涉及多學(xué)科交叉的本科生研討課教學(xué)改革探索

李和平 李 靜 賈埡楠

(1 清華大學(xué)工程物理系，北京 100084；2華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

1 導(dǎo)出問題

2018年3月—9月，清華大學(xué)開展了為期6個(gè)月的第25次教育工作討論會(huì)。這次討論會(huì)的重要成果之一就是將價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授“三位一體”的人才培養(yǎng)模式上升為學(xué)校的教育理念。其深刻的內(nèi)涵包括了如下3個(gè)方面：(1)價(jià)值塑造是學(xué)校教育的第一要?jiǎng)?wù)，是育人的根本；其出發(fā)點(diǎn)是立德，而落腳點(diǎn)則是樹人。(2)相比于知識(shí)傳授，能力培養(yǎng)更為重要，包括批判性思維能力、提出和解決問題能力、書面與口頭表達(dá)與溝通能力及將知識(shí)付諸實(shí)踐的能力。(3)面向?qū)W生合理知識(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，“以通識(shí)教育為基礎(chǔ)，通識(shí)教育與專業(yè)教育相融合”成為清華本科教育模式新的發(fā)展方向[1]。另一方面，自2016年以來提出的“新工科”工程教育理念也同樣闡釋了以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的內(nèi)涵[2,3]。這意味著我們?cè)趯?shí)際的教學(xué)過程中深入貫徹落實(shí)“三位一體”的教育理念，需要從根本上進(jìn)行課程的教學(xué)改革，不僅需要在教學(xué)觀念上把科學(xué)、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)肩負(fù)起造福人類、塑造未來的時(shí)代使命，而且需要通過繼承與創(chuàng)新、交叉與融合以及協(xié)調(diào)與共享的創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式，使得我們所培養(yǎng)的學(xué)生具有家國(guó)情懷、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、批判性思維、全球視野等核心素養(yǎng)，并通過教學(xué)實(shí)踐全面提升學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力，以及在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中良好的溝通與表達(dá)能力等個(gè)人綜合能力[1-3]。

近年來，我們?cè)谇迦A大學(xué)本科高年級(jí)學(xué)生中開設(shè)了“等離子體技術(shù)及應(yīng)用”研討課，從學(xué)校“三位一體”教育理念的內(nèi)涵和要求出發(fā)，探索涉及多學(xué)科交叉融合的研討課教學(xué)模式。這也符合2017年《地平線報(bào)告(高等教育版)》所預(yù)測(cè)的未來5年高等教育對(duì)探究式、討論式、參與式教學(xué)和混合式學(xué)習(xí)等教與學(xué)方式的逐步推廣與普及的要求[4]。

2 研討課教改的必要性

目前，等離子體科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展和相應(yīng)課程教學(xué)的現(xiàn)狀表現(xiàn)在如下幾方面。

1) 進(jìn)入21世紀(jì)以來，等離子體科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究日益呈現(xiàn)出多學(xué)科深度融合的特色，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了能源科學(xué)(如磁約束和慣性約束核聚變、輔助燃燒、核燃料制備等)、材料科學(xué)與工程(如微納米材料合成、表面涂層技術(shù)、材料表面改性等)、臨床醫(yī)學(xué)(如腫瘤治療、再生醫(yī)學(xué)、手術(shù)室/ICU病房等空間的空氣凈化、精密醫(yī)療器械的消毒滅菌等)、生物化工(如生物誘變育種、化工原料的制備等)、環(huán)境治理(包括醫(yī)療垃圾等高危有害固體廢棄物處理、核燃料循環(huán)中的中低放射性廢物處置、污水處理、空氣凈化等)、微電子工業(yè)(如超大規(guī)模集成電路的刻蝕、清洗、微納電子器件及顯示技術(shù)等)、航空航天(如臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣層所面臨的“黑障”問題、等離子體推進(jìn)與主動(dòng)流動(dòng)控制等)以及國(guó)防/公共安全與健康(如飛行器隱身、快速戰(zhàn)地生化洗消、疫源地病媒生物控制、特殊環(huán)境下的空氣/水體/高危固體廢物的無害化快速處置等)等諸多領(lǐng)域[5-9]。正是由于上述大氣放電等離子體技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)外高校的諸多院系均在陸續(xù)開設(shè)與等離子體相關(guān)的課程。但這些課程的一個(gè)共同特點(diǎn)是專業(yè)性相對(duì)比較強(qiáng)，從學(xué)科交叉融合的角度開設(shè)有關(guān)等離子體科學(xué)與技術(shù)研究前沿的研討性課程還很少。

2) 對(duì)于研討性質(zhì)的課程，由于其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域通常比較廣泛，不僅包括了機(jī)械、電子、自動(dòng)化、航空航天等工科院系，而且包括物理、化學(xué)、生物等理科院系，甚至還有經(jīng)管、公管、新聞等人文院系。因此，如何在同一教學(xué)平臺(tái)上開展跨學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)將是一件具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的教學(xué)工作。這種挑戰(zhàn)性主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：一是教學(xué)工作的挑戰(zhàn)性，即在教學(xué)工作中需要提煉出培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生共性化科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)容，二是學(xué)生學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性，即面向跨學(xué)科的研討性課題，借助于先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成分布式學(xué)習(xí)環(huán)境[10]，通過不同學(xué)科背景的學(xué)生間的互動(dòng)和師生互動(dòng)，將個(gè)體學(xué)習(xí)和集體學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合、將課堂研討和課外學(xué)習(xí)有機(jī)融合，在學(xué)習(xí)和討論中培養(yǎng)學(xué)生的批判性和創(chuàng)造性思維，形成挑戰(zhàn)性的互動(dòng)學(xué)習(xí)氛圍。

3) 對(duì)于開展挑戰(zhàn)性互動(dòng)學(xué)習(xí)的研討性課程，學(xué)生學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)成績(jī)的評(píng)價(jià)也變得相對(duì)于以考試為評(píng)價(jià)形式的課程更加復(fù)雜和困難。學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)將對(duì)引導(dǎo)學(xué)生更好地開展挑戰(zhàn)性互動(dòng)學(xué)習(xí)在一定程度上具有重要的影響。因此，如何建立基于數(shù)字化平臺(tái)的相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于集體互動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)生自主評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合性學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)形成“三位一體”教育理念下的研討課教學(xué)評(píng)價(jià)方法同樣十分重要。

在本文研究中，我們以等離子體在某一/某些領(lǐng)域(如能源、環(huán)境、材料、生物、醫(yī)學(xué)、公共健康與國(guó)防安全等)的前沿應(yīng)用為背景，基于數(shù)字化開放平臺(tái)，營(yíng)造師生、學(xué)生間高度互動(dòng)的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)氛圍，在訓(xùn)練學(xué)生共性化科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生逐步建立批判性和創(chuàng)造性思維；通過基于數(shù)字化平臺(tái)的相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于集體互動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)生自主評(píng)價(jià)指標(biāo)，在課程結(jié)束時(shí)完成對(duì)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，初步形成“三位一體”教育理念下對(duì)學(xué)生挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)的基本要求，進(jìn)而提煉出面向涉及多學(xué)科交叉融合的研討性課程教學(xué)活動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)框架和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等共性內(nèi)容。這將對(duì)推動(dòng)“三位一體”教育理念下本科生研討課，特別是涉及具有多學(xué)科交叉融合性質(zhì)的研討課教學(xué)工作的具體實(shí)施具有一定的借鑒意義。

3 教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與組織

圖1給出了等離子體技術(shù)及應(yīng)用研討課教學(xué)活動(dòng)的組織示意圖。具體來講，我們把整個(gè)教學(xué)活動(dòng)從整體上分為輸入、過程和輸出3個(gè)部分；通過這3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生共性化科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，個(gè)體學(xué)習(xí)和集體學(xué)習(xí)、課堂研討和課外學(xué)習(xí)的有機(jī)融合，以及在此過程中學(xué)生批判性和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)等，從總體上形成一種挑戰(zhàn)性的互動(dòng)學(xué)習(xí)氛圍。每一教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容、形式、評(píng)價(jià)指標(biāo)和期望取得的教學(xué)效果如表1所示。

圖1 教學(xué)活動(dòng)組織示意圖(圖中的雙向箭頭“?”表示多次反復(fù)的互動(dòng)過程)

根據(jù)表1的教學(xué)活動(dòng)安排，我們制定的課程教學(xué)計(jì)劃主要包括3大部分：(1)教師主導(dǎo)的課程前沿概論；(2)學(xué)生主導(dǎo)、教師引導(dǎo)的學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研和分析總結(jié)；(3)學(xué)生數(shù)字出版物集體展示交流、學(xué)生互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)。其中，課程前沿概論的主要教學(xué)目的是針對(duì)來自不同學(xué)科背景的學(xué)生進(jìn)行等離子體基礎(chǔ)知識(shí)以及學(xué)科發(fā)展前沿的普及教學(xué)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)科背景、國(guó)家和社會(huì)發(fā)展重大需求等激發(fā)他們探索等離子體前沿科技的好奇心和積極性，指導(dǎo)他們進(jìn)行調(diào)研課題的選題，確定最后要形成的數(shù)字出版物的整體邏輯模型，為后續(xù)的課程教學(xué)拋磚引玉。這一階段的教學(xué)主體是教師，采取啟發(fā)式的教學(xué)方式，帶領(lǐng)學(xué)生在比較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到他們所選擇的調(diào)研領(lǐng)域。學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研和分析總結(jié)是該課程教學(xué)的主體階段，主要包括文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞的確定、文獻(xiàn)檢索與篩選、文獻(xiàn)分類整理與分析，其目的在于訓(xùn)練學(xué)生從事科學(xué)研究的基本素養(yǎng)和批判性與創(chuàng)造性思維。其中，基本科學(xué)素養(yǎng)包括面對(duì)海量文獻(xiàn)如何科學(xué)地、比較準(zhǔn)確地確定文獻(xiàn)檢索的關(guān)鍵詞，如何對(duì)基于關(guān)鍵詞檢索得到的大量文獻(xiàn)進(jìn)行二次篩選，如何對(duì)二次篩選后的文獻(xiàn)進(jìn)行分類整理、如何根據(jù)已經(jīng)初步確定的文獻(xiàn)調(diào)研邏輯模型對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分析和論述，以及如何從這些文獻(xiàn)出發(fā)進(jìn)行滾動(dòng)檢索以獲取新的重要文獻(xiàn)等；而批判性與創(chuàng)造性思維則是指在文獻(xiàn)分類整理和分析過程中，在科學(xué)總結(jié)該領(lǐng)域已經(jīng)取得的科學(xué)成就的基礎(chǔ)上，如何根據(jù)自己已有的知識(shí)積累，對(duì)這一領(lǐng)域在某一或某些方面需要進(jìn)一步開展的科學(xué)研究工作以及未來發(fā)展可能的新應(yīng)用提出自己的觀點(diǎn)。這部分教學(xué)活動(dòng)的主體將由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生，他們的學(xué)習(xí)活動(dòng)包括課堂上的分組討論集體學(xué)習(xí)、采用MS Power Point形式的口頭報(bào)告集體交流討論、課下文獻(xiàn)檢索和分析的個(gè)體學(xué)習(xí)以及基于GitHub平臺(tái)的交流討論；而教師的角色則主要是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的引導(dǎo)式點(diǎn)評(píng)以及對(duì)學(xué)生所提出問題的解答等。該課程的最后一部分則是進(jìn)行每個(gè)小組數(shù)字出版物的集體展示交流以及學(xué)生互評(píng)，在師生和學(xué)生間的互動(dòng)交流中進(jìn)一步總結(jié)各自在整個(gè)課程教學(xué)活動(dòng)中的收獲和存在的問題，在集體學(xué)習(xí)和交流中結(jié)束課程學(xué)習(xí)。

表1 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與預(yù)期效果

4 課程教學(xué)實(shí)踐與成果產(chǎn)出

根據(jù)本文第3節(jié)的教學(xué)活動(dòng)組織方案，我們開展了本科生“等離子體技術(shù)及應(yīng)用”研討課的教學(xué)改革實(shí)踐探索。選修該課程的同學(xué)們分成2個(gè)小組，分別圍繞等離子體臨床醫(yī)學(xué)和節(jié)能環(huán)保進(jìn)行了課題調(diào)研。經(jīng)過小組討論以及與老師的交流，兩個(gè)小組均確定了相應(yīng)主題的文獻(xiàn)綜述邏輯模型、文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞和文獻(xiàn)篩選原則，所有小組成員均參與課堂MS Power Point的總結(jié)匯報(bào)交流，在認(rèn)真整理分析已有文獻(xiàn)報(bào)道研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的學(xué)科背景大膽提出了未來等離子體科技新的應(yīng)用，并形成了最終的數(shù)字出版物(典型案例如圖2所示)。

圖2 等離子體生物醫(yī)學(xué)小組部分成果展示

本次教改探索的另一個(gè)重要的方面是對(duì)于這種挑戰(zhàn)性的互動(dòng)學(xué)習(xí)課程，如何建立科學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，形成學(xué)生學(xué)習(xí)過程的全程記錄和分析。為此，我們采用石墨文檔和GitHub兩個(gè)數(shù)字化平臺(tái)分別進(jìn)行課堂教學(xué)活動(dòng)和課外學(xué)習(xí)活動(dòng)的交流、記錄，并結(jié)合課堂MS Power Point展示、數(shù)字出版物學(xué)生互評(píng)和老師評(píng)價(jià)，從文獻(xiàn)檢索與分析能力、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、圖文表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作精神以及創(chuàng)造性與批判性思維5個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)每一位學(xué)生學(xué)習(xí)效果的個(gè)性化評(píng)價(jià)和所有學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果的綜合評(píng)價(jià)(如圖3給出了其中一位同學(xué)的課程學(xué)習(xí)效果雷達(dá)圖)，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化課程教學(xué)提供了科學(xué)依據(jù)。

圖3 學(xué)生A學(xué)習(xí)效果分析雷達(dá)圖

5 總結(jié)與展望

本文依托“等離子體技術(shù)及應(yīng)用”本科生研討課，開展了基于清華大學(xué)“三位一體”教育理念的、涉及多學(xué)科交叉融合的研討性課程教學(xué)改革的探索，包括教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與組織實(shí)施。課程實(shí)踐教學(xué)的結(jié)果表明，一方面，我們通過課堂討論、課后小組調(diào)研以及課堂集中展示等環(huán)節(jié)，營(yíng)造了師生、學(xué)生間高度互動(dòng)的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)氛圍，在訓(xùn)練學(xué)生共性化科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí)，基于來自不同學(xué)科學(xué)生的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研，了解等離子體在某一交叉學(xué)科領(lǐng)域的前沿應(yīng)用，并逐步建立起批判性和創(chuàng)造性的思維；另一方面，通過基于數(shù)字化平臺(tái)的相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于集體互動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)生自主評(píng)價(jià)指標(biāo)，在課程結(jié)束時(shí)完成了對(duì)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，初步建立起了面向挑戰(zhàn)性互動(dòng)學(xué)習(xí)課程的學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，形成了學(xué)生學(xué)習(xí)過程的全程記錄和分析。同學(xué)們?cè)诙虝r(shí)間、高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)過程中，不僅豐富了對(duì)等離子體多學(xué)科交叉前沿科技的認(rèn)識(shí)，而且極大地提升了個(gè)人基本的科學(xué)素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，以及對(duì)各自專業(yè)的認(rèn)同感和對(duì)社會(huì)的責(zé)任感。

基于此，我們針對(duì)研討課教學(xué)的特點(diǎn)，提煉出了面向研討性課程教學(xué)活動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)框架和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等共性內(nèi)容，如圖4所示。一方面，我們期望本次教改的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槠渌杏懶哉n程教學(xué)工作的開展提供一定的參考；而另一方面，我們也將在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行此類課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，比如增加更多的學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，把學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合起來，以更好地貫徹落實(shí)學(xué)校“三位一體”教育理念的豐富內(nèi)涵與具體需求。

圖4 面向研討性課程的教學(xué)活動(dòng)組織邏輯圖