涉及多學科交叉的本科生研討課教學改革探索

李和平 李 靜 賈埡楠

(1 清華大學工程物理系，北京 100084；2華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063009)

1 導出問題

2018年3月—9月，清華大學開展了為期6個月的第25次教育工作討論會。這次討論會的重要成果之一就是將價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”的人才培養模式上升為學校的教育理念。其深刻的內涵包括了如下3個方面：(1)價值塑造是學校教育的第一要務，是育人的根本；其出發點是立德，而落腳點則是樹人。(2)相比于知識傳授，能力培養更為重要，包括批判性思維能力、提出和解決問題能力、書面與口頭表達與溝通能力及將知識付諸實踐的能力。(3)面向學生合理知識結構的構建，“以通識教育為基礎，通識教育與專業教育相融合”成為清華本科教育模式新的發展方向[1]。另一方面，自2016年以來提出的“新工科”工程教育理念也同樣闡釋了以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才的內涵[2,3]。這意味著我們在實際的教學過程中深入貫徹落實“三位一體”的教育理念，需要從根本上進行課程的教學改革，不僅需要在教學觀念上把科學、技術與產業發展緊密聯系在一起，培養學生主動肩負起造福人類、塑造未來的時代使命，而且需要通過繼承與創新、交叉與融合以及協調與共享的創新人才培養方式，使得我們所培養的學生具有家國情懷、創新創業、跨學科交叉融合、批判性思維、全球視野等核心素養，并通過教學實踐全面提升學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，以及在團隊協作中良好的溝通與表達能力等個人綜合能力[1-3]。

近年來，我們在清華大學本科高年級學生中開設了“等離子體技術及應用”研討課，從學校“三位一體”教育理念的內涵和要求出發，探索涉及多學科交叉融合的研討課教學模式。這也符合2017年《地平線報告(高等教育版)》所預測的未來5年高等教育對探究式、討論式、參與式教學和混合式學習等教與學方式的逐步推廣與普及的要求[4]。

2 研討課教改的必要性

目前，等離子體科學與技術學科的發展和相應課程教學的現狀表現在如下幾方面。

1) 進入21世紀以來，等離子體科學與技術領域的研究日益呈現出多學科深度融合的特色，其主要的應用領域涵蓋了能源科學(如磁約束和慣性約束核聚變、輔助燃燒、核燃料制備等)、材料科學與工程(如微納米材料合成、表面涂層技術、材料表面改性等)、臨床醫學(如腫瘤治療、再生醫學、手術室/ICU病房等空間的空氣凈化、精密醫療器械的消毒滅菌等)、生物化工(如生物誘變育種、化工原料的制備等)、環境治理(包括醫療垃圾等高危有害固體廢棄物處理、核燃料循環中的中低放射性廢物處置、污水處理、空氣凈化等)、微電子工業(如超大規模集成電路的刻蝕、清洗、微納電子器件及顯示技術等)、航空航天(如臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣層所面臨的“黑障”問題、等離子體推進與主動流動控制等)以及國防/公共安全與健康(如飛行器隱身、快速戰地生化洗消、疫源地病媒生物控制、特殊環境下的空氣/水體/高危固體廢物的無害化快速處置等)等諸多領域[5-9]。正是由于上述大氣放電等離子體技術廣闊的應用前景，目前國內外高校的諸多院系均在陸續開設與等離子體相關的課程。但這些課程的一個共同特點是專業性相對比較強，從學科交叉融合的角度開設有關等離子體科學與技術研究前沿的研討性課程還很少。

2) 對于研討性質的課程，由于其所涉及的專業領域通常比較廣泛，不僅包括了機械、電子、自動化、航空航天等工科院系，而且包括物理、化學、生物等理科院系，甚至還有經管、公管、新聞等人文院系。因此，如何在同一教學平臺上開展跨學科的教學活動將是一件具有相當挑戰性的教學工作。這種挑戰性主要體現在如下兩個方面：一是教學工作的挑戰性，即在教學工作中需要提煉出培養和訓練學生共性化科學素養的內容，二是學生學習的挑戰性，即面向跨學科的研討性課題，借助于先進的信息網絡技術形成分布式學習環境[10]，通過不同學科背景的學生間的互動和師生互動，將個體學習和集體學習有機結合、將課堂研討和課外學習有機融合，在學習和討論中培養學生的批判性和創造性思維，形成挑戰性的互動學習氛圍。

3) 對于開展挑戰性互動學習的研討性課程，學生學習效果和學習成績的評價也變得相對于以考試為評價形式的課程更加復雜和困難。學生學習效果的評價方法和指標將對引導學生更好地開展挑戰性互動學習在一定程度上具有重要的影響。因此，如何建立基于數字化平臺的相對客觀的評價指標和基于集體互動學習的學生自主評價指標的綜合性學習效果評價指標，對形成“三位一體”教育理念下的研討課教學評價方法同樣十分重要。

在本文研究中，我們以等離子體在某一/某些領域(如能源、環境、材料、生物、醫學、公共健康與國防安全等)的前沿應用為背景，基于數字化開放平臺，營造師生、學生間高度互動的挑戰性學習氛圍，在訓練學生共性化科學素養的同時，引導學生逐步建立批判性和創造性思維；通過基于數字化平臺的相對客觀的評價指標和基于集體互動學習的學生自主評價指標，在課程結束時完成對每一位學生的學習效果評價，初步形成“三位一體”教育理念下對學生挑戰性學習的基本要求，進而提煉出面向涉及多學科交叉融合的研討性課程教學活動的主要結構框架和學習效果評價指標等共性內容。這將對推動“三位一體”教育理念下本科生研討課，特別是涉及具有多學科交叉融合性質的研討課教學工作的具體實施具有一定的借鑒意義。

3 教學活動的設計與組織

圖1給出了等離子體技術及應用研討課教學活動的組織示意圖。具體來講，我們把整個教學活動從整體上分為輸入、過程和輸出3個部分；通過這3個相互關聯的教學環節，實現學生共性化科學素養的培養和訓練，個體學習和集體學習、課堂研討和課外學習的有機融合，以及在此過程中學生批判性和創造性思維的培養等，從總體上形成一種挑戰性的互動學習氛圍。每一教學環節的教學活動內容、形式、評價指標和期望取得的教學效果如表1所示。

圖1 教學活動組織示意圖(圖中的雙向箭頭“?”表示多次反復的互動過程)

根據表1的教學活動安排，我們制定的課程教學計劃主要包括3大部分：(1)教師主導的課程前沿概論；(2)學生主導、教師引導的學生文獻調研和分析總結；(3)學生數字出版物集體展示交流、學生互評和教師點評。其中，課程前沿概論的主要教學目的是針對來自不同學科背景的學生進行等離子體基礎知識以及學科發展前沿的普及教學，結合學生的學科背景、國家和社會發展重大需求等激發他們探索等離子體前沿科技的好奇心和積極性，指導他們進行調研課題的選題，確定最后要形成的數字出版物的整體邏輯模型，為后續的課程教學拋磚引玉。這一階段的教學主體是教師，采取啟發式的教學方式，帶領學生在比較短的時間內進入到他們所選擇的調研領域。學生文獻調研和分析總結是該課程教學的主體階段，主要包括文獻檢索關鍵詞的確定、文獻檢索與篩選、文獻分類整理與分析，其目的在于訓練學生從事科學研究的基本素養和批判性與創造性思維。其中，基本科學素養包括面對海量文獻如何科學地、比較準確地確定文獻檢索的關鍵詞，如何對基于關鍵詞檢索得到的大量文獻進行二次篩選，如何對二次篩選后的文獻進行分類整理、如何根據已經初步確定的文獻調研邏輯模型對文獻進行分析和論述，以及如何從這些文獻出發進行滾動檢索以獲取新的重要文獻等；而批判性與創造性思維則是指在文獻分類整理和分析過程中，在科學總結該領域已經取得的科學成就的基礎上，如何根據自己已有的知識積累，對這一領域在某一或某些方面需要進一步開展的科學研究工作以及未來發展可能的新應用提出自己的觀點。這部分教學活動的主體將由教師轉變為學生，他們的學習活動包括課堂上的分組討論集體學習、采用MS Power Point形式的口頭報告集體交流討論、課下文獻檢索和分析的個體學習以及基于GitHub平臺的交流討論；而教師的角色則主要是對學生學習成果的引導式點評以及對學生所提出問題的解答等。該課程的最后一部分則是進行每個小組數字出版物的集體展示交流以及學生互評，在師生和學生間的互動交流中進一步總結各自在整個課程教學活動中的收獲和存在的問題，在集體學習和交流中結束課程學習。

表1 教學活動設計與預期效果

4 課程教學實踐與成果產出

根據本文第3節的教學活動組織方案，我們開展了本科生“等離子體技術及應用”研討課的教學改革實踐探索。選修該課程的同學們分成2個小組，分別圍繞等離子體臨床醫學和節能環保進行了課題調研。經過小組討論以及與老師的交流，兩個小組均確定了相應主題的文獻綜述邏輯模型、文獻檢索關鍵詞和文獻篩選原則，所有小組成員均參與課堂MS Power Point的總結匯報交流，在認真整理分析已有文獻報道研究成果的基礎上，結合自己的學科背景大膽提出了未來等離子體科技新的應用，并形成了最終的數字出版物(典型案例如圖2所示)。

圖2 等離子體生物醫學小組部分成果展示

本次教改探索的另一個重要的方面是對于這種挑戰性的互動學習課程，如何建立科學的學生學習效果評價方法和指標，形成學生學習過程的全程記錄和分析。為此，我們采用石墨文檔和GitHub兩個數字化平臺分別進行課堂教學活動和課外學習活動的交流、記錄，并結合課堂MS Power Point展示、數字出版物學生互評和老師評價，從文獻檢索與分析能力、專業基礎知識、圖文表達能力、團隊合作精神以及創造性與批判性思維5個方面實現對每一位學生學習效果的個性化評價和所有學生整體學習效果的綜合評價(如圖3給出了其中一位同學的課程學習效果雷達圖)，為后續進一步優化課程教學提供了科學依據。

圖3 學生A學習效果分析雷達圖

5 總結與展望

本文依托“等離子體技術及應用”本科生研討課，開展了基于清華大學“三位一體”教育理念的、涉及多學科交叉融合的研討性課程教學改革的探索，包括教學活動的設計與組織實施。課程實踐教學的結果表明，一方面，我們通過課堂討論、課后小組調研以及課堂集中展示等環節，營造了師生、學生間高度互動的挑戰性學習氛圍，在訓練學生共性化科學素養的同時，基于來自不同學科學生的專業知識基礎，引導學生通過文獻調研，了解等離子體在某一交叉學科領域的前沿應用，并逐步建立起批判性和創造性的思維；另一方面，通過基于數字化平臺的相對客觀的評價指標和基于集體互動學習的學生自主評價指標，在課程結束時完成了對每一位學生的學習效果評價，初步建立起了面向挑戰性互動學習課程的學生學習效果評價方法和指標，形成了學生學習過程的全程記錄和分析。同學們在短時間、高強度的學習過程中，不僅豐富了對等離子體多學科交叉前沿科技的認識，而且極大地提升了個人基本的科學素養和團隊協作精神，以及對各自專業的認同感和對社會的責任感。

基于此，我們針對研討課教學的特點，提煉出了面向研討性課程教學活動的主要結構框架和學習效果評價指標等共性內容，如圖4所示。一方面，我們期望本次教改的經驗能夠為其他研討性課程教學工作的開展提供一定的參考；而另一方面，我們也將在此基礎上，繼續進行此類課程的教學改革與實踐，比如增加更多的學生動手實踐機會，把學生的理論學習和實踐訓練有機結合起來，以更好地貫徹落實學校“三位一體”教育理念的豐富內涵與具體需求。

圖4 面向研討性課程的教學活動組織邏輯圖