教學改革中對學生創新意識的培養研究
——以“工程材料基礎”課程為例

2021-11-28 07:32:15李葉青徐元婷姜偉麗

科技與創新 2021年23期

李葉青，徐元婷，徐泉，姜偉麗

（中國石油大學（北京）新能源與材料學院生物燃氣高值利用北京市重點實驗室，北京102249）

當今世界的科學領域不斷延伸，工程材料的發展不斷更新，工程材料和人類社會的發展始終并肩前行，單一的傳授教材上的理論知識很容易使學生缺乏新鮮感和吸引力。此外，傳統以教師為主體的教育方式不僅使學生成為被動接受知識的容器，而且也忽視了對學生學習能力的培養。

隨著互聯網技術飛速發展，知識的獲取變得極其容易。因此，比起單一知識的傳授，對學生學習能力的培育占據更重要的地位。21世紀的技能聯盟提出要建立批判性思維、培養創造力和創新能力。人類社會的發展伴隨著材料的發明和發展，材料是人類用來制造各種有用物件的物質，是人類生存與發展、改造自然的物質基礎，也是人類社會現代文明的重要支柱。工程材料是用于機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領域中的材料，用來制造工程構件和機械零件，包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蝕、耐高溫等）的材料。十九屆五中全會通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃的建議》提出[1]，堅持創新驅動發展，激發人才創新活力，完善科技創新體制機制，強化國家戰略科技力量。進入新時代，世界新科技發展勢頭迅猛，因此培養學生的邏輯思考能力、創新創業能力變得尤為重要。

從古至今教育的本質在于教育人、發展人，即一切教育要以人為本。具體體現并落實到教學上就是要打破以教師為核心的教學觀，樹立以學生為中心的教學觀。科學的教學觀就是要求正確面對以學生為主體，培養學生的主體精神，引導學生成為主體角色，最終目的是使學生具有創新意識和創新能力。

1 以創新意識為主體的總體框架

教育不是單純地灌輸知識，而是點燃思考的火焰。以學生為中心教學理念主要包含以下方面：第一構建協作型學習環境，第二獨立思考模式體系的形成。在以學生為中心的教學觀中注重的是學生由知識灌輸對象轉變為知識加工的主體，成為獨立思考的構建者，教師由知識灌輸者轉變為引導學生主動思考的推動者。以往的教師獨裁主義已然逝去，現在應本著平等、尊重的原則走進學生的心中，豐富學生心中的世界。

基于此，在教學過程當中教師要把枯燥難懂的專業知識轉化為易于理解的實際應用，例如在本課程中各種材料是由相同或不同的元素組成，由原子、離子或分子通過不同的結合鍵結合而成。教師不僅要讓學生了解工程材料可以通過離子鍵、共價健、金屬鍵、分子鍵來進行分類，還要使學生明確如此分類的原因以及材料性能的特點。基于金屬鍵的工程材料強韌性好，塑性變形能力強，導電、導熱性好。基于分子鍵和共價鍵的工程材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強度不高、硬度較低，耐熱性較差。陶瓷材料多由離子鍵和共價鍵形成因此具有熔點高、硬度高、耐熱耐磨、脆性大、難加工等特點。而復合材料可以由多種化學鍵結合形成，因此可以人為地改性和加工成需要的材料。由此使學生明確每種材料相應的形成機理和分類十分重要，只有打下牢固的基礎才能使學生更深一步積極探索未知領域，激發未來無限可能。

通過讓學生們在輕松舒適的氛圍下逐漸加深對專業課程的理解。另外，教師應鼓勵學生課后通過多媒體等方式了解科技研究近況以開拓學生視野，引發學生思考。最后，豐富了學生對教師的評價體系，讓教師知曉學生在學習和探索方面遇到的問題，以便于得到良好的溝通與解決。同時多方面的評價方式使教師能夠更準確地接收到學生的反饋。

2 課堂教學模式改革

2.1 教學目標

“工程材料基礎”是科學與工程類專業的技術基礎課，其特點是基本概念多、與實際聯系緊密，是一門應用學科。從人類最早使用的工具石器、到陶瓷的發明與使用和世界上最大的青銅器，到20世紀鐵器和煉鋼方式的發展，后面廣泛興起的天然高分子材料絲綢、光導纖維、激光晶體以及如今各種各樣的新材料，如超導材料、形狀記憶材料、磁性材料、玻璃纖維樹脂復合材料、碳纖維樹脂復合材料等。其中玻璃纖維樹脂復合材料在航空航天工業中用于制造衛星殼體、飛機機身、螺旋槳等，超導、磁性、信息材料等用來制作光纜和磁懸浮列車（時速500 km）。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結構材料。

“工程材料基礎”這門課不僅讓學生明白材料的重要性、材料的發展歷史、工程材料的分類等多方面基礎知識，還要讓學生在充分理解當代材料的基礎上勇于探索未來高性能材料的演變與形成。所以，為了使學生建立化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間的關系，教師對于話題引入和聯系實際等方面需要進行巧妙的構思設計，并且還要針對性地將其與科研近況進行緊密結合。

例如在小組討論課程上，教師要求學生結合工程實際探討金屬材料的實際應用。每個學習小組以PPT的形式呈現組內探討結果，最后由教師來進行歸納和總結。這種方式能在充分調動學生學習積極性的基礎上，加深學生的理解，擴寬知識領域，激發學生的團隊意識和創新精神[2]。以學生為中心的教學模式在注重學生學習能力的培養的同時，也要兼顧學生的差異性。不同學生不僅在學習方法上有較大的差異，而且接受知識能力和自我約束能力有較大不同，教師的任務就是要充分挖掘學生的潛在價值，利用好學生在不同方面的優勢，因材施教[3]。組織學習活動時教師要給予學生充分的自主權，提供多元化的學習方式，促進學習氛圍的形成，以提高學生的創新協作能力。

2.2 教學方式

2.2.1 構建團隊協作型學習環境

“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳”，良好的學習氛圍是培養自主學習的起點，心理學家布魯納提出[4]：當人處于濃厚的學習氛圍下，會受到積極的情緒感染，從而提升學習興趣。以學生為中心的學習課堂鼓勵師生之間相互尊重、相互欣賞、相互信賴，學生之間要養成良好的默契，相互幫助，建立起友好的交流和互動。

2.2.2 獨立思考模式體系的形成

保證科學的前提是學會獨立思考，無論是靈光乍現，還是思如泉涌階段，首先必須有明確的目標和觀點，即使觀點并不十分明確，但是獨立思考的過程就是逐漸接近它的過程。創造力不僅僅使一種技能，更是一種狀態，而獨立思考是塑造創造力的前提。因此為了充分提升學生獨立思考的能力，教師會向學生提供良好的問題情景和充分的獨立思考時間，使學生把課上所學習的知識和課后獨立思考的內容高效地結合起來，從而達到最優的教學效果。

2.2.3 培養創新性思維

為充分提升當代大學生對創新性習慣的重視情況，教師在課堂上充分介紹目前先進的科研技術情況，并且以PPT動畫的方式形象生動地表達給學生，使學生在理解傳統工程材料的基礎上，能夠更好地與新型材料應用技術融合起來。例如教師在課堂上提出的《Nature》最新成果——室溫超導，引起了眾多學生的廣泛關注，新型材料的性能激發了學生對于未知領域探索的潛力。人類對于材料的認識是逐步深入的，1863年，光學顯微鏡首次應用于金屬研究，誕生了金相學，使人們能夠將材料的宏觀性能與微觀組織聯系起來。1912年發現了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結構的認識從最初的假想到科學的現實。1932年發明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）。2017年崔屹在《Science》上發表了論文《冷凍電鏡——揭密電池材料和界面原子結構》，這些話題的引入都會激發學生思考的意識，使學生積極主動地查閱多方面的資料，以便更深入的探索學習。

3 創新改革效果

落實以學生為中心的教學理念必須將它充分實施到教學實踐當中去，“工程材料與基礎”課程受到了眾多學生的一致好評，在教學評價方面，90.6%的學生認為教師授課態度認真負責，不但營造了適合學習的氛圍而且課外對學生的學習情況十分關心。87.5%的學生在教師的嚴格要求和精準指導下，對課程相關知識（作業、測驗、報告等）和反饋（講解、點評）加深了理解和思考，使學生提升了分析、解釋或解決實際問題的意識和能力。84.5%的學生通過學習本次課程激發了學生的學習熱情和學習動力，使學生的主動學習意識得到改善，獨立思考能力得到提高。81.3%的學生深刻體會到了教師展示課程的重要意義，認為教師闡明了各項知識之間的潛在關聯。此外教師還注重對學生進行思想品德的教育，提供了豐富的學習資源，無論課上還是課下都給予學生關心和幫助，給學生留下了深刻印象。綜上所述學生在本學期所學的所有課程中認為本課程的教學效果是最好的約占70%左右。

本次創新教學模式改革雖取得了明顯的成效，但仍然有21.0%的學生提出教師課程進度安排不合理等現象，這主要是由于學生的學習能力參差不齊以及學習方式的差異性造成的，針對這類問題可以采用分批次教學，給不同的學生設置相應不同程度的任務以兼顧水平較差的學生，另外在班級中實行互幫互助原則，由教師指派學生進行一幫一互助，來更加高效地改善教學情況。此外，在未來的教學過程中我們要從石油院校的實際出發，針對學生提出的各項問題來進一步優化教學方案調整課程結構。