助推创新能力培养的材料类选修课改革实践

摘要:培养创新型卓越工程人才是发展新工科的重要任务之一。本研究面向战略性新兴产业推行材料类选修课的教学改革,以在线开放课程建设引领“翻转课堂”的教学模式,以问题解决为导向实施研讨式教学改革,构建了关注学习过程的成绩评价体系,形成了“课堂教学”与“课外科技创新”相互促进的联动机制,凸显了以产业、学科和科研的发展成果反哺教学的科教融合特色,在学生的知识更新、思维拓展、工程训练和实践创新等方面取得了显著成效。

“新工科”建设是高等院校为应对新一轮科技革命与产业变革的严峻挑战,面向产业发展需求大力实施的工程教育改革,为“创新驱动”等国家战略提供充足的人才储备[1~3]。众所周知,课堂教学是人才培养的主渠道,课程建设是实现人才培养目标的重要基础。工科专业选修课在巩固学生的专业基础,拓宽学生的知识面,培养学生的创新思维,提高学生解决复杂工程问题的能力,增强学生的就业竞争力等方面都发挥着重要作用[4,5]。然而,随着工程教育不断深化,工科专业选修课存在的教学内容陈旧、教学模式单一、教学方法低效等问题日益凸显,逐渐沦为专业课程体系中的短板,部分课程甚至变为学生“混学分”“开小差”的环节,对于人才培养的支撑作用严重弱化[6,7]。本研究以材料类专业为例,深入剖析制约专业选修课教学质量的症结所在,并提出具有实践成效的教改策略以供参考。

一、材料类选修课存在的突出问题

1、课程设置与产业发展水平脱节新材料是信息、能源、装备制造等高新技术的物质基础和发展支撑,新材料产业的转型升级要求培养更多的复合型、创新型工程技术人才,材料类选修课的设置满足了学生从事材料领域应用研究、技术开发、设计制造和生产管理等工作的需要。然而,材料类专业培养方案是在学生入学前制订完成的,而学生要经过2~3年才进入专业选修课的学习阶段,此时,有些课程已经脱离产业热点,仍在关注传统的、落后的行业技术,与产业发展水平严重脱节[8,9]。有些专业在制定培养方案之前缺乏必要的行业调研,甚至长期沿用一套培养方案,或者在修订时只调整课程的开课学期与课时数,很少考虑各门专业选修课开设的适用性与创新性。

2、教学内容偏离工程应用实际

工科专业选修课面向学生未来就业与长远发展的需求,在学生掌握自然科学与专业基础理论的前提下,瞄准学科特定领域,关注前沿发展动态,着力培养学生的创新思维和分析、解决问题的能力[10]。由于专业选修课学时较短(大多为24学时),教师必须对教学内容进行精心的选择和设计:既要介绍产业现状,又要关注学科前沿;既要体现课程的信息量与覆盖面,又要对教材内容加工整合、适当取舍[11]。然而,有些教师在授课时不能准确把握专业选修课的教学目标,选取的教学内容要么理论枯燥、晦涩难懂;要么陈旧过时、偏离实际,学生很难学到契合工程实际的知识和技能,使得这些课程难以发挥培养实践创新能力的作用。

3、教学方法难以激发学习积极性

目前,高校中普遍存在“重科研、轻教学”的现象,部分教师在教学方面投入的精力严重不足,甚至自身对选修课就存在轻视态度,认为专业选修课在课程体系中处于从属地位,因而只满足于完成教学任务,忽视培养学生自主探索知识的能力,对于教学方法的改进和创新缺乏动力。个别教师授课方式呆板,照本宣科,机械地将知识灌输给学生,缺乏必要的交流互动和启发引导,课堂气氛沉闷尴尬。学生对于这些“水课”毫无学习兴趣,上课变成了混日子、混学分,无法实现信息获取、知识运用和能力提升等教学目标。

二、教学改革的可行性

首先,增大专业选修课比重是推进个性化培养和素质教育的必然趋势,随着无机非金属材料工程、材料化学、高分子材料与工程、新能源材料与器件等专业转变为按材料大类招生,相关专业的培养方案经历了新一轮修订,其中最突出的变化之一就是增大了专业选修课比重,鼓励学生更为自主地选择适合自身发展的专业课程,并将更多的时间和精力投入到探索求新的学习活动中;其次,专业选修课的教学内容覆盖面广、优化空间大。教师可以不指定教材,只需要根据教学大纲的框架为学生推荐几本参考书。而且,教师对于课程知识点的把握具有较大的灵活性,可以从学生志趣出发,面向学科与产业发展前沿,围绕产业链环节所涉及的知识体系规划教学内容;其三,专业选修课与工程应用的关联度大,更适合构建多样的教学模式。材料类选修课可以融入很多新材料领域的关键问题,教学过程以问题解决为导向,将研讨式、探究式教学与经典的讲授式教学相结合,以学生为主体、教师为主导组织教学活动,有利于培养学生自主学习和创新实践的能力[12]。此外,任课教师更容易利用科研成果反哺教学。专业选修课的教学内容要体现新工科的“跨界性”特征,介绍材料科学在信息、能源、环保、生物医学、航空航天等领域的应用成果,这就要求教师具有更广博的知识面,了解本学科边缘和交叉学科的工程技术,善于将最新的科研成果融入教学实践,让学生在更深层次和更高水平上实现知识的理解与应用。

三、教学改革的实践措施

本研究以培养学生的实践创新能力为出发点,从以下四个方面推行材料类选修课的教学改革:

1、面向产业需求完善课程体系

材料类专业的培养方案必须贯彻新工科发展要求,将专业选修课提升到与专业必修课同等重要的地位,体现多元化、创新型人才的培养理念。在修订方案前,专业教师首先要到兄弟院校的相关专业走访调研,或者深入行业企业、校外实习单位听取建议,充分了解学科热点和产业需求,优化专业课程体系,充分评估所开课程与产业发展的关联,提高工程教育课程在专业选修课的比重。例如,本专业关注到传统搪瓷产业在近年来的转型升级,及其在建筑、钢铁、造船、家电等行业的广泛应用,在专业培养方案中增设了《搪瓷工艺学》选修课。相关课程对于巩固专业理论,扩展专业视野,培养创新思维及工程应用能力具有重要作用。

2、面向技术发展优化教学内容

在课堂教学实践中,任课教师要注重将最新的技术成果融入教学内容,尤其要将本领域的新理论、新技术、新工艺、新设备作为核心知识点,引导学生关注前沿领域、拓展国际视野,深刻认识产业的发展趋势与前景,提高学生知识结构的时效性。以贴近实际的案例启发学生思维,通过背景铺陈、案例递进、研讨分析、结论归纳的思路逐步揭示科学原理。例如,任课教师在《材料改性技术》课中介绍涂层结构时,分析了我国空军的歼-20隐形战斗机的吸波涂层相对于美、俄、法等国的先进机型的技术优势;在《先进陶瓷材料》课中讲解陶瓷增韧机理时,展示了自主研制的抗摔陶瓷手机外壳……类似的教学内容不仅容易激发学生的学习兴趣,而且有利于培养学生的爱国情怀、职业理想和求知精神。此外,还要优化教学内容的呈现方式,充分利用在线开放课程的优势,按照知识点的布局录制微课,通过视频、动画、图像等信息化手段生动地呈现教学内容,为学生创设形象化的学习情境,将抽象的基础理论和陌生的技术工艺生动地展现出来。

3、面向实践创新改革教学方法

本研究在讲授式教学以外,还增设了研讨式和实践性教学环节。根据教学内容设计一系列与工程应用相关的研讨课题,依托《材料学概论》《材料工程认知》等在线开放课程构建学生课前自学、课上研讨的翻转课堂,增强学生学习的主动意识与探索意识,将学习过程从课堂延伸到图书馆、实验室,学生在课余时间主动查阅资料、开展实验探索,在工程实践中培养学生的创新思维能力与团队协作精神。在研讨课上,鼓励学生以PPT等形式展示成果,由知识的“输入者”变成“输出者”,使学生的逻辑推理、语言表达、思维应变能力得到锻炼,实现知识学习——实践探索——成果产出——能力提升的良性发展。例如,任课教师在《聚合物流变学》课中讲授“流变测量学”时,设计了“聚丙烯的剪切黏度测试”专题实验,不仅让学生掌握了毛细管流变仪的工作原理和操作方法,也加深了对“影响剪切黏度的因素”等知识点的理解;在《材料改性技术》课中介绍热喷涂技术时,引导学生在创新实验项目中利用喷涂法构筑特殊结构的高性能电极,相关成果获得湖南省第六届大学生化学实验技能和化学化工创新竞赛二等奖,并在国际知名期刊《CeramicsInternational》发表。

4、面向过程评价实施考核改革

本研究组成员先后在《材料改性技术》《无机材料机械设备》《专业英语(无机材料)》等专业选修课中开展了课程考核改革,改变了单纯通过考试评定学生成绩的传统考核方式,强化了学习过程管理,实现了知识考核与能力考核并举,让成绩评价与创新能力培养的课程目标相一致。具体改革措施包括:提高平时成绩比重(由占总评比重的40%提高到60%),制定多模块的考核方式和全面细致的成绩评定标准,平时成绩不仅依据学生的到课率,还要衡量课堂研讨、研究论文、实验报告、随堂测验、大作业等任务成果的完成质量,为学生适当“增负”,加大学业挑战,促使学生增加日常学习的精力投入,彻底改变“平时上课慵懒、考前集中突击”的不良学习习惯,全面提高学生的课程学习水平和实践创新能力。

四、教学改革的理论成果与实践成效

1、实现了材料类选修课改革的理论创新

通过在材料类选修课中实施研讨式教学改革,证明了师生关系重构的可行性,完成了“翻转课堂”的成功尝试,提出了衔接基础理论与实际应用的新思路,构建起“课堂教学”与“课外科技创新”相互促进的联动机制,以专业选修课的建设与改革为抓手,推动学生实践创新能力的培养,形成了以产业、学科和科研的发展成果反哺教学的科教融合特色。

2、教师的教学水平明显提升

近5年,本研究组成员获批省级以上教研教改项目3项,提出了材料类选修课的教学设计与教法运用策略,建立了在线开放课程建设、共享和应用的成功案例,获得省级以上教学竞赛奖励4项,课堂教学质量受到学生、专家和同行的一致好评。通过对相关成果的总结与凝练,发表教学改革研究论文11篇,为材料类选修课的课堂教学改革提供了理论储备。

3、学生的创新能力明显提高

近5年,本专业本科生获得省级大学生研究性学习与创新性实验计划项目5项,获得国家级、省级学科竞赛和创新创业竞赛奖励4项,本科生以第一、第二作者(导师第一)在国际知名期刊发表SCI论文6篇,获得发明专利授权15项。上述成果凸显出材料类选修课改革对于提升人才培养质量的支撑作用。

参考文献[1]张望,白英,梁丽芳.面向新工科的高校创新型人才路径探究[J].高教学刊,2019(7):4-7.[2]张俐丽,白雪,何胜阳.新工科背景下大学生创新能力培养模式探索[J].黑龙江教育(理论与实践),2018(12):20-21.[3]张伟,王方,胡正发,等.面向新工科创新人才实践教育模式探索——以电子科学与技术专业为例[J].大学教育,2019(3):140-142.[4]胡盛祥,李丽娟,王轶卿.融入创新思维培养新工科大学生创新能力的探索与实践[J].教育现代化,2018,5(52):27-30,53.[5]胡勇,赵龙志,刘德佳.新工科背景下基于产出导向的人才培养模式构建[J].铸造技术,2019(1):129-133.[6]孙迎辉,江林.新工科背景下新能源材料与器件专业人才培养质量标准初探[J].创新创业理论研究与实践,2018(16):11-12.[7]舒龙龙,周耐根,王雨,等.材料类专业中科研融入教学法的应用探索[J].教育教学论坛,2019(2):189-191.[8]杨育圣,孙鹤.选修课中教学方法的改进探索与实践思考[J].教育教学论坛,2019(3):212-213.[9]孙秋菊,初增泽,武士威,等.《高分子物理》选修课的教学改革与探索[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2018(4):377-380.[10]王永红,张春晨,苏勇,等.材料类学科平台课程的教学改革与实践——以合肥工业大学《材料工程基础》课为例[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2018(5):123-127.[11]李存军,张瑞,王林江.基于材料专业大类招生培养视角下的“材料学概论”课程教学改革与实践[J].教育现代化,2018(10):58-60.[12]马晓川.本科生课外科研与创新型人才培养[J].高校实验室工作研究,2018(3):94-95.

作者:刘鹏,叶昌,陈曙光,杨现锋,李海斌;作者单位:长沙理工大学材料科学与工程学院

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