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“以学生为中心” 综合能力培养的专业实验教学模式探索与实践

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  摘    要: 以高校工程教育认证体系创新型人才的培养思路为导向,在材料科学与工程专业实验课上,开展“以学生为中心,综合能力培养为主导”的实验教学模式改革与实施。在实验内容上,加强与院科研及实际工程结合;教学过程注重过程教学,改革教学方法、课程考核体系,强调以学生自主学习为中心、问题为导向,以研究式学习与实验为桥梁,加强综合能力培养。实践证明,本实验教学模式的应用,提高实验教学质量和效率,全面提高学生综合能力。
  关键词:实验教学;以学生为中心;综合能力培养;综合设计性实验
  中图分类号:G640          文献标识码:A           文章编号:1002-4107(2019)06-0084-03
   高等学校实验实践教学是培养学生实际动手能力和综合素质的重要环节和手段,是提高学生综合能力、培养学生创新能力,促进应用型人才培养提高的重要途径和有效手段[1-5]。如何激发学生的学习主动性和积极性,挖掘他们的潜能;如何有效提高学生分析问题、解决问题能力的实验教学方式,促进自主学习和研究性学习,成为现阶段实验教学改革的重点。在实验实践教学中加强学生自主学习能力,其中增加综合设计性实验或研究性实践活动在实验教学中所占比例,对锻炼和提高学生的实践能力、研究能力和创新能力具有重要意义[6-9]。
   1952 年,美国心理学家罗杰斯在哈佛大学举办的
  “课堂教学如何影响人的行为”学术探讨会上,首次提出“以学生为中心”的观念,并将其应用到本科教育层面。以学生为中心的教学模式中,教师和学生不仅区别于传统的教学者和学习者的角色,还共同担任研究者的工作,其教学模式是一种讨论式的模式,是师生在教学过程中共同研讨学问,通过解决学生实际问题而达到学习知识的教学活动。在本科实验教学中采用“以学生为中心”的教学模式,强调对学生知识获得与能力培养并重,以学生自主学习,独立分析、以小组讨论为基本形式进行合作组织设计实验内容,以实验实践形式“立竿见影”解决问题,培养和调动学生专业学习的积极性和能动性。
   中国海洋大学材料科学与工程学院针对学生专业学习特点以及传统的实验课程教学方式(如验证性、演示型实验教学)的局限性,以纳米材料概论实验课程为载体,开展以“以学生为中心,综合能力培养为主导”的实验教学模式改革与实施,以学生自主研究式学习与实践为桥梁,采用综合性设计性实验内容,将教授专业知识应用技能与培养大学生专业实践能力、科学素质和创新能力结合起来,提升工科人才培养质量。
   一、课程改革内容
   (一)优化实验教学大纲,重点突出
   学院“纳米材料概论实验课”是与材料化学与工程专业理论课相配套的实验课程。学生在前期专业理论课内学习的专业知识处于碎片状态,亟待加强专业知识系统性应用、专业理论知识与科研实践或工程应用的串联性,采用传统的实验教学方法难以达到满意教学效果。针对以上学生专业学习特点以及创新人才培养要求,我们立足于“目标导向(产出导向)”的教育取向,优化实验教学大纲。教学大纲明确以创新型、实践型人才培养为目标;要求学生掌握和应用纳米材料的基础知识、结构分析、设计、制备及应用、特性等专业理论知识,为新型应用型纳米材料的研究和开发打下扎实的基础。纳米材料概论实验课在实验内容、教学方法、教学模式和考核体系等几方面进行改革并实施,侧重添加与专业科研方向、现实生活或实际工程紧密联系的实验内容,增强专业理论知识实用性和系统应用性;重点突出“以学生为中心”自主学习的过程引导,加强学生所学的专业理论知识与实验实践的结合,探索纳米材料制备工艺参数、结构与功能性之间的关系、强化学生的科研能力和工程意识,提高工程教育人才培养质量。
   (二)实验内容设计与实施
   综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关知识的实验[10-11]。设计性实验是指根据给定实验目的要求和实验条件, 由学生自行设计实验方案并加以实践或实现的实验[12-13]。具体到本实验课程改革,利用学院实验教学和科研平台资源,整合专业实验仪器设备,开展从纳米材料制备到器件性能分析的递进式、系统性实验内容,将单一性验证实验体系改造升级为综合性、研究性实验平台,突破传统专业实验课中各实验内容独立的现象;同时实验内容上包含设计成分,采用试剂种类选择化、实验方法和条件多样化等措施,学生分组讨论设计实验并予以实施,将书本上的实验转变为学生自己的实验;最终进行实验结果分析和讨论以及实验报告的撰写,完成整個实验课的过程。“纳米材料概论实验课”采用综合设计性实验内容,既突出专业基础知识的应用,又兼顾纳米材料制备与功能性相关分析。实验内容突出专业知识实用性,同时兼顾纳米材料实用产业发展方向和新型材料开发。
   具体在实验课程实施过程中,教师提出实验研究目标,引导学生开展相关文献查阅、纳米材料制备方案设计、制备样品的过程分析及后处理过程、结构设计、性能测试及分析等过程实施。教师将科研思维和实际产业生成模式引入本科教学,引导学生进行纳米材料制备方案设计、组装工艺与实验产品器件性能之间的关系分析,达到材料与工程专业学生专业知识学习、科研能力、工程能力等综合能力训练的目的。
   本综合实验课程内容体系的设置上,既包括了纳米材料的制备方法,又包含功能性压电器件组装工艺;既包括了传统制备工艺(如液相合成工艺)、结构表征方式(如材料TG/DSC和XRD测试分析)和器件性能测试手段(铁电性能测试),也包含目前最先进的合成手段(如自组装法、微波合成等)与表征手段(如纳米激光粒度分析仪),将学院先进科研仪器设备和实际产业测试手段应用于本科实验教学,真正实现了专业理论与实践的结合,达到实验课程设置的教学目的。    (三)实验教学方法改革
   纳米材料概论实验课程教学过程中遵循“以学生为中心,教师为引导”的教学理念[14-17],以问题引导式教学方法,强调“实验过程”中学生自主学习能力、探索创新能力的培养。
   具体实验教学实施过程为:学生明确以制备分散性良好、性能良好的纳米钛酸钡材料为实验目标;以3—4名学生为一组,将每一小节实验课程分解为:实验预习,实验讨论、实验实践、实验分析、实验报告书写等几个步骤。实验过程以小组为单位,实验前要求小组内进行预习讨论,确定纳米材料制备实验方案,讨论影响因素;实验课上,小组间讨论实验方案,由教师合理点评设计实验方案;各小组将讨论最终实验方案用于实验;规范实验操作;整个过程中教师起指导的作用;学生实验中遇到的困难或问题,要求学生尽可能自己探索思考,利用专业理论知识对实验现象及实验结果给予合理解释并解决,加强学生实验现象和实验数据分析要求;特别是对实验过程分析或是大型仪器分析实验,加强学生科研思维培养,引导学生设定实验参数,加强专业分析软件应用,规范实验报告书写,严格要求科研论文规范实验数据分析和实验报告结果分析。整个实验流程使学生动手的能力、分析问题的能力、解决问题的能力等得到全面提高。
   本实验课教学方法特点是在给学生介绍纳米材料制备原理、仪器设备操作方法、安全规范的基础上,学生分小组讨论,自行设计并实施实验方案,完成整个综合性、系统性和设计性实验流程;应用仪器分析表征等相关专业软件,加强实验数据和结果的分析和讨论;最终完成整个体系实验报告撰写。采用研究式实验教学过程,学生在实验过程前明确实验目标,整个实验课程中提出问题和发现问题、查阅文献,学生自己或是小组讨论提出解决问题的思路并通过实验实践;实验内容上环环相扣,纳米材料制备条件设计,过程分析的设计以及最终纳米材料功能性分析密切相关,实验进程实施遵循科学研究模式和产业生产模式,学生的系统分析专业问题能力、科研实施能力和专业实践能力得到长足锻炼。
   教师在教学过程中,始终把握以“学生学习”为本,内化、深化学生主动思考和主动学习的教学理念,采用变化多样的教学方式,加强学生科研思维和工程能力培养与锻炼,在小组讨论、实验过程和实验报告撰写中加强和注重学生“四基”和“四能”的培养。“四基”即:基本专业知识、基本实验技能、基本科研素质和基本合作经验;“四能”即分析问题能力、解决问题能力、发现问题能力和提出问题能力。
   (四)完善课程评价体系
   实验课程考核体系突出“以学生为中心”的过程考核模式,实施多元化考核制度。考核不再简单地看实验结果,而是注重对学生实验过程的考核和评价。实验考核内容中预习报告占15%、实验过程占45%、实验报告占40%。其中实验过程考核包括对学生的文献资料调研、小组讨论、实验方案设计、实验过程表现,实验数据分析与表达能力等方面全过程地进行考察。
   二、教学改革效果
   “以学生为中心”综合能力培养的纳米材料概论实验教学实施改革以来,实验课上教学效果明显。具体表现为采用综合设计型实验内容,在实验过程实施中有明显的分层步骤, 其实验内容是“纳米材料制备”“实验条件及方法探索”“结构或功能设计”和“性能分析”等实验项目,实验难度呈台阶式递进, 能牵引学生的探究性思维, 即实验内容具有鲜明的探究性,学生参与度高,学生在实验过程中充满生机和活力。整个实验内容体系完整和连贯,引导学生在实验过程中积极思考,课堂讨论热烈,实验过程表现积极;实验过程中学生逐步建立科研思维模式,提高学生专业知识学习和实践的主动性和探索性。
   实验课程开设实验内容与实际生产工程对接,具有一定实际应用价值的实验项目,充分激发学生的专业实践和动手实践兴趣;实验教学过程既有对学生前期专业理论学习的检验和总结内容,又有独立思考和协作处理工程实际问题能力的实践环节,对学生的科学素养、科学态度以及意志力的培养有了长足锻炼。同时对学生实验前预习、实验后整理分析实验结果、数据处理和撰写实验报告等提出规范性要求,提高学生的科技写作能力。
   相比“填鸭式”课堂教学,验证性实验教学[18-19],该实验课程教学改革实施以来,学生在专业实验方案设计、实验操作以及实验报告撰写等各方面自主学习能力都得到了长足的锻炼,专业知识的实践更让学生印象深刻,真正实现理论与实践结合,教师也看到了学生们在专业学习方面意想不到的效果。实验现场学生的反应和学生的问卷调查,均显示学生对该实验课投入度和满意度较高,达到实验课程设置的教学目的。
   三、结语
   “以学生为中心”综合能力培养专业实验教学模式实施,不仅在实验内容上夯实学生基本知识与基本技能,实验过程中注重学生设计实验方案的实验和实施;综合性设计性实验内容为學生创造了专业层面的设计、思考与提升的空间,学生实验投入度和满意度明显提升,激发了学生对追求科学研究的兴趣,有效培养了学生的分析问题、专业实践能力、科学素质和创新能力。特别在实验考核和评价体系改革中,实现“以学生为中心,以能力本位的学习,围绕具体任务、团组合作式学习”的转变,增强了学生探求未知领域的勇气与信心,提高学生团队协作能力、科研工作素养等综合能力。
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