創(chuàng)新能力融入材料綜合實(shí)驗(yàn)課程之改革探索

吳 珊,龍紹檑

(1.貴州師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院,貴州 貴陽 550018;2.貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003)

引言

黨的二十大報告中習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力。當(dāng)前,國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,對新工程科技人才提出了更高要求[1]。相應(yīng)的,根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求改革高校工程專業(yè)的教學(xué)模式顯得至關(guān)重要,即要改變以往強(qiáng)調(diào)“以教為中心”的教學(xué)模式,更強(qiáng)調(diào)“以學(xué)為中心”,并且堅持“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的基本原則[2-3]。這就要求高等教育應(yīng)突出以學(xué)生中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向并持續(xù)改進(jìn)的教育理念[4]。這種學(xué)生自我學(xué)習(xí)的產(chǎn)出而非以教科書或教師經(jīng)驗(yàn)推動的教育系統(tǒng)運(yùn)作[5],被認(rèn)為是化工類專業(yè)教育范式的革新[6-8]。

材料綜合實(shí)驗(yàn)作為能有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識的課程,主要是因?yàn)樗軌驑?gòu)建一種模塊化、多維度的符合教學(xué)體系[9],無論是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)還是綜合性實(shí)驗(yàn),都能夠幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握更多的材料科學(xué)前沿和拔高眼界,使學(xué)生對材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和自主探索精神得到提高[10]。基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的迫切要求,在一定程度上讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能及創(chuàng)新能力的重要途徑,真正實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)”雙向奔赴,達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)和科研創(chuàng)新能力的目標(biāo)[11-15]。

基于上述原因,該研究以材料綜合實(shí)驗(yàn)課程中“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”實(shí)驗(yàn)項目為例,從課程的內(nèi)容選擇、教學(xué)方式、評價機(jī)制三個角度探索和踐行“創(chuàng)新能力”融入材料綜合實(shí)驗(yàn)課程的改革路徑,更大程度地啟發(fā)學(xué)生參與、設(shè)計、創(chuàng)作實(shí)驗(yàn),摒棄對實(shí)驗(yàn)一成不變的重現(xiàn),以期幫助他們更好地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,最終實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

一、材料綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

以貴州師范學(xué)院為例,材料綜合實(shí)驗(yàn)作為我院材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,開設(shè)在大學(xué)三年級上學(xué)期,前導(dǎo)課程開設(shè)了無機(jī)及分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械制圖、材料科學(xué)與基礎(chǔ)、非金屬材料基礎(chǔ)、高分子物理、高分子化學(xué)、材料分析方法與測試技術(shù)、金屬材料與熱處理等,后續(xù)課程為新型功能高分子材料、材料加工工藝與設(shè)備、畢業(yè)實(shí)習(xí)及畢業(yè)論文。

本課程的目標(biāo)旨在幫助學(xué)生驗(yàn)證、鞏固和加深非金屬材料基礎(chǔ)、金屬材料與熱處理、高分子物理、高分子化學(xué)、材料加工工藝課程中所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識;培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力,養(yǎng)成嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng),以及使用手冊、工具書、網(wǎng)絡(luò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料的能力;確立觀察現(xiàn)象的正確方法,初步培養(yǎng)分析判斷、邏輯推理能力;掌握獨(dú)立觀察、實(shí)驗(yàn)記錄、數(shù)據(jù)處理、撰寫規(guī)范實(shí)驗(yàn)報告的能力。

本課程的實(shí)驗(yàn)項目選擇主要取決于前導(dǎo)課程以及與教師科研相關(guān)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完整性較好,只要按照操作步驟進(jìn)行,就可以得到既定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)過程相對較刻板,趣味性較弱。同時,由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的科學(xué)屬性較強(qiáng),學(xué)生想從完整的實(shí)驗(yàn)項目中提出自己見解的難度較大,難以啟發(fā)其創(chuàng)新能力。

就本課程的考核評價形式而言,期末考試是通過每個實(shí)驗(yàn)出一道思考題,同學(xué)可以通過查閱文獻(xiàn)資料獲得答案;課堂紀(jì)律主要考查學(xué)生是否能夠按時出勤;實(shí)驗(yàn)操作主要是考查學(xué)生的實(shí)際動手能力,大多是重現(xiàn)教師的操作;實(shí)驗(yàn)報告主要考查學(xué)生對預(yù)習(xí)報告和實(shí)驗(yàn)報告的撰寫能力和思考能力。這種傳統(tǒng)的考核評價體系可以在一定程度上反映學(xué)生查閱文獻(xiàn)、思考問題以及動手操作能力,但是卻不能反映學(xué)生的創(chuàng)新能力。

因此,在材料綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,提高學(xué)生的參與感,降低實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)的枯燥感,激發(fā)他們的設(shè)計意識是必要的。這亟需教師將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以潤物細(xì)無聲的形式融入到日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,同時配套恰當(dāng)?shù)脑u價機(jī)制。

二、以“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”為例的教學(xué)改革路徑

(一)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可塑性

綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論應(yīng)用于實(shí)踐最好的體現(xiàn)。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識性和趣味性的兼容,一方面可以鞏固和檢驗(yàn)材料專業(yè)相關(guān)理論教學(xué)的學(xué)習(xí)成果,培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作技能和技巧;另一方面在學(xué)習(xí)過程中可以更好地激發(fā)學(xué)生的興趣,啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容知識性要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完整、科學(xué)性鮮明、邏輯感強(qiáng),能更好地將前導(dǎo)課程理論的學(xué)習(xí)與科學(xué)研究緊密聯(lián)系起來;而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容趣味性的體現(xiàn)要求教師根據(jù)各個實(shí)驗(yàn)項目的特點(diǎn),將完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容里面的某個環(huán)節(jié)(比如實(shí)驗(yàn)結(jié)果)改為可設(shè)計的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于每個學(xué)生對創(chuàng)意設(shè)計的理解不同,就會產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按照自己的想象和設(shè)計能夠很好地提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中的參與感,降低對實(shí)驗(yàn)機(jī)械式的重現(xiàn),可以很大程度上激發(fā)他們的設(shè)計意識。通過這些操作能提高實(shí)驗(yàn)的趣味,調(diào)動學(xué)生的積極性和能動性,既完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的既定目標(biāo),也融入了對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

以“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”為例,我們將原本既定式實(shí)驗(yàn)結(jié)果(制件為小型風(fēng)扇葉片如圖1所示)改為創(chuàng)意作品(題材不限、創(chuàng)新為主)。圖2中a、b是2018級的學(xué)生利用熔融物料的堆垛構(gòu)造的簡單立體圖形花籃和蝸牛;圖2中c、d是2019級學(xué)生構(gòu)造的立體圖形和平面圖形并上色;圖2中e、f是2020級學(xué)生拼搭的復(fù)雜圖形房屋和老爺車。從簡單的平面搭建、顏色設(shè)計到復(fù)雜大膽的圖形和創(chuàng)意搭建,不僅能夠反映出各年級學(xué)生的學(xué)情,也能通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果多樣化的設(shè)計及構(gòu)建體現(xiàn)不同學(xué)生的設(shè)計理念。

圖1 小型風(fēng)扇葉片注塑模具注:a.成品,b.模具。

圖2 學(xué)生作品

(二)“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的運(yùn)用

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)就是引導(dǎo)學(xué)生自主探索科學(xué)問題的過程,讓學(xué)生形成善于發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的科學(xué)思想。相比傳統(tǒng)的“以教為中心”的教學(xué)模式,強(qiáng)調(diào)“以學(xué)為中心”的教學(xué)模式更能夠提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的參與程度,讓他們對創(chuàng)新產(chǎn)生共鳴。因此,我們提出“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,試圖啟發(fā)學(xué)生自主探索、分析問題、解決問題,在一定程度上激發(fā)他們的創(chuàng)新能力,真正完成“探索+求新”的融合。該混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要是遵循教師預(yù)設(shè)問題、學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、學(xué)生解決問題的思路,具體實(shí)施如下:首先教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn),將實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的問題預(yù)先融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(預(yù)設(shè)問題),然后學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中逐步發(fā)現(xiàn)它們(發(fā)現(xiàn)問題),最后學(xué)生利用學(xué)到的原理去逐一分析解決問題(解決問題),以獲得滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

以“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”為例,為了獲得創(chuàng)意制品,需要學(xué)生根據(jù)材料的加工工藝原理設(shè)置和調(diào)整注塑成型的工藝參數(shù)(如溫度、喂料速度、牽引速度)。如何設(shè)置合理的工藝參數(shù)就是教師預(yù)設(shè)的問題,也是“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的第一步。接下來就進(jìn)入“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的第二步——發(fā)現(xiàn)問題。就本實(shí)驗(yàn)而言,學(xué)生會遇到以下三類問題:第一是物料溫度過高或過低,會導(dǎo)致物料過稀,不易成型或物料過稠,不易流動;第二是牽引過快或過慢,會導(dǎo)致物料粗細(xì)不均勻;第三是喂料過快或過慢,會導(dǎo)致物料堵塞、塑化不徹底或引入空氣使制品易斷。最后進(jìn)入“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的第三步——解決問題。學(xué)生想要獲得較好的創(chuàng)意作品(如圖2中a、b),需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對溫度、喂料以及牽引速度有較好的控制,否則溫度過高,不易成型;喂料過慢,容易引入空氣,物料易斷不易牽引;牽引過快或過慢,不易牽引出粗細(xì)均勻的物料,搭建出來的作品視覺效果不好。學(xué)生要想完成簡單和立體圖形的拼接和上色(如圖2中c、d),在實(shí)驗(yàn)操作過程中也需要很熟練地控制溫度、牽引速度和喂料三者的關(guān)系,才能獲得表面無缺陷的制品,上色時才能均勻附著,才能體現(xiàn)出學(xué)生的創(chuàng)意。學(xué)生想要搭建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(如圖2中e、f),不僅要學(xué)會控制溫度、牽引速度和喂料速度,還要會應(yīng)用有限元分析的思想在較短的時間里將復(fù)雜圖形片段化設(shè)計,包括對每一個片段的形狀、長度、數(shù)量的設(shè)計。至此,經(jīng)過“問題分析+翻轉(zhuǎn)課堂”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐,能體現(xiàn)“以學(xué)為中心”為主的教學(xué)思想,也能為學(xué)生搭建自主探索科學(xué)問題的平臺,讓學(xué)生逐步形成發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的科學(xué)思想,為激發(fā)他們的創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。

(三)構(gòu)建多元化課程評價方式

“期末考試、課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報告”四個方面的評價主要是對學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的評價。這種評價方式在一定程度上可以反映學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、思考問題、動手操作以及實(shí)驗(yàn)報告撰寫等能力,但是卻不能反映學(xué)生的創(chuàng)新能力,也不能評價教師對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的成效。

構(gòu)建多元化課程評價方式,主要從“教、學(xué)、思、創(chuàng)”四個方面來體現(xiàn)。對于教師而言的“教、學(xué)、思、創(chuàng)”,指的是教學(xué)設(shè)計、自我提升、教學(xué)反思、創(chuàng)新能力評價。這就要求教師在教學(xué)設(shè)計中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容將學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),以潤物細(xì)無聲的形式融入到日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,同時構(gòu)建教師對于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的評價機(jī)制,檢驗(yàn)教師的教學(xué)設(shè)計效果,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評價進(jìn)行教學(xué)反思,在不斷的學(xué)習(xí)、不斷的思考、不斷的創(chuàng)新中進(jìn)一步優(yōu)化自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案,提升教學(xué)能力。

對于學(xué)生而言的“教、學(xué)、思、創(chuàng)”,指的是教學(xué)互通、自我學(xué)習(xí)、主動思考、創(chuàng)新能力四個方面。其中教學(xué)互通和自我學(xué)習(xí)就是要求學(xué)生能夠?qū)W會對教師所教的書本上的知識點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),同時將這些知識用于解決實(shí)際問題;主動思考和創(chuàng)新能力是指學(xué)生想要獲得創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,需要他能夠?qū)?shí)踐過程中遇到的問題進(jìn)行反思。具體體現(xiàn)于兩個方面:一方面是通過學(xué)生的“思考、創(chuàng)意”加深學(xué)生對于基本理論的理解,讓書本知識為己用,構(gòu)建學(xué)生主動思考和創(chuàng)新能力,構(gòu)建教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的良性學(xué)習(xí)循環(huán)模式。以“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”為例,作為高分子材料加工的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn),需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)的教學(xué)了解聚合物的工藝性能、注塑機(jī)的機(jī)械原理,并且能夠通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)材料注塑成型過程中可能出現(xiàn)的問題。在該案例中,學(xué)生想要獲得創(chuàng)意制品,就必須要了解塑料注塑成型的工藝過程[16](填充—保壓—冷卻—脫模4個階段構(gòu)成一個完整的連續(xù)過程,它直接決定著制品的成型質(zhì)量以及聚合物溫度與形變的關(guān)系),注塑機(jī)的機(jī)械原理[17](利用塑料的可擠壓性和可模塑性,將松散的物料從注射機(jī)的料斗送入高溫的機(jī)筒內(nèi)加熱熔融塑化成為黏流態(tài)熔體,在柱塞或螺桿的高壓推動下,以很大的流速通過機(jī)筒前端的噴嘴注射將粘流態(tài)熔體打入溫度較低的閉合模具中,經(jīng)過一段保壓冷卻定型后,開啟模具便可從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制件),同時熟悉注塑過程中工藝參數(shù)的設(shè)置如溫度的設(shè)置、壓力的設(shè)置以及時間的設(shè)置,才能克服注塑制品可能出現(xiàn)的問題,如毛刺(或稱飛邊、溢邊、溢料)、充填不足(或稱成形不足)、熔接痕(或稱結(jié)合線)、凹陷(或稱縮坑)、氣泡、銀紋等。那么,從制品的均勻性、著色情況、表面完整性看,就能在一定程度上反映學(xué)生對注塑原理的理解,是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。學(xué)生用自己的雙手搭建的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,明顯增加了學(xué)生的積極性和小組成員之間的配合,使其能更好地理解教師講授的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理,真正實(shí)現(xiàn)從做中學(xué)、從做中悟。

另一方面在對基本理論深入理解的基礎(chǔ)上,向原有“期末考試、課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報告”考核內(nèi)容中引入對創(chuàng)新能力的考核及獎勵機(jī)制,激發(fā)學(xué)生對創(chuàng)新能力的思考和踐行。以“氣動注塑成型聚乙烯復(fù)合材料”為例,從結(jié)構(gòu)難易程度、配色準(zhǔn)確程度、主題新穎程度給出評價標(biāo)準(zhǔn)以及占比,設(shè)置相應(yīng)的獎項鼓勵學(xué)生的創(chuàng)意。具體實(shí)施如下:設(shè)置創(chuàng)意考核、期末考試、課堂紀(jì)律、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報告作為考核內(nèi)容,分別各占總成績的20%,新增加的創(chuàng)意考核將從結(jié)構(gòu)難易程度、配色準(zhǔn)確程度、主題新穎程度三個方面來反映學(xué)生的創(chuàng)新能力,其中結(jié)構(gòu)難易程度占比30%,配色準(zhǔn)確程度占比30%,主題新穎程度占比40%,評分有95分、90分、85分、80分四個等級,評委老師根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)為每項作品打出相應(yīng)的分?jǐn)?shù),為優(yōu)秀學(xué)生作品頒發(fā)獎勵。同時推薦參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽、“創(chuàng)青春”中國青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生電子商務(wù)“創(chuàng)新、創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽等比賽,鼓勵學(xué)生敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新、樂于創(chuàng)新。

三、教學(xué)改革效果及評價

依據(jù)上述的教學(xué)改革路徑,結(jié)合2018級、2019級、2020級材料專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋,可以看出材料綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的效果得到提升。從學(xué)生成績來看,三個年級該實(shí)驗(yàn)項目的成績集中于85與90分?jǐn)?shù)等級,而且比例逐漸增加。同時,95分?jǐn)?shù)等級的比例也在增加,說明學(xué)生的創(chuàng)新能力有所提高。從學(xué)生課堂參與度及表現(xiàn)來看,隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的趣味性增加,學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的意愿更加強(qiáng)烈,學(xué)習(xí)的主動性顯著提高。同時,從近幾年學(xué)生報送的課外創(chuàng)新競賽項目的數(shù)量來看,學(xué)生參與課外創(chuàng)新競賽的意愿也逐漸增加,學(xué)生會主動地聯(lián)系老師進(jìn)行選題探討,更多地表達(dá)自己的想法。

四、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是采用既定式模式進(jìn)行,學(xué)生按照一定的步驟即可得到既定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這樣往往限制了學(xué)生的思維,遏制了學(xué)生的自主探索意識。將創(chuàng)新能力培養(yǎng)逐步融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)課程評價機(jī)制,不僅能夠激發(fā)他們的設(shè)計意識,還能夠很好地讓學(xué)生將科學(xué)原理融會貫通于實(shí)驗(yàn)操作中,幫助學(xué)生從做中學(xué)、從做中悟,讓他們更好地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合,完成以教師為中心向以學(xué)生為中心教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變,構(gòu)建教師與學(xué)生之間真正的教與學(xué)雙向奔赴的橋梁,從而深化教育教學(xué)改革,提升本科人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。