基于科教融合的“材料的力學性能”課程教學模式改革研究

孔志剛，李金泉

（北京郵電大學現代郵政學院 北京 100876）

“科教融合”是指在教學過程中，將“科研”與“教學”緊密融合起來，實現兩者有效互補，從而達到培養創新人才的目標[1]。如何提高學生的實踐應用能力，一直以來是高等教育發展中的重點問題[2]。在19世紀，丹尼爾·吉爾曼就首先提出了“教學科研結合”的理念，為高等教育的發展和創新指出了發展方向[3]。近些年我國發布的《國家中長期教育改革與發展規劃綱要》也指出，高等教育“要倡導學生參與科學研究，促進科研與教學互動，強化實踐教學環節”[4]。

但是長期以來，研究生專業課程教學側重于對理論知識的講解，而忽略了學生實踐能力的培養。隨著社會經濟的發展，這種傳統教育方式已經遠遠不能滿足要求[5]。因此，國家及教育部不斷提出推動高校研究生教育改革，倡導教學和科研緊密結合，科研要反向支撐教學，鼓勵在教學中融入科研從而提升研究生科研創新能力[6]。“材料的力學性能”屬于機械工程研究生的專業課程之一，與后續專業課程學習和科學研究有著緊密聯系。在該課程的教學過程中，如果能將教材理論知識和科研有效結合，則有助于學生牢固掌握理論知識，有效地提高學生的專業興趣和學習能力[7]。

本文針對課程“材料的力學性能”提出基于“科教融合”的科研項目案例分析教學模式，目的即在于通過課程的科教融合，將教學與科研有機、高效地結合起來，利用“教學”環節教授課程的基本知識，利用“科研”促進學生應用課程中學到的知識解決工程領域中的實際問題，從而培養學生獨立探索、研究和創新實踐的綜合能力。

1 教學改革思路和方法

課程改革的總體思路是將研究生課程的理論教學環節與工程實踐緊密對接，將工程項目有效融入教學中，教學改革的整體思路和過程如圖1所示（p112）。

圖1 基于科教融合的科研項目案例教學流程圖

首先，在教師對課程理論和工程實際有深刻的理解和把握的前提下，從所經歷的科研項目中，提煉項目案例，加入教學環節中。在案例設計環節，密切結合教材課程理論知識，同時兼顧理論知識的學習，幫助學生掌握利用理論知識分析實際工程應用問題的方法。

例如，教師承擔了國家重點研發計劃項目中的一項子課題“寬頻帶同軸步進衰減器工程化和產業化開發”，該項目的研究對象寬頻帶同軸步進衰減器廣泛應用于頻譜儀、矢量網絡分析儀等測試設備中。寬頻帶同軸程控步進衰減執行機構材料為銅合金，其性能、可靠性的提高往往受制于銅合金的性能。因此結合該機械執行結構，將其涉及的力學性能問題及解決方案設計為課程教學的一項案例，案例包括的內容有：①寬頻帶同軸步進衰減器的結構、功能及其應用。②寬頻帶同軸步進衰減器的材料及其性能。③衰減器的材料在應用過程中出現的力學失效現象。④力學失效現象與教材理論知識的結合分析。⑤衰減器材料力學性能的改善措施及方案。

案例設計完成后，教師在上課前先通過線上方式發給學生，要求學生提前根據資料預習案例內容，并結合教材理論知識對案例進行分析。通過線上線下教學互相銜接，可以利用二者的優勢提高教學效率[8]。在學生充分了解案例及其背景知識的前提下，教師和學生一起在課堂上對科研項目案例進行分析。幫助學生掌握案例的內容及與案例相關的理論知識，并且對案例的工程應用情況進行介紹和分析，使得學生不僅僅獲得了理論知識，而且明白這些知識的工程應用情況，增強了學生對知識學習和掌握的成就感。

在充分了解學生專業背景、研究方向的前提下，將不同學生優化組合后分成若干個研學小組。課堂上教師組織學生圍繞一定教學內容及科研項目案例展開探討研究，促使每個小組成員參與分析案例，踴躍發言，達到學生之間、師生之間高效互動的學習狀態。課后，學生再以小組為單位，查閱文獻，并對已給的案例問題進行擴展分析，撰寫案例分析報告和多媒體課件。下次上課時，學生采用翻轉課堂方式對科研項目案例學習情況進行總結匯報。翻轉課堂是讓學生課下完成部分知識的學習，課堂上學生通過多媒體課件來對教學內容進行講解，教師和其他學生對其匯報的內容及形式進行評價，將課堂變成師生之間以及學生之間互動的場所[9-10]。在匯報結束后，教師指導學生進行互評，評價內容包括報告內容、多媒體課件制作水平、匯報語言的邏輯性等。

另外，在教學過程中，教師應根據教學內容及學生意愿，安排學生參與科研項目，在實際項目過程中培養學生的科研能力及熟練應用和掌握課程理論教學內容。

例如在教授教材第五章《疲勞》時，由于金屬材料疲勞的現象及其概念比較復雜抽象，同時理論教學部分包含大量復雜數學和力學公式，學生對疲勞裂紋的生成、擴展和斷裂過程缺乏直觀和具體的理解，因此引入了同一時期教師正在主持的一項關于材料抗疲勞性能的科研項目，該課題的研究內容之一是研究變動載荷對動簧片抗疲勞性能的影響規律。在項目執行過程中，結合該金屬材料構件在振動環境中產生的失效機理，讓學生參與項目的研討和方案設計，制訂具體的研究方案，參與振動實驗，并對振動實驗后的樣品進行了電鏡能譜分析。在課堂上，教師以該項目為例，結合教材相關內容進行講解，使得學生進一步掌握了這一章的理論知識。

采取多樣化考核方式。課程考核改變以往只注重書面考試的單一形式而采用了過程考核方式。在整個教學過程中，全面考核學生在整個教學環節的表現，包括對案例的分析討論、案例分析報告、多媒體課件制作及匯報等。對學生的學習態度、研究能力等多方面進行綜合評價并給出最終成績，全面評價學生的學習效果。在期末還采取科研項目答辯、翻轉課堂的形式對學生進行評估。這種以過程考核為主的考核方式極大地促進了學生的自主學習，培養了學生思考和解決問題的能力。經過課后的研究報告及多媒體課件的撰寫以及后續的翻轉課堂，同學們進一步擴展了相關知識，獲得了良好的學習效果，同時對科研項目的研究過程和項目報告的總結方法也有了深刻的認知和體會。

2 教學改革取得的成效

在“材料的力學性能”研究生課程教學過程中，教師融入了科教融合的理念，把最新的科研成果融入教學內容中，以科學研究促進了教學，同時提高了學生的創新和實踐能力，具體成效為：

2.1 提高了學生的學習興趣

通過將工程材料力學性能領域前沿問題有機教師融合到課程教學中，增加了教學的廣度和深度，將該領域前沿問題和課程中的理論知識相結合，使學生深入了解相關科研或實踐的動態，從而提高了學生對課程學習的興趣與積極性，促進學生對于目前工程領域技術前沿問題等的討論與探究。

2.2 顯著提高了課堂教學水平

針對“材料的力學性能”教學中的內容，從教師的科研項目中提煉出優秀的教學案例，引入理論教學中，將比較抽象的理論知識與實際工程問題緊密結合。通過科研項目案例分析，實現了教學方式和方法的多樣化，教與學有機結合，在教學過程中加強課堂討論，改善并提高了課程教學效果。

2.3 教學反向也促進了科研，提高了教師和學生的科研水平

通過該課程的科教融合和科研項目案例分析，達到教研相長的目的，培養了學生的創新能力，使學生能主動提出問題，獨立思考，幫助研究生盡快進入科研項目和課題研究的狀態。

2.4 促進了學生綜合素質和能力的提高

課程改革不僅幫助學生掌握自然科學理論知識，而且還通過小組討論和翻轉課堂的形式，讓學生大膽地進行自我表達，培養了學生良好的表達能力和組織能力，這些綜合素質能力的培養和提高將使研究生在課題研究及今后的工作過程中獲益匪淺。

3 結語

本項課程改革基于科教融合的原則，將教學與科研在內容和形式上有機融合和相互滲透。教師在教授知識的同時，注重引導學生參與科研項目和掌握相關理論知識的應用。通過課程改革，不僅提高了學生學習的主動性和積極性，而且促進學生熟悉和掌握目前相關工程領域的技術前沿問題。在今后的課程教學中，可以進一步以科研項目為引領，指導學生進實驗室，參與更多的科學研究與探索，培養學生創新意識，提高學生實踐能力。