馬 艷 黃宏佑 冉瑞龍
(西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院,重慶 400715)
我國的工科教育經歷了特定的發(fā)展歷程及數(shù)次變革。在“中國教育現(xiàn)代2030”“中國制造2025”“工業(yè)制造4.0”等一系列國家戰(zhàn)略的引領下,需要進行面向未來的新工科專業(yè)布局。教育部于2017年提出了“新工科”的教育理念并形成了新工科建設的“三部曲”[1]。面向科學技術前沿、面向國家重大需求、面向新經濟環(huán)境的“新工科”建設是培養(yǎng)跨學科交叉復合型人才的重要戰(zhàn)略舉措。2020年5月,教育部決定在部分高校培育建設一批未來技術學院,這更是推進新工科建設再拓展、再突破的重要舉措?!靶鹿た啤苯逃砟畹奶岢?,對于高校教師而言,要從主動服務國家戰(zhàn)略需求和產業(yè)發(fā)展需求的高度出發(fā),主動思考在新經濟、新形勢、新需求下,如何對工科學科建設進行內容升級和優(yōu)化再造,以及對于未來工科學生的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)內容進行思考與探索。
在新工科背景下,人才培養(yǎng)更需凸顯創(chuàng)新性、交叉性、引領性、發(fā)展性等特征。學科交叉融合正是新工科創(chuàng)新和融合的具體體現(xiàn),即是在承認學科差異的基礎上結合專業(yè)特色,拓展內涵和外延,促進學科間相互滲透交叉。西南大學的紡織專業(yè)已在培養(yǎng)教研復合型人才與國際合作方面對學科交叉融合進行了有益嘗試[2]。中國科學院原院長路甬祥曾指出,交叉學科的發(fā)展是科學突破的重要路徑,能使科學發(fā)展發(fā)生革命性變化[3]。在新經濟業(yè)態(tài)下,產業(yè)交叉融合日益廣泛,不斷涌現(xiàn)的新產業(yè),需要具有交叉知識背景的復合型工程技術人才。
實驗教學體系在基于交叉學科的人才培養(yǎng)體系中具有舉足輕重的作用,是有效地幫助學生將理論知識轉化為動手能力的重要環(huán)節(jié)。新工科背景下交叉學科實驗教學體系的建設,強調學生具備創(chuàng)新思維、實踐能力以及發(fā)現(xiàn)和解決問題能力的綜合素質。從某種程度上來說,這不僅僅是教學改革,更不是單一學科門類之下的實驗平臺或實驗設備的比拼,而是全周期、多方位培養(yǎng)體系的嘗試,是新工科背景下對于交叉學科人才培養(yǎng)新理念的實踐。我們以此為契機,在新工科和學科交叉的背景下強化實驗教學與科學前沿知識相結合、實驗教學與科學研究相結合、實驗教學內容與交叉學科專業(yè)知識相結合,做好未來人才的前瞻性和戰(zhàn)略性培養(yǎng)。
“中國制造2025”明確提出“以人才為本”,新工科背景下要求高校培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力和解決實際問題能力,能很好適應新經濟發(fā)展需求的高水平人才,推進建成創(chuàng)新型國家[4]。對于培養(yǎng)新工科人才的大學來說,新工科的建設是綜合學科、跨界培養(yǎng)、管理能力等方面綜合實力的彰顯。通過建立交叉學科教學團隊,設置交叉學科專題式課程,打造交叉學科教學科研平臺,推進跨相關專業(yè)的合作與學習,都是新工科背景下交叉學科復合型人才培養(yǎng)的有效抓手[5]。
在新工科課程的教學過程中,優(yōu)化實驗教學內容、建立完善的實驗教學體系、打造一流的實驗教學平臺尤為重要。同時,以教師的前沿科研內容引導學生“雙創(chuàng)”項目立項,這種教研結合的人才培養(yǎng)方式與交叉學科人才培養(yǎng)特點和要求高度契合[6]。
國際紡織產業(yè)的格局已發(fā)生變化,中國作為紡織品出口大國,紡織行業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn),隨著國際市場低迷,我國的紡織品出口利潤開始呈現(xiàn)較為緩慢的增長趨勢[7]。就教育而言,知識的產生更多源于我們身處的環(huán)境和遇到的實際問題,這也賦予了知識的跨學科屬性[8]。隨著新技術、新學科的發(fā)展,海量的知識和技術滲透融合到了紡織行業(yè),紡織專業(yè)已經成為學科交叉融合的典范。基于新工科背景下紡織專業(yè)學生的培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、交叉性、引領性、發(fā)展性等多個特點,應鼓勵寬口徑的基礎教育,這種寬口徑不僅僅是指基礎課程的數(shù)量增加,而是更強調相關交叉學科知識內容的有機融合,培養(yǎng)全新紡織人才,提升工科學生對行業(yè)貢獻的附加值。
西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院成立于2020年7月,是由原生物技術學院和原紡織服裝學院合并而成的交叉學科高水平特色學院,融合了農、理、工、藝等多學科,能夠在新時代更好地適應國家“雙一流”建設,彰顯“西大版本”的“未來技術學院”特色。西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院的紡織工程專業(yè)是重慶市特色專業(yè),重慶市級一流建設專業(yè),也是西南地區(qū)唯一的紡織工程專業(yè),在西南片區(qū)具有絕對影響力。學院擁有紡織科學與工程碩士學位授權點,并設有“纖維材料與工程”交叉學科博士點。“纖維材料與工程”學科,是以材料科學與工程、紡織科學與工程、農業(yè)生物工程、化學化工、環(huán)境工程等學科為依托形成的多學科交叉融合新興學科。新學院的成立,為新工科背景下紡織工程專業(yè)交叉型人才的培養(yǎng)奠定了良好基礎。
紡織工程專業(yè)的核心實驗課程和教學重點主要包括《紡織材料學實驗》《紡織生物技術實驗》和《生物質纖維材料實驗》等。相關學科與紡織工程所形成的交叉學科已成為紡織領域發(fā)展的新動力,紡織工程專業(yè)實驗課程內容豐富,可以認為是建立在生物學、生物技術、材料學、化學等學科基礎上的交叉學科實驗課程體系。通過專業(yè)實驗課程教學體系的教學特點是: 既有系統(tǒng)的理論性,又有較強的實踐性;學科交叉融合知識點較分散;使用的專用儀器設備較多, 技術要求高, 實踐性強。
西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院在積極探索適應當前科學技術發(fā)展的學科專業(yè)體系建設方面做出了很多新的嘗試,如:打破學科壁壘組建協(xié)同式創(chuàng)新團隊,實施導師團隊專題式教學等;強調運用交叉學科知識來理解發(fā)現(xiàn)科學問題,解決科學問題,在專題教學內容上實現(xiàn)了橫向融合和縱向升華;在師資隊伍建設方面,有意識引進具有交叉學科學歷背景的老師充實現(xiàn)有師資隊伍,注重培育跨學科、跨領域的創(chuàng)新科研團隊;鼓勵學生參加更多的學科交叉活動,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神,提高其實踐能力,為學生融入社會或進行更高層次學術深造打下良好的基礎;加強蠶桑紡織與生物質科學學院紡織服裝虛擬仿真實驗室的使用和維護,擴充相關虛擬實驗;通過各類國際合作項目積極推進新工科復合型人才培養(yǎng)的國際化進程。另外,在教研結合方面實施基于科研項目的創(chuàng)新學習,讓學生在解決實際科研問題的過程中,把各學科交叉知識進行有機融合,形成整合一體的知識體系,并通過理論聯(lián)系實踐,提升知識運用的能力,完成學習的全過程。
西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院的成立促進了跨專業(yè)教師的交流和合作,也為跨學科人才培養(yǎng)提供了更多的機會和更大的平臺。在新的經濟發(fā)展形勢下,在新工科教育理念的背景下,實驗教學環(huán)節(jié)需要我們樹立更強的交叉學科教育理念,具有更多跨學科思維,在教學過程中更加注重課程體系建設系統(tǒng)化、知識復合化,讓學生的知識結構保持開放狀態(tài),能夠融會貫通接收來自各個相關學科的知識。
西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院現(xiàn)有授予理學學位的生物技術專業(yè)和授予工學學位的紡織工程專業(yè)。近年來,學院堅持“藝工結合”“理工結合”的人才培養(yǎng)理念和“‘科學前沿’‘民生需求’‘產業(yè)發(fā)展’三重驅動”的發(fā)展理念,以社會新經濟的需求為導向,進行了新工科復合型人才培養(yǎng)的探索和實踐。為了促進學科交叉融合,新開設了《紡織生物技術》《紡織材料學》《生物質纖維材料》等系列課程,同時,學院部分教師的科研方向也開始聚焦生物材料等具有典型交叉學科背景的前沿研究領域。而在實驗教學環(huán)節(jié),基于學科交叉融合的實驗教學對施教者提出了更高的要求,為此,學院通過加強實驗技術崗教師技能培訓、完善實驗平臺、優(yōu)化實驗室管理等措施,從實驗教學體系、實驗教學方法、實驗教學隊伍、實驗教學管理等4個方面進行系統(tǒng)探索和實踐,初步推出了基于新工科背景的紡織專業(yè)交叉學科實驗教學體系建設路徑(圖1)。
圖1 基于新工科的紡織專業(yè)交叉學科實驗教學體系建設路徑
紡織工程專業(yè)實驗課程內容豐富,涵蓋面廣,是建立在生物技術、材料科學、化學等學科基礎上的實驗課程體系,各學科飛速發(fā)展,實驗教學體系也需要創(chuàng)新和發(fā)展。再就是紡織工程專業(yè)實驗課程的教學內容、授課方式都離不開交叉學科的支撐,因此,本科實驗課程內容設置和授課方式的優(yōu)化都需要基于新工科和學科交叉的雙重背景,在教學內容和教學方式兩方面進行創(chuàng)新。內容和方法彼此促進,是紡織工程專業(yè)實驗課程教學改革的重點。在內容設置上既要考慮相關的專業(yè)基礎知識,又要體現(xiàn)多學科知識的交叉融合。
以《紡織材料學實驗》《紡織生物技術實驗》為例,兩門實驗課程學時數(shù)有限,知識點多且分散,如何在有限的課時內讓學生能夠最大程度掌握相關學科知識,是對教學的一大挑戰(zhàn)。本研究對實驗課程內容重新篩選、設計和整合,劃分模塊,并結合紡織材料最新研究進展,將科學發(fā)現(xiàn)、產業(yè)發(fā)展、技術發(fā)明等相關學科知識合理融入到每個模塊中,在實驗課程設置上做到“點”“面”結合,即在傳統(tǒng)教材中選取經典知識點, 在相關學科的前沿進展中補充交叉的內容,拓寬學生知識面,最終建立模塊化課程體系,由此力爭讓該實驗教學課程體系充分發(fā)揮學生的個性,提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。
以《紡織材料學實驗》為例,在實驗教學中以能力培養(yǎng)為主線,分3類模塊整理出共12個模塊的教學內容(圖2)。實施這樣的實驗教學方案,可以讓學生全面地了解紡織材料、生物質纖維材料的分類和組成,辨別各種材料的宏觀形貌、微觀形態(tài),掌握纖維及其制品的結構與理化性能的測定方法,熟悉各類材料常規(guī)測試儀器的構造、測試原理及相關測試條件,還可使學生了解應用紡織酶制劑的生物制造技術、紡織品生物前處理、紡織品生物后處理、紡織材料生物處理過程的優(yōu)化與控制、紡織工業(yè)廢水生物處理以及紡織材料的生物降解、著色、改性等工藝技術。
圖2 《紡織材料學實驗》的模塊化實驗課程體系
該體系分為鑒別類實驗,測試類實驗和綜合性實驗3個板塊。
一是鑒別類實驗。紡織材料的源頭革新在于原材料的創(chuàng)新,首先要不局限于實驗教材,根據目前國際上最新的紡織材料分類,讓學生全面了解目前紡織材料的分類和特點。這一板塊的教學借助微課等演示性實驗,采用演示和體驗式教學,讓同學們更多是全方位多角度紡織材料的特點。
二是測試類實驗。在學生認識和能夠鑒別常見紡織類材料的基礎上,可以圍繞織物、纖維、紗線等材料的力學性能、透水性、懸垂性、細度等重要特性設計各種測試性實驗。實驗方法可以分組討論并允許大膽嘗試使用新方法,實驗結束后各小組間進行實驗結果的比較和討論。
三是綜合性實驗。按照學科交叉、由易到難、注重創(chuàng)新的原則設置該部分內容。這部分內容不占用課堂教學時間, 主要針對想提前進入實驗室準備考研的同學和申請了各類創(chuàng)新性項目的同學。這部分學生可以通過進入開放實驗室的方式完成自主設計實驗內容,鼓勵用創(chuàng)新實驗方法完成項目內容,通過實驗過程系統(tǒng)復習和鞏固課堂上學習的理論知識,鍛煉動手能力,培養(yǎng)良好的科研素養(yǎng)。
就《紡織生物技術》實驗而言,課時數(shù)相對較少,課堂實驗只有3個學時。我們根據交叉學科的知識點整理了6個模塊內容,部分可供學生自學。6個模塊的內容涵蓋生物技術在紡織領域的應用、紡織用酶的應用、淀粉酶退漿實驗、棉織物的生物拋光實驗、真絲織物的生物酶后整理,以及羊毛纖維的生物酶后整理。
3.3.1 立體豐富的實驗教材
適當?shù)慕虒W方式可以將教學內容有效地轉化為學生可以掌握的知識和技能。在優(yōu)化教學內容的基礎上,我們還大膽嘗試與之相應的新的教學方式。之前的實驗教學主要依托校外現(xiàn)有發(fā)行教材進行教學,有些實驗內容不太適應蠶桑紡織與生物質科學學院的實驗室條件以及擬定的學時數(shù)。本研究針對《紡織材料學》和《紡織生物技術》兩門課程設計制作共18個微課并融入TED視頻等多媒體形式,建立了集經典教材、PPT、微課、優(yōu)質網絡內容為一體的豐富的實驗教材。立體化實驗教材將緊貼模塊的相關內容,環(huán)環(huán)相扣,循序漸進,充分激發(fā)學生的學習熱情,助力師生樂教樂學。
3.3.2 虛實結合的實驗形式
在“互聯(lián)網+”的大背景下,微課、翻轉課堂以及基于云端、二維碼等創(chuàng)新型多媒體教學手段也開始作為實驗教學的有益補充。除了模塊化教學中的真實性實驗,我們還引入了由紡織工程實驗教學團隊前期設計研發(fā)的FCF-9無紡布與紡絲/BCF絲綜合機虛擬實驗,讓學生在安全性最好、成本最低的實驗條件下快速了解從原料到成品的生產過程,并可滿足學生課前預習和課后反復練習。
另外,充分利用前期針對實驗室儀器設計的QR二維碼,學生在上實驗課的過程中通過手機掃碼,及時了解儀器的使用說明,內容包括“儀器功能介紹”“儀器基本數(shù)據”“儀器操作指南”3個部分。由此便于學生更好地了解儀器的使用規(guī)則,避免因操作不當引起儀器的損壞或者影響自身安全。
3.3.3 難易遞進的教學層次
目前參與到老師科研課題組的本科生越來越多,傳統(tǒng)的基礎實驗教學已經無法滿足各個層次學生的學習需求。針對不同的學習需求,我們嘗試了由易到難,層層遞進的實驗教學體系,形成從基礎知識到科學前沿、從基本操作到自主設計,層次逐漸提升的實驗教學體系,期望最終形成以科研帶教學,以教學促科研的良性循環(huán)。與此同時,我們還建立了多層次的實驗考核方法,全面考查學生的實驗能力,即從實驗技能考核、實驗理論考核、實驗報告考核、創(chuàng)新能力考核等4個層次,對學生的能力進行考核。
實驗技術隊伍的建設是保障實驗教學、實驗平臺管理等各環(huán)節(jié)良好運行的核心要素。面向新工科建設的要求,實驗技術教師需要能夠承擔實驗教學任務的同時,具備一定的科研能力,能夠了解最前沿的科研進展和最新的技術發(fā)明,能夠把科研創(chuàng)新的思維和能力融入實驗教學當中,具備適應新工科背景下交叉學科實驗教學體系所需的教學能力,在教學策略和教學方法上具有創(chuàng)新意識[9]。
基于上述要求,蠶桑紡織與生物質科學學院在人才引進和人才隊伍建設方面十分注重交叉學科師資隊伍的融合。紡織工程專業(yè)的教師團隊由不同專業(yè)背景并具有不同教學經驗的教師組成,圍繞現(xiàn)代紡織行業(yè)中涉及的交叉學科方向,涵蓋材料學、生物學、化學、物理學、電子制造等多個學科領域。在實驗教學的實踐中,同樣重視依托交叉學科的特點和優(yōu)勢,通過定期研討、外出調研、培訓等方式拓展教師的知識技能,鼓勵教師申請相關實驗技術研究項目,最終打造出一支以高級實驗師、實驗師、助理實驗師組成的梯隊,作為高效協(xié)作、特點互補、資源共享的實驗教學團隊。同時鼓勵學生們主動參與“學業(yè)導師”的各項科研項目,通過融入課題組,掌握更多的實驗技能和形成良好的科研素養(yǎng)。另外,還通過“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”以研促教,讓學生在訓練計劃中盡可能熟悉和掌握更多的實驗技能。
為了更好地發(fā)揮本科教學實驗室和專業(yè)科研實驗室在學科交叉復合型人才培養(yǎng)中的重要作用,蠶桑紡織與生物質科學學院在進行實驗室硬件建設的同時,繼續(xù)強調打通實驗室開放瓶頸,鼓勵實驗儀器設備和相關資源的開放共享。
科研實驗室是學生重要的學習和實踐場所之一,對于主持“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”的項目負責學生,鼓勵其進入指導老師的課題組,充分利用指導老師所在科研實驗室的各項資源開展相關實驗。通過這種教研相互融合方式,構建“以研促教、教研融合”的實驗教學平臺。
虛擬實驗室和虛擬實驗已成為現(xiàn)代高效實驗教學的重要手段[10-11],是學科交叉融合的新技術和新產物。目前西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院正在建設涵蓋完整紡織服裝產業(yè)鏈的虛擬實驗教學平臺,并繼續(xù)提高虛擬實驗室的建設速度和開放使用效率,在實驗教學的過程中,做到“虛實結合”,讓學生利用最新的現(xiàn)代化技術手段,感受實驗教學的生動和魅力。
實驗平臺的高效運行離不開制度的保障,在實驗平臺運行維持制度方面,學院通過申請建立院級多學科交叉儀器設備共享平臺等途徑,努力探索新工科背景下交叉學科實驗平臺的高效運行維持機制,支撐實驗平臺的良好運行。