王青堯,張自鋒,廖生溫,趙玉花,鄧雅丹,葉奇魯,方 芳,王可勝

(巢湖學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽 巢湖 238024)

0 引言

OBE(Outcome Based Education,簡稱OBE)理念是最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞高等教育的一種應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)模式,它以學(xué)生為中心,強調(diào)成果產(chǎn)出在學(xué)生培養(yǎng)和人才評價中的作用,與中國新工科教育的項目驅(qū)動式教育理念相吻合,側(cè)重學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及解決復(fù)雜工程難題的能力的培養(yǎng)[1～3]。項目驅(qū)動式教學(xué)采用反向思維培養(yǎng)模式,適合課程設(shè)計類實踐課程教學(xué),通過提前預(yù)設(shè)的項目課題促使學(xué)生主動求知,在科學(xué)研究或工程項目的解決過程中逆向培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。巢湖學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)課程設(shè)計存在理論與實踐能力培養(yǎng)相脫節(jié)的問題,側(cè)重書本基礎(chǔ)理論知識的傳授,學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力欠缺。此外,教研分離造成任課老師空有先進的項目經(jīng)驗,學(xué)生參與科學(xué)研究和工程實踐的機會較少,師生的主觀能動性低,對學(xué)生實踐能力提升不利,嚴(yán)重影響了材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。本研究以O(shè)BE理念為指導(dǎo),自主學(xué)習(xí)和實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo),通過項目驅(qū)動式教學(xué)策略對材料化學(xué)專業(yè)課程設(shè)計教學(xué)過程進行改革,對教材、教法及考核評價環(huán)節(jié)的改革進行了探索性嘗試,達到了學(xué)生核心能力和綜合素質(zhì)全面提高的目的。

1 材料化學(xué)課程設(shè)計的特點

材料化學(xué)課程設(shè)計是通過課程設(shè)計的方式加深學(xué)生專業(yè)課程知識的掌握,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題能力的一門實踐性課程。本課程通過激發(fā)學(xué)生在功能材料制備和應(yīng)用方面的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維與科學(xué)實驗的基本訓(xùn)練,最終使學(xué)生具備材料化學(xué)課程設(shè)計相關(guān)知識和實踐的能力。它是材料學(xué)專業(yè)學(xué)生實踐課程的重要組成部分,是鏈接專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)實驗課、畢業(yè)設(shè)計的紐帶和橋梁,已成為材料專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要載體[4～6]。

2 材料化學(xué)課程設(shè)計的現(xiàn)狀

受限于傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核評價方式等方面的限制,課程設(shè)計教學(xué)仍然存在理論與實踐結(jié)合度不夠的問題,具體表現(xiàn)為實踐教學(xué)內(nèi)容過于老舊,未能及時補充新技術(shù)、新觀念;教學(xué)方式較為傳統(tǒng),多采用PPT面授的方法,不能因材施教;驗證性實驗為主,對于探究性、開放性、創(chuàng)新性實驗的設(shè)置偏少,背離了材料化學(xué)課程設(shè)計的開設(shè)初衷,難以滿足新工科背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求。

2.1 教材內(nèi)容與工程問題脫鉤

材料類理論課程經(jīng)過幾十年的發(fā)展,涌現(xiàn)出非常多的經(jīng)典教材,教材內(nèi)容條理清晰,邏輯嚴(yán)密,然而與之相銜接的課程設(shè)計卻乏善可陳。部分高校借用材料化學(xué)實驗教材,多為驗證性項目,缺乏開放性、探索性創(chuàng)新內(nèi)容,并且授課內(nèi)容陳舊,課程設(shè)計內(nèi)容大同小異,學(xué)生缺乏興趣,不符合高水平應(yīng)用型高校的辦學(xué)定位,也難以達成培養(yǎng)學(xué)生高素質(zhì)能力目標(biāo)的要求。結(jié)合材料化學(xué)專業(yè)辦學(xué)目標(biāo),兼顧學(xué)校定位和學(xué)科特色,對材料化學(xué)課程設(shè)計教材進行改革,融合學(xué)科前沿和行業(yè)熱點、難點,編著適合本專業(yè)學(xué)生發(fā)展的高水平教材刻不容緩。

2.2 授課方式單調(diào)

材料專業(yè)課程設(shè)計多采用傳統(tǒng)的“老師臺上講,學(xué)生臺下聽”,學(xué)生難以把握課程設(shè)計的宏觀理念,對原理性概念理解不深,缺乏師生互動探討和頭腦風(fēng)暴,這與以學(xué)生為本的教育理念相違背。實踐指導(dǎo)環(huán)節(jié),授課老師多采用示范的方式傳達給學(xué)生,學(xué)生照貓畫虎敷衍了事,授課效果不盡如人意。先進的理論課授課手段,如慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、案例式教學(xué)、探究式教學(xué)、線上線下混合式教學(xué)等在課程設(shè)計中應(yīng)用較少,學(xué)生興趣低下并且不愿參與到教學(xué)活動中來。

2.3 考察評價不科學(xué)

課程設(shè)計多通過課程報告的形式進行考核,側(cè)重考察基礎(chǔ)知識的背誦,單一的評價指標(biāo)難以全面地反映出學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力,遇到真正的科學(xué)問題或工程領(lǐng)域難題,缺乏實戰(zhàn)經(jīng)驗和開放性、創(chuàng)新性思維以及解決問題的實踐能力[7]。對于課程設(shè)計這種對學(xué)生綜合能力和實操能力要求較高的實踐類課程來說,改變固有的上課出勤加課程報告的考核形式,采用多元化評價指標(biāo),側(cè)重成果展示和過程性評價,更能反映出學(xué)生真實的水平。

綜上所述,材料化學(xué)專業(yè)的課程設(shè)計存在理論與實踐嚴(yán)重脫鉤的現(xiàn)象,在授課教材、教學(xué)教法以及考核評價方面都存在嚴(yán)重短板,不利于高水平應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。材料化學(xué)課程設(shè)計應(yīng)與時俱進,在課程體系方面深化改革,構(gòu)建符合當(dāng)今新工科背景下工程教育認(rèn)證的專業(yè)課程設(shè)計教學(xué)體系,具體改革方案如圖1所示。

圖1 課程設(shè)計改革的實施流程

3 材料化學(xué)課程設(shè)計改革的具體措施

新工科人才培養(yǎng)對實踐類課程老師的授課標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量有了更高要求[8],在加強教師師德、責(zé)任心的同時也要注重實踐教學(xué)能力,克服重理論輕實踐的傳統(tǒng)教學(xué)模式。專業(yè)任課老師應(yīng)采用進修學(xué)習(xí)或者掛職鍛煉的方式,深入把握材料學(xué)學(xué)科前沿和就業(yè)需求,熟練掌握OBE理念和項目式授課思路,采用多樣性的授課和評價方式,為社會培養(yǎng)更多高水平應(yīng)用型工科人才。

3.1 課程設(shè)計教材的編著

課程設(shè)計教材可通過篩選匯編專業(yè)教師承擔(dān)的縱向課題和企業(yè)橫向課題,將其模塊化改編成滿足教學(xué)需求的課程設(shè)計內(nèi)容,并進一步量化打分,供考核評價采用。將科研和企業(yè)工程項目轉(zhuǎn)化為課程內(nèi)容,并持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容,保持授課內(nèi)容和行業(yè)前沿一致,避免了課程內(nèi)容與行業(yè)脫鉤的現(xiàn)象。任課老師能將最新的科研動態(tài)和行業(yè)熱點傳達給學(xué)生,教授學(xué)生自主學(xué)習(xí)的技能與方法,用專業(yè)知識解決實際問題。學(xué)生也能接觸到最前沿的專業(yè)知識,同時開闊了視野,提高學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新精神。

3.2 全面改善教學(xué)方式

根據(jù)OBE理念,項目驅(qū)動式課程設(shè)計選用科研課題或者復(fù)雜工程難題作為教學(xué)內(nèi)容,促使師生采用反向思維方式來思考,學(xué)術(shù)交流溝通的教學(xué)方式有效避免了傳統(tǒng)的教師一言堂教學(xué)現(xiàn)象。這種開放式、沉浸式、互動式的教學(xué)理念改變了固有的枯燥乏味的說教,啟迪了學(xué)生的思維,提高了學(xué)生的參與度和沉浸式體驗感。同時,采用雙創(chuàng)比賽的教學(xué)方式也能實現(xiàn)對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識的傳授和工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng),這種全過程育人方式打破了傳統(tǒng)的上課時間和場所限制。項目驅(qū)動式教學(xué)方式有助于學(xué)生專業(yè)知識的內(nèi)化理解,學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和實踐技能能力在“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目”“挑戰(zhàn)杯”“科技創(chuàng)新大賽”等雙創(chuàng)比賽中得到提升。

3.3 全周期多維度考核模式

OBE理念不僅考察學(xué)生專業(yè)知識的掌握,更加側(cè)重創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)。因此,全周期多維度的科學(xué)評價模式采用成果產(chǎn)出和過程評價雙原則,淡化書面分?jǐn)?shù)考核比重,鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新,主動思考并解決復(fù)雜工程問題,這對于新工科背景下學(xué)生培養(yǎng)具有重要意義。研究者采用了過程性評價指標(biāo),通過多層次、多維度的定期考核(表1)對學(xué)生進行綜合評價,將原來一學(xué)期48學(xué)時的課程設(shè)計拓展為三學(xué)期,每學(xué)期末提交階段性考核表,并進行小組匯報打分。此外,評價方式多樣化,雙創(chuàng)項目、學(xué)術(shù)論文、專利、實驗報告等均可作為評價考核的參考依據(jù),側(cè)重知識內(nèi)化為解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新思維和能力。

表1 材料化學(xué)課程設(shè)計考核評價標(biāo)準(zhǔn)

4 實踐成效

4.1 學(xué)生成績分析

通過對材料化學(xué)專業(yè)兩個平行班進行成績分析對比,發(fā)現(xiàn)采用項目驅(qū)動式教學(xué)改革的同學(xué)學(xué)習(xí)成績?nèi)〉昧嗣黠@的進步,平均成績高2.36分,優(yōu)秀率和及格率分別高出6.58%和4.25%,學(xué)生發(fā)表SCI論文、申請專利、參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等指標(biāo)均大幅領(lǐng)先。分析結(jié)果表明,基于OBE理念的項目驅(qū)動式課程改革取得良好的效果,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、主動參與項目的投入度和積極解決項目難題的信心明顯增強,學(xué)生創(chuàng)新意識和工程實踐能力培養(yǎng)效果顯著。

4.2 問卷調(diào)查結(jié)果反饋

課程設(shè)計結(jié)束后,課題組針對教學(xué)內(nèi)容、授課方式和考核評價進行了匿名問卷調(diào)查,共設(shè)置12道題目,設(shè)置非常滿意、滿意、一般、不滿意四個選項,具體調(diào)查內(nèi)容如表2所示。本次調(diào)查問卷面向參與課程設(shè)計改革的39名學(xué)生,共收回有效問卷38份,有效率達到97.44%。調(diào)查結(jié)果表明,97.37%的學(xué)生對本次課程改革持支持態(tài)度,認(rèn)為本次課程改革迎合了新工科背景下國家對于應(yīng)用型本科專業(yè)的培養(yǎng)要求,學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣以及能力素質(zhì)都有很大提高。

表2 材料化學(xué)課程設(shè)計教學(xué)效果調(diào)查表

5 應(yīng)用實例

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)環(huán)境污染現(xiàn)狀和雙碳目標(biāo),將教師國家基金課題轉(zhuǎn)化為材料化學(xué)課程設(shè)計,并對其量化為可評價指標(biāo)。以筆者講授的“窄帶隙納米粒子敏化TiO2納米管陣列的合成及其光電應(yīng)用”課程設(shè)計為例,闡述材料科學(xué)課程設(shè)計的具體流程。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計包含如下方面:

(1)背景信息介紹。傳統(tǒng)能源的儲量、工業(yè)化對傳統(tǒng)能源的消耗及工業(yè)三廢的排放,了解中國能源利用形式及新能源的發(fā)展趨勢;

(2)課程設(shè)計內(nèi)容闡述。介紹太陽能的優(yōu)點及利用途徑,重點闡述光伏電池、光電分解水制氫、光催化治理三廢的原理及技術(shù);

(3)TiO2納米管的制備及改性。介紹納米粒子制備方法及優(yōu)缺點,重點論述TiO2納米管作為一維材料在光電子遷移中的動力學(xué)過程。同時論述半導(dǎo)體能帶理論,闡明II型、Z型及S型能帶結(jié)構(gòu)的形成機理及電子遷移路徑;

(4)構(gòu)效關(guān)系研究。論述成分、結(jié)構(gòu)、性能三者之間的構(gòu)效關(guān)系,重點介紹界面化學(xué)反應(yīng)及光電催化、光電轉(zhuǎn)換性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

通過網(wǎng)絡(luò)平臺布置課前作業(yè),明確課程設(shè)計的目標(biāo)、任務(wù)和流程,具體內(nèi)容如圖2所示。學(xué)生通過課前資料查詢、小組討論和師生交流確定課程設(shè)計方案,在線提交課程設(shè)計預(yù)習(xí)作業(yè),教師據(jù)此了解學(xué)生對本項目的熟悉程度,并根據(jù)學(xué)生差異給出有針對性的精準(zhǔn)輔導(dǎo)。

圖2 課程設(shè)計預(yù)習(xí)任務(wù)

在雙碳背景下對本課程設(shè)計進行講授,串聯(lián)起先學(xué)課程在材料合成方面、電子結(jié)構(gòu)和載流子轉(zhuǎn)移等方面的專業(yè)基礎(chǔ)知識。通過課程設(shè)計實現(xiàn)學(xué)生對材料專業(yè)知識的融會貫通,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和批判思維,使學(xué)生腦中碎片化的知識點在學(xué)生的項目探討、小組討論、點評過程中系統(tǒng)化,所有這些均作為過程考核并打分計入平時成績。在課程設(shè)計實施階段對學(xué)生的課程設(shè)計思路進行把關(guān),有針對性地對具體問題進行理論分析和深入引導(dǎo)。針對半導(dǎo)體敏化的改性路線選擇問題,對學(xué)生的問題逐一解答,回顧《材料合成與制備》課程中半導(dǎo)體納米材料的概念、性能及制備方法,闡述溶劑熱法、連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法、光還原法、電化學(xué)沉積等方案的具體優(yōu)缺點;闡述光電催化性能的影響因素與異質(zhì)結(jié)界面光生載流子傳輸?shù)年P(guān)系;分析各種制備方法在粒子尺寸調(diào)控、晶面取向以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑方面的實驗策略和原理,具體的課程設(shè)計路線和方案如圖3所示。

圖3 課程設(shè)計實施路線及目標(biāo)

學(xué)生課程設(shè)計的考核采用學(xué)術(shù)論文、專利、雙創(chuàng)比賽以及課程設(shè)計報告等方式來呈現(xiàn),通過將課程設(shè)計融入大學(xué)生雙創(chuàng)活動中,調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與項目熱情。參與課程改革的5位學(xué)生獲大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目資助,成果系統(tǒng)整理后以第一作者發(fā)表4篇高水平SCI論文,獲雙創(chuàng)比賽等省級榮譽3項。

6 結(jié)語

材料化學(xué)課程設(shè)計任教老師在OBE理念的指導(dǎo)下,以學(xué)生自主創(chuàng)新意識和解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為目標(biāo),采用項目驅(qū)動式方法對教材、教法和考核評價指標(biāo)進行了全方位的反向改革設(shè)計。經(jīng)過一輪探索實踐,學(xué)生對材料化學(xué)課程設(shè)計這門實踐課程的學(xué)習(xí)熱情以及工程實踐能力都有了明顯的提升,課程指標(biāo)全部達標(biāo),為其今后的深造和就業(yè)打下了堅實基礎(chǔ)。