新工科視閾下知識體系的過程性評價模式探索

張新宇 楊盛超

摘 ?要：新工科教學要注重對知識體系的過程性評價，文章構建了以知識體系的過程性評價為主的課程作業(yè)，側重培養(yǎng)學生解決具體問題的能力。通過分析應用場景，把問題分解成完整的邏輯鏈，運用具體的材料物理知識逐一解決，具有實用性和推廣意義。

關鍵詞：新工科;知識體系;過程性評價

中圖分類號：G420 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0051-04

為培養(yǎng)服務國家社會需求的高質量的創(chuàng)新人才，教育部要求推進新工科建設[1]，以應對新一輪技術革命和產業(yè)升級中的挑戰(zhàn)與機遇[2]。新工科建設為了適應新產業(yè)、新技術、新理念，需要形成系統(tǒng)的教育模式和領跑全球工程教育的中國模式[3]。新工科建設是系統(tǒng)工程，人文社會的發(fā)展與科技的變革在新工科這里形成交匯，培養(yǎng)出大批具有跨專業(yè)、實踐創(chuàng)新思維、批判性思維的創(chuàng)新人才[4]。

將工科知識體系的構建和運用作為課程目標，以實際案例為載體融入教學，在實踐應用中開展設計和討論是新工科建設的一種思路。課程建設中很容易忽視作業(yè)，其可以體現出學生的直接想法和認識，可以作為知識體系搭建的重要評價結果。教師應在完成作業(yè)中的思考過程去把控和分析，有針對性地設計課程作業(yè)，探索未知問題和解決方案，結合實際案例。思維能力的培養(yǎng)從三個維度開展：首先，對知識的理解和滲透表現為計算能力檢測;其次，對知識的延伸和升華表現為實際運用檢測;最后，面對實際產品和具體問題有關聯(lián)知識體系聯(lián)想和知識體系構建的實踐能力。本文旨在以材料物理課程作業(yè)為例，從三個維度全方面地分析如何搭建新知識體系并產生設計理念。

一、新工科的教育重點

新工科教育需要注重知識體系的培養(yǎng)，相比于傳統(tǒng)授課，對知識點的把控更在意的是解決問題的實際思路和創(chuàng)新解決思路能力的培養(yǎng)。新工科下的知識體系搭建需要完整清晰的思路，應圍繞主體研究方向融入多個學科思想去建設。如材料科學，需要從物理角度、力學角度、化學角度去分析材料應如何去選擇并對實際應用的場景進行多維度的分析和評估。應適當更新教育理念中的硬性考察方式，將教學的重點置于創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)上，而不僅限于知識點的掌握。教師在知識點的搭建中起到引領作用，需要給出大框架，讓學生自己來填充內容。學生在這一階段剛開始接觸新知識，會有一些新的想法和思路，教育者要著重注意對知識進行剖析，將這一過程融入其他學科，形成新工科模式，在這種模式下，教育者和受教者都需要將知識搭建成為一個利于自身理解的框架體系。

二、工科知識體系的搭建

教育理念轉變對傳統(tǒng)的高校教育來說，是一個重大的挑戰(zhàn)[5]，以往都是教師要求學生進行創(chuàng)新，而現在變成學生個體自主去接觸、融合、再創(chuàng)新;這個過程在轉變時需要加入一個參考模式，由單純的創(chuàng)新環(huán)節(jié)變成三個維度的知識體系構建，難點不僅限于將一個環(huán)節(jié)擴充成為多個環(huán)節(jié)，而是如何將創(chuàng)新這一個環(huán)節(jié)完全打破，變成為何創(chuàng)、如何創(chuàng)、構建創(chuàng);培養(yǎng)新技巧與思維;這種知識體系構建本身就是一種參考探索和設計評價的過程。所以新工科下對知識體系的搭建主要面臨如何選擇知識、如何有針對性地展開評價、如何合理反饋三大問題。

知識體系搭建過程中，需要結合案例進行分析，以知識點和案例結合的思路融合設計進課程作業(yè)以培養(yǎng)工科思維。但知識點過多或者過少，會導致學生無法接受或是沒有達到系統(tǒng)思維和知識體系培養(yǎng)的目的。太多了會雜，沒有重點;太少了會缺，無法達到培養(yǎng)目標。這對于教師來說是一個需要不斷探索的難點。

教育開展的地點多在課堂，會忽略學生在課下自主學習的過程，硬性的課后作業(yè)只能證明學生對于知識點單純的掌握情況，并不能體現他們自身的創(chuàng)新意識和思維。因而，對于課后作業(yè)的類型不能局限于死板的公式套用，應結合課程去開展實際應用設計，在這個過程中展現學生自己的設計思想和創(chuàng)新能力;應結合作業(yè)搭建和評判知識體系，積極引導學生在教師指導下基于學業(yè)要求進行創(chuàng)新。結合課程設計的評判和每位學生的設計理念去搭建知識框架。在搭建知識框架的過程中保持大體本質不變，并嘗試理解他人在設計過程中的思路和方法，不歧視任何一種思路，不泯滅任何一種設計。但如何讓學生去主動展示自己則是一大難點，需要考慮學生不愿主動展示自己的原因，考慮是否有必要多加入課程設計和主課相結合的應用型課堂。而這些課程設計應參照怎樣一個模板也需要在今后的嘗試中逐漸成形。

三、課程作業(yè)為基礎的知識體系過程性評價

（一）課程設計思路

本文設計了一種基于知識體系培養(yǎng)和其過程性評價的“材料物理”課程作業(yè)，搭建材料物理的知識框架并探析其背后的設計思路和創(chuàng)新方式（圖1）。主要不在于課程設計的本身，而是學習在設計時如何從不同角度去理解，其設計結合了哪些其他學科的知識并且怎樣聯(lián)系實際去整理做出選擇和產品的。

（二）知識應用轉化

本文通過材料物理課程設計，提出新工科視閾下對于知識體系搭建和創(chuàng)新思路的建設模式;通過課后學科設計來培養(yǎng)學生的新工科意識，讓學生在熟悉型工科的過程中逐漸理清思路、適應變化、形成意識、搭建框架、填充創(chuàng)新、分析評估、綜合提升。以切割機刀片為設計目標，通過結合實際應用考慮刀片的材料約束屬性，進而結合機械組裝、物理計算等多學科理論參考實現刀片材料的選擇和特制;在合理的屬性范圍內考慮經濟成本進而設計得出產品;最后對產品進行系統(tǒng)評估（圖2）。

（三）案例明確分析

1. 如圖3所示，案例主題明確，對切割機刀片進行選擇探索，找出合適的材料;簡單介紹工作原理及環(huán)境，提升效率的關鍵是切割機刀片材料的好壞。

2. 選擇切割機刀片為案例符合課程章節(jié)內容，刀片材料多數為合金，且刀片決定了切割機工作效率，只要優(yōu)化刀片便可以提升切割機工作效率;只需要考慮刀片的選擇，范圍不會太大，因此適合作為課程設計。

3. 從設計的理念去分析，旨在提升切割機的工作效率，節(jié)約時間節(jié)省消耗;切割機工作時刀片的運作需要足夠的強度，熱穩(wěn)定性，耐腐蝕性，較好的切割能力等，需要交叉學科全面展開，不斷強化知識體系。

4. 搭建知識體系以合金材料為主題，參考市場生產中切割機刀片的材料確定限制刀片應用的因素，其中機械組裝中的磨損、環(huán)境不可抗力、物理應力因素都是亟待解決的難點（圖4）。

5. 關鍵分析在于刀片的優(yōu)化，各項物理屬性的分析和精確的計算給出到刀片所要滿足的要求（圖5）。其中指標一確保足夠屈服應力克服離心，計算刀片尺寸估計應力大小，選擇合適材料;指標二包含葉片剛度及厚度的計算，材料體積越大，葉片越薄，計算抗彎曲強度，選擇合適材料;指標三計算尋求材料耐磨性、韌性和成本之間的關系，提高耐磨性往往以犧牲太多韌性為代價，需要計算平衡兩者關系;指標四數值越高越能確定韌性準確度。

6. 設計要考慮實際成本價值和消耗，盡可能選擇低成本、高性能的刀片材料，符合大眾使用的經濟水平。

首先，案例圍繞合金材料展開知識點的框架搭建。熟悉合金材料的概念及分類，從這一角度出發(fā)，考慮切割機核心技術在于刀片的綜合能力提升，滿足切割草坪時所需要滿足的各項要求。

其次，完成理解延伸與學科交叉。在熟悉知識的基礎上對知識進行著重劃分和深究，參考合金學習，金屬材料的各項屬性是判斷合金好壞的重要參考標志，其中從設計的角度提出在切割機工作時，刀片需要滿足的條件：1. 環(huán)境約束，雨水的侵蝕等;2. 材料本身約束，強度、硬度、韌性、熱穩(wěn)定性等;3. 機械約束，旋轉產生的離心力、機械組裝產生零件相互作用力、摩擦產生的磨損等。這些約束是對刀片材料的要求，各項屬性決定了材料選擇的范圍。分析如何滿足這些約束，就確定了材料選擇的范圍。設計要克服各項約束進而實現對材料的最優(yōu)選擇，各項約束融合其他學科知識進行交叉。如機械約束中切割機的刀片組裝涉及機械組裝原理，在運作時有障礙物切割震蕩產生機械磨損;刀片在高速離心旋轉下產生集中應力斷裂，環(huán)境限制條件要考慮發(fā)生腐蝕的可能性。

最后，結合實際評估。通過對材料指標的把控，挑選出符合各項約束要求的合金材料，選擇合金的條件并不是指標最優(yōu)，而是最適，因此，在設計產品的同時需要考慮到在應用過程中外界條件對于產品的限制，設計的本質是提供應用，滿足需求，學生在盡可能貼合實際的基礎上提高屬性來實現創(chuàng)新。精準的計算是控制變量的前提，生產需要參考標準，一切設計的檢驗都要經建模后的實體測評，精確的計算離不開扎實的理論基礎和清晰理性邏輯的培養(yǎng)。在考慮技術的同時也要結合成本去做預算，一個好的設計產品既創(chuàng)造了全新的價值又不會有過高的生產消耗，最終更好地適應新挑戰(zhàn)[6]。

參考文獻：

[1] 梅瑞斌，包立，王曉強，等. 塑性力學類課程思政改革與實踐[J]. 機械設計，2020，37（S2）：281-285.

[2] 孫英浩，謝慧. 新工科理念基本內涵及其特征[J]. 黑龍江教育（理論與實踐），2019（Z2）：11-15.

[3] 王軼卿，張翔. 新工科建設中實施課程思政的理論與實踐[J]. 河北師范大學學報（教育科學版），2020，22（06）：59-62.

[4] 汪霞. 研究生創(chuàng)新型人才培養(yǎng)研究[M]. 南京：南京大學出版社，2018.

[5] 徐莉. 基于終身教育體系構建的可持續(xù)變革研究[D]. 上海：華中師范大學，2017.

[6] 封志明，鄭亮，費凌，等. 新工科背景下地方高校智能制造人才培養(yǎng)改革探索[J]. 實驗技術與管理，2021，38（07）：23-29+35.

（責任編輯：羅欣）