理工科專業課科研嵌入式教學模式探索

楊艷春 田曉 李衛

摘 ? ?要：文章從嵌入式教學模式對于創新型人才培養的現實意義出發，以材料物理專業“薄膜材料與技術”課程為例，基于當前“薄膜材料與技術”課程教學現狀與存在的問題，提出理工科專業課科研嵌入式教學實踐策略。科研嵌入式教學模式綜合理論、實踐與科研的優勢，將教學和科研相結合，通過實踐應用鞏固理論知識，以此培養學生成為具備創新型素質的人才。

關鍵詞：理工科專業課;材料物理;教學模式;薄膜材料與技術

中圖分類號：G642.3 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2020）05-0032-03

一、科研嵌入式教學模式應用的意義

“嵌入式”這一概念最初來源于計算機領域，在計算機領域里，嵌入式系統是將軟件與硬件結合起來，進行綜合性開發的系統，用于滿足不同行業的人們對計算機的專業需求[1]。借鑒其綜合性的特點，結合現代教育理念，教學工作者們提出了嵌入式教學模式這一概念，即在傳統教學模式的基礎上，依據不同學科及不同年齡段學生的需求，適度地嵌入一些國內外先進教學理念，使傳統的教學模式變得多元化[2]。多元化教學模式會讓課堂教學變得多姿多彩，不同學科的課堂需求也會促使教師對多元化教學模式的不斷創新。對于理工科專業課來說，課程之間都存在著緊密的關聯性，且內容學習都需要較強的邏輯性。任一理工專業課的主要知識點學習，學生都要對其有深刻的記憶，由此及彼，延伸到其他專業課的學習。如若所有的專業課教師都采取傳統的灌輸式授課方式，長期以往就會削弱學生對學習專業課的興趣及求知的欲望，甚至還會產生厭學情緒。為了避免這樣的情況發生，高校的理工科專業課課堂需要采用多元化的教學模式，調動學生課堂參與的積極性，提高學生學習專業課知識的興趣以及課堂的教學質量。而且，授課教師通過采用多元化的教學模式，還可以實時了解學生掌握知識點的程度，及時得到學生對課程內容學習的反饋，有效改進現有的教學模式。最重要的是，多元化教學可以促使學生對課程內容進行多方面的課外拓展，這對課程建設及培養新型人才都具有重要的意義。

本文中所指的多元化教學模式為科研嵌入式教學模式，即在科研課題實踐的前提下，開展基礎理論教學。在前期的科研課題實踐過程中，學生通過操作實驗，觀察實驗現象，得出實驗結果。在此過程中，學生也勢必會遇到各種各樣的問題，這包括與之相關的實驗原理理解、實驗步驟操作、實驗儀器使用、實驗注意事項、實驗結果異常等。如何解決這些問題，就為后期理論教學提供了索引條件。在后期課堂教學中，圍繞課題實施過程中所遇到的問題，教師講授與之相關的專業課知識，學生運用所學的專業課知識自主解決前期遇到的問題和難題。通過這樣的方式，不僅能培養學生的學習能力，由之前的“被動”學習模式變為“主動”學習模式，還可以培養學生解決實際問題的能力，實現理工科大學生應具有的基本的專業技能。

二、“薄膜材料與技術”課程現狀

“薄膜材料與技術”是材料物理專業中極具代表性的一門專業課，其所涉及的知識面較廣，且學科交叉性較強，課程內容基本包括了物理、化學、材料、機械、電子等多學科領域。而內蒙古師范大學材料物理專業當前開設的專業基礎課主要以材料學科和物理學科為主，知識點分布的領域較窄。顯然，學生現有專業基礎課的知識儲備量不能滿足該課程的需求。因此，筆者認為傳統的講授型教學模式不能完全適合“薄膜材料與技術”這門課程，教學方式需要進行有效的改革探索。當前，內蒙古師范大學材料物理專業“薄膜材料與技術”課程存在的問題如下。

（一）課程內容體系不合理

“薄膜材料與技術”這門課程主要由真空技術基礎、薄膜的制備方法、薄膜微觀結構、薄膜材料及應用等4大部分組成。其中，薄膜的制備及其微觀結構方面的知識點在實踐中應用范圍最為廣泛，是高新技術產業中多個領域的理論基礎，也是本門課程中的重點和難點，而理解和掌握好這兩部分內容需要應用到物理、化學、機械等多門學科的基礎知識。

目前，內蒙古師范大學材料物理專業的課程開設現狀為：（1）現有的理論基礎課未開設有關化學、機械、電子等學科的課程;（2）“薄膜材料與技術”是一門專業選修課，其總課時為36課時，包括32課時的課堂教學和4課時的實踐教學，且主要以課堂講授為主。由此可以看出，“薄膜材料與技術”這門課程所面臨的困境——基礎理論知識的缺失和總的課時數的不足。在這種情況下，任課教師僅僅依靠傳統的教學方式授課，使學生能領會和掌握所學內容的重難點，其面臨的教學難度可想而知。基于以上問題，結合內蒙古師范大學材料物理專業當前課程設置現狀，有必要對本課程的教學模式進行改革。

（二）教學設施相對匱乏

“薄膜的制備方法”這一部分內容為“薄膜材料與技術”課程的重難點。其中的“薄膜的物理制備方法”的講授與學習，更是需要基于大型真空設備的工作原理基礎上進行，因此，對相關大型真空設備的詳細結構以及工作原理的了解程度，也將決定著學生接受該內容的難易程度。由于當前缺乏這些設備，學生不能直觀地觀察設備的構造，學習其工作原理，不能通過切身體會來獲得有關知識點，只能通過書本對其簡單了解，甚至是依靠空間想象力去學習其結構組成。與親身體會得到的知識框架相比，這種虛構式的基礎知識構架勢必會增加學生學習相關內容的難度，甚至影響到整門課程的學習成績。以“真空蒸發法制備薄膜材料”這一節內容為例，該節內容涉及的知識點包括真空蒸發法的基礎概念和真空蒸發法沉積薄膜原理。依據“真空蒸發法沉積薄膜原理”的內容結構設置，學生要想理解和掌握沉積薄膜的原理，就需要對其所用儀器設備進行基本了解，明確其詳細的結構構造及工作原理。理解掌握了這方面的知識，學生就能較容易地理解固體三維材料由固態變成氣態，再由氣態變成薄膜的微觀過程。這個實例也間接地表明了基礎教學設施在實踐性較強的課程教學中起著舉足輕重的作用。往往大多數理工科專業課也都有一定的實踐意義，都需要一些基礎教學設施的輔助，因此，這方面的不足應該也是大多數理工科專業課教學所面臨的困境，是亟待解決的問題。

（三）學生的實踐能力欠缺

內蒙古師范大學材料物理專業屬于工科專業，工科學科都是應用一些基礎科學的原理，結合生產實踐所積累的技術經驗而發展起來的。工科專業一般都需要學生通過自己動手實施項目，以對其實際應用領域進行基礎性了解。如若工科學生的動手實踐能力不足，不僅會影響其對項目涉及的設備、軟件等掌控，也將限制其在實踐中解決問題的能力的培養，所以學生的動手實踐能力在工科學科尤其顯得重要。然而，當前理工科大學生的自主動手能力普遍比較薄弱，迫切需要加強訓練。內蒙古師范大學是一所具有民族特色的綜合性師范院校，在學生動手能力這一方面更為不足，尤其需要加強鍛煉。由于“薄膜材料與技術”這門課程具有應用實踐性較強的特點，因而學生動手能力不足的缺點在這門課程會尤其突出。可見，本門課程的重難點都是集中在薄膜的微觀形成過程，而薄膜的形成過程又是依附于基礎實驗設備。如若學生無力掌控儀器設備，甚至對某些設備的構造、工作原理以及注意事項等內容的無知，勢必會讓學生在學習“薄膜的形成過程”等內容上感到吃力、無法掌握課程的重點和難點，以至于消極應對課堂學習。而理工科學科間具有橫向密切關聯的特點，這些束縛因素也可能會影響到學生對其他專業課程的學習，最后使其學習狀態陷入惡性循環。為了避免此類事件的發生，我們需要對學生這方面能力進行深化培養，從而利于眾多專業課的教學與學習。

三、“薄膜材料與技術”科研嵌入式教學實踐

結合內蒙古師范大學材料物理專業的特色、新能源方向的發展需求及科技創新人才培養的目標，按照內蒙古師范大學材料物理專業的實際發展需求[3]，針對“薄膜材料與技術”課程存在的問題，我們從課程設置、設置科研課題、完善教學設備、教學模式等幾個方面來分析與探討“薄膜材料與技術”課程教學改革的有效措施。

（一）重構課程體系

為了使任課教師能在有限的課時內高效地完成該課程的教學目標，根據本課程具有的特殊性，結合內蒙古師范大學材料物理專業當前專業課程的設置安排，我們對本課程進行重新規劃設置。初步計劃是將課程教學模式設置為：以科研課題實踐為前提，再結合傳統的課堂教學進行講授。首先，科研實踐部分的課時量可設置為總課時量的40%。在這40%的課時中，學生以小組為單位，動手參與特定的科研課題。在具體實施的過程中，學生可以實地觀察實驗詳情以及得出實驗結果，小組間也可以就實驗過程中遇到的問題進行討論分析。這樣的課前實踐經歷不僅能對隨后所學的課程內容起到一個鋪墊的作用，還能幫助學生在短時間內學習到與課程內容相關的其他學科知識。其次，在余下的60%課時里，教師通過課堂教授相關的專業知識，引導學生應用所學知識解決實驗過程中遇到的問題，加深學生對教學內容的理解力和記憶力。重新規劃后的課程模式，不僅能使學生在最短時間內迅速地獲取與課程內容相關的課外知識，提高課堂學習的效率，也能使授課教師高效地完成該課程的教學目標。

（二）優化科研課題內容

科研課題的設置將決定科研嵌入式教學模式能否順利實施，當屬該教學模式最重要的一個環節[4]。因此，合適的科研課題也將影響整個理論課程的教學質量。“薄膜材料與技術”是內蒙古師范大學材料物理的專業選修課，眾所周知，專業選修課的設置意義就是為了拓寬學生的專業知識面與深化學生的專業技能，并且本科教育更注重培養學生的科學思維能力、創造能力、創新精神。因此，制定的科研課題內容既要包括專業課程所涉及的重要基礎內容又要訓練學生判斷和解決問題能力。基于這兩點要求，考慮到內蒙古師范大學材料物理專業新能源材料與器件團隊的研究方向與“薄膜材料與技術”這門課程有高度的契合性，就團隊教師現有的研究方向，制定出多個符合要求的科研課題。例如關于“真空蒸發法制備薄膜”這一節內容，最后確定的科研課題是“熱蒸發法制備氧化物薄膜”。選擇這一課題的原因有三點：（1）熱蒸發法是真空蒸發法的典型代表之一;（2）選擇氧化物材料是便于學生在實驗過程中能直觀地觀察實驗過程;（3）該課題在具體的實施過程中，蒸發所用電流對實驗結果有較大的影響，高要求的電流設置也能讓學生對電流的作用有深入的思考。時效性與延續性并存的課題當屬最適宜。實踐經歷，既可以服務于本門專業課程的課堂講授，提升課堂的教學質量，也能鍛煉并提升學生的科學思維能力，從而更好地完成本科生教育的培養目標。

（三）完善基礎教學設施

基礎教學設施的完善是實施科研課題的必要條件。依據設置的科研課題，購置必需的基礎設備，對科研課題的順利實施起著決定性作用。所謂的合適設備是指設備的技術參數要求應該是介于科研和教學之間，既不能像專用科研設備那樣精密，也不能像普通教學設備那樣簡化。如學生在完成“熱蒸發法制備氧化物薄膜”課題過程中采購的設備是高真空電阻蒸發鍍膜機，與專用科研蒸發鍍膜機相比，該鍍膜機的特點是設備一體化設計，操作流程簡單方便，而且它的腔體是由透明玻璃鐘罩和不銹鋼底座組成。透明玻璃鐘罩的設置能方便學生實時觀察實驗的現象，而玻璃鐘罩和不銹鋼底座的組合也能使設備達到較高真空度，這也是一般基礎教學設備無法滿足的。盡管許多課題是依據內蒙古師范大學新能源材料與器件團隊中的教師的研究方向設置，但是科研目標和教學目標的不一致導致現有的科研條件還不能完全滿足教學科研課題的設置要求，仍需要繼續完善基礎教學設施，以便該教學改革方案的順利實施。

（四）采取討論式教學

討論式教學模式是以學生為主體的教學模式。在課堂教學過程中，教師發揮的作用是指導性的，主要是學生的自我學習過程。課堂上，首先，任課教師講授相關的理論知識;其次，以科研過程中遇到的問題為例，采取師生互動討論的教學方式，教師與學生就問題一起討論、分析;最后，學生對問題的解決方案進行總結。這樣的教學模式不僅調動學生課堂參與的積極性，使其融入到科研課題的實踐情景中，還可以將課堂所學內容應用到科研實踐中，做到學以致用。此外，學生就前期問題也可進行小組交流與討論，一方面促進其對課程內容的深化理解，另一方面也能受到他人良性學習方式方法的啟發，從而發現自己的不足之處。

但也需要注意以下幾個問題：（1）教師需要把握好課堂上的所授知識點的側重性。由于學生已經有初步的實踐經歷，如教師在課堂上仍舊講解一些基礎的知識點，則會讓學生認為課堂教學與實踐教學重復性太多，從而失去課堂學習的積極性。（2）教師要把握好講授與討論分析的主次。討論占用太多課時的話，會使學生對所學知識點的理解不透徹，容易使課程的教學質量下降;分析太多問題的話，又會使課程的側重點偏離，甚至課程的性質也會發生改變[5]。（3）在教學過程中，盡可能采取以學生獨立思考問題、相互討論為主的教學方式。這樣教師不僅能夠迅速發現學生對知識點的領會程度，而且也可以鍛煉學生自主解決問題的能力，從而提高學生學習能力。

將科研課題恰當地嵌入到理工科專業課教學中，既突出了教學內容的實用性，又增進了專業知識的科學感。重要的是，這種教學模式可以借助學生對實驗現象的好奇心，激發理工科學生學習專業課的興趣，調動學生主動學習專業知識的積極性，引導學生對所學專業知識進行自我拓展，拓寬學生對材料領域的知識面。科研課題的設置也可以提升理工科大學生動手操作的能力，鍛煉學生自主地發現問題、解決問題的能力，培養學生成為合格的21世紀復合型人才。學生綜合能力的培養和提升也將為他們今后的繼續深造、就業創業奠定了有力的基礎。當然，在推動“科研課題嵌入專業課教學模式”教學改革實施的過程中也出現了教學資源占用較多、教學成本較高等問題，因此還需要不斷探索和進一步完善。

參考文獻：

[1]鄭丹，劉曉林.xMOOC在大學英語嵌入式教學中的運用[J].長江師范學院學報，2018，（3）.

[2]匡遷.服裝設計大賽嵌入式教學探索[J].內蒙古師范大學學報：教育科學版，2017，（7）.

[3]歐梅桂，楊春林，劉其斌.理工科雙語教學改革探索——以材料物理專業《材料學導論》為例[J].教育教學論壇，2018，（33）.

[4]侯成香，唐旭東，康國平，等.科研實踐與課堂教學相結合培養創新型人才[J].高教學刊，2018，（16）.

[5]郭瑋.微課嵌入式教學方法實踐探索——以《基礎漢字學》課程為例[J].中國教育信息化，2014，（14）.