科研項目驅動的功能材料器件基礎課程教學探索

周建華 苗 蕾

（桂林電子科技大學材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

人類社會即將從信息時代邁進以電子信息技術為核心的智能時代，我國也正在實施以中華民族偉大復興為背景的“中國智造”重大戰略，國家高等教育的新工科建設應運而生。 新工科建設是以能力為導向，適應和引領科技、經濟和社會快速發展需求的人才培養模式，歸根到底就是為社會培養更多的、更高水平的、能力更強的科技人才，以使我國在未來全球創新競爭格局中占據有利位置。

習近平總書記強調：“創新是社會進步的靈魂，創業是推動經濟社會發展、改善民生的重要途徑。青年學生富有想象力和創造力，是創新創業的有生力量。 ”創新創造能力是人才的核心能力， 創新創造型人才培養是高等教育面臨的最大挑戰。 創新創造能力是較高層次的認知能力，如分析、綜合、評價[1]。因此，育人目標主要是培養學生的問題求解能力、決策能力、分析評價及創造力等。教學模式就是要走出“知識理解”的桎梏，向“知識遷移”過渡，發展成為“知識創新”。

功能材料器件基礎課程是材料科學與工程專業學生的專業必修課，開設的時間是大三第一學期。 學生需要了解功能材料在材料科學中的地位以及功能材料的特點，掌握典型功能材料的基本原理、材料類型及主要用途， 使學生既有堅實的功能材料物理基礎，又有一定的實用材料的基本性能和應用知識。 要求學生能夠在識記的基礎上全面正確地掌握基本概念和基本原理，并且能夠進行綜合分析和判斷。 以學生為主體，不斷擴充奠定學生的材料知識基礎，培養文獻查閱、獲取和分析評述的能力，分別以自我和群組的方式開展探究實踐，為創造、改良和完善材料而持續努力學習。

1 項目式教學的基本內容

學生通過學習，形成并獲得預期所希望的學習成果，才算得上是達成課程目標。 基于科研項目驅動的功能材料器件基礎課程教學改革的目的在于通過“科研項目驅動、在做中學”的方式指導學生完成實際科研項目來達到課程的教學目標，這樣就形成了以科研項目為主線、以學生為主體的新型教學模式。 選取實際的科研項目來創設理論與實踐平臺，以小組協作的方式開展學習，通過主動地研究探索解決問題，實現學生對知識的掌握，可以大大地提高學生學習的積極性和主動性。

以學生為主體，讓學生主動探索。 學生是學會的，不是教會的。 從教與學的關系上看，學是本原性和本體性存在，是學生學習的內因和根本。 學生不再是“滿堂灌”的“填鴨式”對象，而是需要消化吸收基礎知識、主動分析并解決問題的主體，因此，學生一定是教與學過程中的主體。 從能力的屬性和能力的培養方面來講，創新能力必須通過學生主動實踐來培養，也只能通過具體的實踐活動來表現和衡量[2]。

以教師為主導，教師是教學過程的設計者和引導者，指導和幫助學生提升能力。 教師要設計學習環境，如學習方向、內容、進程等，引導激發學生的學習興趣，推動學生自主學習，評價和提升學生學習的能力訓練效果。 在這個過程中，以身作則，培養學生探索的學習方式、自主的學習動力和創新的學習效果，促進學生養成良好的世界觀、人生觀和價值觀。

學生在學習的過程中發現新問題，通過分析問題完成項目任務，解決新問題，也就是創新的過程。 這些問題往往都是教師科研領域或該學科的前沿，學生學習基礎知識，理解與領會其中的關鍵問題，同時開展實驗掌握科學研究的方法，從而鍛煉學生的創新意識和創新思維能力。 教師和學生針對教學內容開展的知識的交流、探討、論證、解決問題，并進行經驗結果分享、學術探究和交流。 而且，學術性是創新思維培養的本質屬性[3]。

從學術性這一點來講， 應該把科研和教學打通，科教協同育人。 高等教育離開學術性就像魚兒離了水一樣，沒有高水平科研和良好的高校制度環境，一流大學、一流學科建設也無從談起。 高等教育是創新人才培養的重要基地，是高水平學術研究成果的重要源泉，所以高校應當堅持以學術為本，堅持科學研究與人才培養的緊密結合，讓高水平的學術活動成為大學人才培養和科學研究高水平產出的強勁推動力。 因此，科教協同的項目式教學是科研思維訓練和創新能力培養的最佳教學模式[4]。 項目式教學就是結合課程教學內容，在教師的指導下，將一個相對獨立的開放性項目交由學生自主實施，包括信息的收集、方案的設計、項目實施等。 教師通過項目給學生提出新問題、新任務， 項目式教學變成人人參與的創造實踐活動，注重的不是結果，而是完成項目的過程。

學生要利用學校的課程和科研資源，盡早參與和融入科研，在參與項目的研究實踐過程中，加深對課程知識體系和能力培養要求的理解，進一步培養問題分析、信息收集能力、綜合歸納能力等，這些都是創新思維能力。 通過這些項目可以把大量的科研資源和成果有效轉化為教學資源，引入科研新方法、新進展、新成果，同時交叉融合多個學科，教師引導和帶動學生共同參與完成項目，共同取得進步，學生作為主體獨立思考、自由探索、自我提高。

項目式教學既是一種體驗式教學，也是一種研究性教學，又是一種問題導向式教學[5]。 項目式教學反映了以學生為主體的教學思想，強調培養學生通過自主學習、討論研究逐漸解決問題或完成項目的能力。 在教學的過程中，更注重激發學生的思考、創造力和批判精神。

2 項目式教學在功能材料器件基礎課程中的實踐

以功能材料器件基礎課程為例開展了項目式教學模式改革，引導學生帶著問題進課堂，跟著問題實施項目，在完成項目的過程中鍛煉創新思維能力。 在傳統的課堂上，學生需要了解掌握以下內容：功能材料和相應的器件都有哪些；半導體材料、磁記錄材料、光電子材料、壓電材料、濕敏材料；太陽能電池、熱電制冷片、發光二極管、透明導電電極等。 教學的方式多為教師課堂講解，學生課下做題，背誦知識點。 在這個過程中，并沒有激發學生探索的興趣，讓其自主解決問題。

筆者將該課程設計成項目式教學過程，先從日常生活中所接觸的一些功能材料引入：能源材料、信息功能材料、光電功能材料、敏感器件材料等。 然后，開始引導學生們討論每種功能材料的特點。 同學們通過小組討論給出答案。

講授的部分與傳統的教法區別不大，那么功能材料器件基礎課程教學改革的重點就是接下來讓學生進入項目式學習過程。 筆者選取了自身科研中的一個領域——熱電轉換器件設計， 引導學生開展項目探究，訓練他們的科研思維和創新能力。

第一階段，學生需要把這個項目細化，提出問題。學生需要通過自己的前期調研， 查出熱電轉換的原理、介紹，可以應用到哪些方面，以及優缺點分析。 同時思考自己應該如何開展設計？ 我與同伴應該如何分工合作，從而最大限度地發揮潛力？ 我的設計如何能具有可行性或先進性？ 第二階段是方案規劃。 教師為學生提供方案支持，詳細講述熱電制冷和發電兩種轉換利用方式等。 第三階段，學生小組合作完成設計，利用材料組裝器件，并準備PPT 進行演講。 最后在評價與反思階段，教師點評，同伴互評，自我評價，小組內部討論，并完成修改。 學生還需要通過社會調研，設計調查問卷， 發現人們使用熱電制冷和發電器件的意愿、普及率等情況。

課程學習同時也是學生進行科研思維訓練的過程。 學生確定了研究對象后，從信息檢索、篩分，綜合信息并提煉、歸納出解決問題的思路，整理出解決問題的過程行動方案，然后進行實證探索，開展實驗，結合已具備的理論和基礎知識進行結果分析， 與同學、教師討論進一步改進，最終可以創造新的認知，提升創新的科學素養。

傳統的教學模式中，教師的主要工作是教授學生知識。 現在，項目式教學更多是教會他們為什么要獲取知識、如何獲取以及怎么使用。 整個項目時間持續近兩個月，其間不僅會涉及材料、物理、化學方面的知識，還會引入統計學上的定量、定性分析的方法，以及最終展示階段的藝術設計。

項目驅動的教學全面提高學生的創新思維能力。在教學過程中，教師只是給出開放式科研課題，不是一味讓學生完全按照實驗指導書“照章辦事”，在沒有固定實驗步驟、沒有固定實驗方案、沒有固定實驗效果的情況下，讓學生綜合所學發揮自己的創造力和想象力來完成項目。

項目驅動的教學提高學生的團隊協作能力。 學生學會融入團隊，“我為人人，人人為我”，參與到項目探索過程中，貢獻自己的一分力量。 學生以小組為單位，需要了解小組成員的優勢、劣勢，合理分配好人力、物力資源，各司其職，在具體實施過程中還要學會如何與本組成員以及其他小組溝通協調，體會科研項目的實施方式和特點，發揮團隊協作、互補互助的精神。 項目式教學過程中，完成一個項目需要小組所有成員的共同努力，每名成員明確項目工作計劃、各自的分工以及合作的形式，負責信息收集、方案設計、項目實施及評價反思，并進行展示和自我評價。

課程考核對學生專業核心知識的掌握情況、運用理論知識解決復雜工程問題的能力、分析問題、解決問題的能力，包括教師的指導性評價和學生的自主性評價。 教師的評價對課堂教學起著導向作用，要關注學生個體差異，注重過程性和發展性。 學生自主性評價能讓學生認清自己的長處和短處， 還能提高辨析、評判能力，激發學習的內動力。

3 結語

項目驅動的教學使得教師和學生相互依存、相互促進。 教師轉變為學生學習的組織者、促進者和指導者，也鞭策自己不斷提高教學和科研學術水平，為學生提供更好的教學內容和科研課題。 學生在積極主動的學習環境中激發好奇心和創造力，培養分析和解決實際問題的能力。 教師和學生共同面對復雜問題，相互探討、迎接挑戰，共同進步。