓷材料的教学过程中，将教学内容、教学理念和教学方法进行了一系列的变革，从学生所学的不同课程知识交叉、结合工程实际问题，从原理、过程及解决问题措施等方面强化解决复杂工程问题与创新能力的训练。

【关键词】功能陶瓷材料;工程教育认证;复杂工程问题;教学改革

中图分类号： TB34-24文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）07-0135-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.056

【Abstract】Engineering education certification is the requirement of integration for first-class undergraduate education with international integration. An important link of engineering education certification is that providing graduate with ability to solve complex engineering problems and creative spirit. A series of changes of content of courses， teaching idea and teaching method were made base on the ability to solve complex engineering problems in curriculum of functional ceramics materials. The trainings of ability to solve complex engineering problems and Innovation ability were conducted by knowledge crossing of different courses， combined with engineering practical problems.

【Key words】Functional ceramic materials; Engineering education certification; Complex engineering problems; Teaching reform

0 前言

《功能陶瓷材料》是材料科学与工程专业功能材料方向一门重要的专业课程，主要培养学生掌握典型功能陶瓷材料的种类、组织结构、性能特点以及它们之间的关系及制备方法。

要求学生能识别和判断实际生产过程中出现的复杂功能材料工程问题，考虑材料与环境、经济性、有效资源等多种制约因素，利用功能陶瓷材料的原理，合理地提出解决配方优化和性能改进的方法。在完成学习后能根据功能陶瓷材料实际应用工作条件合理选材，并根据功能特性初步设计功能陶瓷材料的组成与工艺，能运用功能陶瓷材料的新知識、新理论、新技术和新工艺，开发材料的功能特性，设计新的功能元器件。

在一流本科教育与工程教育认证的背景下，以新经济、新产业为引领的科技创新视野下，新的功能陶瓷材料应用非常快捷，广泛应用的功能陶瓷材料更新换代也非常频繁，传统的教材、教学内容、教学方式已经不能满足当前本科教育的需要，课程教学内容、方式急需改变，以培养学生解决复杂工程问题的能力及创新性[1-5]。因此，本文基于一流新本科教育与工程教育认证为契机，以培养学生工程能力与创新精神为目标，探索功能陶瓷材料新的教学内容与方式的变革。

1 功能陶瓷材料解决复杂工程问题教学内容与方式的实践

1.1 教学内容中增加功能陶瓷材料新进展、新应用

传统的功能陶瓷材料定义通常具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、化学、生物等，或者耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等性能的陶瓷材料。在介绍功能陶瓷材料的定义时，介绍功能陶瓷这个概念的演绎过程，并与先进陶瓷材料、精细陶瓷、特种陶瓷、新型陶瓷、高技术陶瓷等不同名称对比，加深学生对功能陶瓷材料的认识。

另一方面随着功能陶瓷材料的迅速发展，各种新性能、新应用不断被研究人员发现，并在新的领域应用，因此，在授课过程中，除了讲解这些典型功能陶瓷外，还必须补充这些在传统功能陶瓷上延申出来的新材料。例如，在讲解铁电功能陶瓷时，把它与铁磁材料进行类比。在此基础上，说明传统的铁电陶瓷为什么要求是绝缘陶瓷，但是现在铁电-半导体新材料的出现，颠覆了以往铁电陶瓷的概念、原理及应用，在铁电光伏、铁电催化、铁电杀毒灭菌、铁电光电子等领域产生层出不穷的新领域、新应用。在铁电-半导体新材料的基础上，现在铁电导电材料，甚至铁电超导材料及理论都被研究人员开发出来，并有可能在将来产生一些黑科技应用。

当然，要进行这方面的内容改革，需要授课老师不断更新自己的知识库，紧跟功能陶瓷材料各个领域的研究前言，对老师的能力提出更高的要求。不过在当前互联网+的大环境下，授课老师需要采用新的工具来获得最新的知识，比如关注一下功能材料领域的微信号，或者在ResearchGate上关注相关领域课题组的信息，这样，一旦有新的功能材料出现，都能第一时间获得资讯，同时可以更新丰富本课程的内容。

1.2 在传统教学内容中培养解决复杂工程问题的能力

传统的功能陶瓷材料对性能的要求种类繁多，如果按照平铺直叙的教学方法，学生会感到非常乏味，并失去学习热情。这样，在课堂教学过程中，一定要引入常见的生活用品作为例子，来引出材料科学与工程问题，从而紧紧抓住课堂教学的注意力与适时抛出工程问题，引导学生在课堂上讨论。比如，在讲解电介质陶瓷时，从大家常用的手机入手，引入多层陶瓷电容器（MLCC）的电功能材料问题，如图1所示。告诉大家现在的手机做的越来越精细，功能越来越多，离不开超微型化MLCC在手机上的应用。并从大学物理、数学、金属材料与功能陶瓷材料四门课程的结合来阐述材料科学与工程问题。

比如超微型电容器追求超高介电常数的原因来自数学与大学物理所学的公式：C=εrS/d（相对介电常数εr， 面积S， 极板间距d）。这样，设计微型化高电容，就要求增加电极面积S，降低介质厚度d，从器件设计的角度，采用MLCC的结构，并进一步引导是否还有其它方式可以实现类似MLCC的效果，并引入晶界半导体晶粒型电容。

在此基础上，从材料设计的角度，进一步说明为什么介电陶瓷需要高介电常数εr，从而引出复杂工程问题，并当场进行场景角色转换，假如自己就是公司该项目的技术负责人，如何设计实现超微型化高电容器件？在课堂讨论的基础上，在引入金属材料中的电极问题。电容器陶瓷介质与电极共烧，陶瓷烧结温度高，只能采用贵金属铂、钯作为电极材料，从历史发展的进程，说明为什么以前电器价格昂贵的原因，成本降低与电极材料的关系。低烧陶瓷材料与技术的进展，后面可以采用价格价格相对便宜的银作为电极材料。随着家电器竞争的加剧，成本需要进一步降低，需要采用成本更低的溅金属如Ni，Cu等作为电极材料。但是这些溅金属Ni，Cu等在与陶瓷介质共烧过程中容易氧化失去导电性，所以需要在保护气氛如还原性气氛烧结，但是也带来陶瓷介质材料被还原导电的问题，进一步引导大家讨论解决办法，比如研发抗还原瓷料的方法。但是抗还原瓷料也带来功能陶瓷材料课程后面内容“敏感陶瓷材料”中需要瓷料能被还原形成半导体的问题，为后面敏感材料的复杂工程问题的解决埋下伏笔，这样整个课堂内容与体系在培养学生解决复杂工程问题的能力上形成系统、综合及有机的统一。

2 結语

本文结合我校材料科学与工程专业参与工程教育认证过程中，在功能陶瓷材料专业主干课程中，在课堂教学内容与方式进行变革探索，将传统功能陶瓷材料的内容与现在最新的研究、应用进展有机结合，将孤立、分散的不同功能陶瓷材料整合成一个系统，从数学、物理、金属材料与功能陶瓷材料四门课程交叉的角度，从具体应用的元器件出发，并将科研成果融合到课堂教学内容中，激发学生学习兴趣，培养学生解决复杂工程与创新能力，取得较为明显的成效。

【参考文献】

[1]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求，高等工程教育研究，2016，5，17-38.

[2]马万征，李忠芳，马月芹，李孝良.工程教育认证+“新工科”背景下《材料力学》教学改革的研究，山东化工，2018，47，169-192.

[3]张彩丽，杨海波.工程教育专业认证背景下基于STEM理念的复杂工程问题的构建，西部素质教育，2019，5（04），172-173.

[4]宋歌.《华盛顿协议》视域下工程科技人才职业能力提升路径探析，高教论坛，2018，12，76-78.

[5]夏伟怀.建构主义视角下的本科工程教育教学设计研究，大学教育，2018，10，4-7.