新工科人才培養(yǎng)專題研究型教學(xué)模式研究

潘玉寨 郭冠軍 楊立見(jiàn)

[摘 要]光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的新工科專業(yè)，課程改革在專業(yè)建設(shè)過(guò)程中越來(lái)越深入，合理的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式，讓學(xué)生掌握基本原理和技術(shù)并實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用是課程教學(xué)急待解決的主要問(wèn)題。開(kāi)展專題研究型教學(xué)研究，構(gòu)建一體化教學(xué)體系是十分必要的。這種新型教學(xué)模式以轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式為目的，保證知識(shí)學(xué)習(xí)的延續(xù)性，充分結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)揮仿真和實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，注重培養(yǎng)主動(dòng)探究和創(chuàng)新實(shí)踐的精神以及終身受用的學(xué)習(xí)能力。這種教學(xué)模式改革與眾多高校的高層次人才培養(yǎng)目標(biāo)相一致，對(duì)于新工科專業(yè)的課程教學(xué)具有借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]專題研究型教學(xué);新工科;人才培養(yǎng);一體化教學(xué)體系;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）10-0174-03

一、專題研究型教學(xué)模式的研究背景

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，面對(duì)現(xiàn)代科技發(fā)展的新形勢(shì)，現(xiàn)代教育理念也要不斷更新。將研究性學(xué)習(xí)引入基礎(chǔ)教育課程體系成為世界各國(guó)課程改革和教學(xué)改革的突出特點(diǎn)，也已成為我國(guó)高校教學(xué)改革的一個(gè)方向。課程的研究型教學(xué)模式的推行彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)在方法創(chuàng)新和實(shí)施效果方面的缺憾，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力以及獨(dú)立學(xué)習(xí)和終身發(fā)展能力起了重要的作用[1] 。

近年來(lái)，面對(duì)新工科建設(shè)和發(fā)展的需要，人才培養(yǎng)模式的改革已成為當(dāng)前教育教學(xué)研究領(lǐng)域的一大熱門(mén)，涉及具體的不同且廣闊的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的需求越來(lái)越多，要求剛畢業(yè)的大學(xué)生即能進(jìn)入工作崗位甚至能勝任相關(guān)專業(yè)的實(shí)際工作，這往往是非常困難的。這就要求學(xué)生在大學(xué)甚至研究生階段，加強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力，熟練掌握專業(yè)知識(shí)能力。

我國(guó)正在實(shí)施“中國(guó)制造 2025”與“互聯(lián)網(wǎng)+”兩大重要戰(zhàn)略規(guī)劃，從事核心技術(shù)開(kāi)發(fā)、尋求創(chuàng)新知識(shí)、謀求創(chuàng)新發(fā)展的研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)越來(lái)越多。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)要積極開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，特別是專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。攻克核心技術(shù)和功能器件，能為企業(yè)和國(guó)家的未來(lái)發(fā)展指明新方向?？梢哉f(shuō)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期，這對(duì)于高校人才培養(yǎng)的能力和效果提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

高等院校的各個(gè)專業(yè)，特別是重點(diǎn)學(xué)科，對(duì)所屬專業(yè)的基礎(chǔ)課程和核心課程開(kāi)展了廣泛的教學(xué)模式研究。與實(shí)踐相關(guān)的課程，如工程材料、生物技術(shù)、激光技術(shù)、精密探測(cè)等領(lǐng)域的課程，其基礎(chǔ)知識(shí)是不可或缺的。這樣的課程往往是理論性比較強(qiáng)，許多物理概念抽象難懂，如果沒(méi)有相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)就很難把工程技術(shù)相關(guān)工作做好且產(chǎn)生創(chuàng)新性想法。特別是具有交叉學(xué)科特征的新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)人才的基礎(chǔ)知識(shí)面要求很廣，學(xué)生往往因缺乏感性認(rèn)識(shí)而感到不易理解、難學(xué)，只靠課堂講授很難達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。這就要求我們?cè)谌瞬排囵B(yǎng)中加強(qiáng)研究性教學(xué)，將理論仿真和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的比重加大，在教學(xué)體系中引入專題研究型教學(xué)內(nèi)容，將研究性問(wèn)題的解決引入教學(xué)過(guò)程，建立理論與實(shí)驗(yàn)有機(jī)聯(lián)系的渠道，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的研究與創(chuàng)新能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)以致用，學(xué)會(huì)研究與探索，表現(xiàn)出更多的靈活性和多樣性。

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)正是這樣一個(gè)新工科專業(yè)，這就要求相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的改革越來(lái)越深入[2-4]。教師需要在教學(xué)過(guò)程中合理地處理教學(xué)內(nèi)容以及采取有效的教學(xué)方法，做到重點(diǎn)突出、詳略得當(dāng)。讓學(xué)生既掌握基本原理和技術(shù)又懂得學(xué)以致用是目前專業(yè)課程教學(xué)急待解決的主要問(wèn)題。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的專題研究型教學(xué)研究是十分必要的。這種研究型教學(xué)模式的改革嘗試，有利于促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程設(shè)置等方面的科學(xué)化和現(xiàn)代化，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地促使學(xué)生理解和掌握課程教學(xué)內(nèi)容。

二、專題研究型教學(xué)模式的研究現(xiàn)狀

研究性學(xué)習(xí)也稱綜合學(xué)習(xí)或?qū)ｎ}研習(xí)，是國(guó)際教育界普遍推崇和實(shí)施的一種新的學(xué)習(xí)策略或?qū)W習(xí)模式[5-8] 。它以學(xué)生的自主性、探索性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，從社會(huì)生活中選擇和確定以問(wèn)題為載體的研究專題，主要以個(gè)人或小組合作的方式進(jìn)行。讓學(xué)生通過(guò)自己收集、分析和處理信息來(lái)實(shí)際感受和體驗(yàn)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程，通過(guò)親身實(shí)踐獲取直接經(jīng)驗(yàn)，養(yǎng)成科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，掌握基本科學(xué)方法，提高綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

專題研究型教學(xué)模式以轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式為目的，注重培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究和創(chuàng)新實(shí)踐的精神以及終身受用的學(xué)習(xí)能力。它改變了短促的、學(xué)科單一的、以教師為中心的傳統(tǒng)課堂教學(xué)，取而代之的是強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期的、跨學(xué)科的、以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)活動(dòng)。由于要研究的問(wèn)題多來(lái)自現(xiàn)實(shí)生活，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境是開(kāi)放的、多元的、動(dòng)態(tài)的，從而給學(xué)生提供了更多獲取知識(shí)的方式和渠道，推動(dòng)他們從不同側(cè)面了解社會(huì)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)既要加強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要開(kāi)設(shè)一些設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)是兩個(gè)各自獨(dú)立的環(huán)節(jié)，但在教學(xué)過(guò)程中必須兩者兼顧，不可偏廢，并且保證知識(shí)學(xué)習(xí)的延續(xù)性。實(shí)際情況往往缺少一個(gè)有機(jī)的結(jié)合點(diǎn)，使兩者相互促進(jìn)，增強(qiáng)教學(xué)效果。這就需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)或者課堂教學(xué)中開(kāi)展以仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的專題研究型教學(xué)探索，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，多層次提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。

專題研究型教學(xué)的定位應(yīng)非常清晰，主要有以下三點(diǎn)：其一，專題研究型教學(xué)屬于新的教學(xué)模式，對(duì)鍛煉學(xué)生專業(yè)能力具有重要的價(jià)值，值得院系注意，應(yīng)在教學(xué)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)室使用方面提供便利。其二，專題研究型教學(xué)是獨(dú)立的教學(xué)環(huán)節(jié)，需要相關(guān)教師投入大量的精力和進(jìn)行細(xì)心的指導(dǎo)。其三，專題研究型教學(xué)的考核應(yīng)獨(dú)立于傳統(tǒng)的考核方式和評(píng)價(jià)體系。

三、開(kāi)展專題研究型教學(xué)模式探索的主要舉措

激光類課程一般是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)本科生上大三時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，該課程在該專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)中起到承上啟下的作用，國(guó)內(nèi)外知名院校的相關(guān)課程教學(xué)改革模式及改革措施是比較豐富的。我們的課程教學(xué)組注重加強(qiáng)教學(xué)討論和專題講座資料的收集，從注重提高教學(xué)效果和對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)角度出發(fā)，在不影響完成教學(xué)大綱規(guī)定的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)專題研究型教學(xué)內(nèi)容與課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的有機(jī)結(jié)合。

比如以激光原理及應(yīng)用課程為例，該課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，也是高校其他相關(guān)專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程。其教學(xué)內(nèi)容豐富，課時(shí)量大。表1所示為與激光相關(guān)的課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通常會(huì)有2～3門(mén)激光類必修課和1～2門(mén)激光類選修課，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)方面會(huì)有4～5個(gè)與激光相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，在課程設(shè)計(jì)中也有較多的激光相關(guān)內(nèi)容。培養(yǎng)方案通常會(huì)將課程學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和課程設(shè)計(jì)安排在不同學(xué)期進(jìn)行，這不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和鞏固。而激光類知識(shí)在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)中占有重要位置，且其相關(guān)課程要求理論性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)要求技術(shù)性強(qiáng)，是非常適合開(kāi)展專題研究型教學(xué)模式改革和嘗試的。

教師可從表1的課程和實(shí)驗(yàn)中抽出幾個(gè)有著直接聯(lián)系的內(nèi)容，設(shè)計(jì)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的合理的專題研究型教學(xué)內(nèi)容。實(shí)施時(shí)可將實(shí)驗(yàn)和理論學(xué)習(xí)有機(jī)融合，結(jié)合課堂教學(xué)的內(nèi)容， 把握教學(xué)重要知識(shí)點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)幾個(gè)具體的專題內(nèi)容，組織實(shí)施專題研究型教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生完成研究型專題內(nèi)容的學(xué)習(xí)。通過(guò)整個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)施，專題研究型教學(xué)實(shí)現(xiàn)了課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合，達(dá)到了改善教學(xué)效果、提高學(xué)生綜合能力的目的。后續(xù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的銜接性和延續(xù)性。

這門(mén)課程的整個(gè)教學(xué)過(guò)程可以分為如表1所示的三個(gè)部分。

首先，在課堂教學(xué)中，傳授涵蓋主要原理、技術(shù)和應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性知識(shí)，通過(guò)增加演示性教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生觀察、思考、解決問(wèn)題的能力，也促進(jìn)了理論教學(xué)質(zhì)量的提高。注重處理好課本中基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念、基本性質(zhì)、基本現(xiàn)象的相互聯(lián)系，注重引導(dǎo)學(xué)生理解掌握理論公式的物理意義、內(nèi)涵與外延、應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用范圍，同時(shí)注重開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

其次，靈活有效利用各種教學(xué)手段來(lái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。通過(guò)原理演示與教師講解，使學(xué)生對(duì)課程中的學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)有一定的感性認(rèn)識(shí)，以便于他們理解和掌握。可以結(jié)合LabVIEW、Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真教學(xué)，使學(xué)生在多變的教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)和思考，拓展想象空間，提高對(duì)軟件仿真方法和技術(shù)的認(rèn)識(shí)，提高針對(duì)問(wèn)題開(kāi)展具體實(shí)驗(yàn)研究的積極性。

最后，在教學(xué)中將部分教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成研究型專題提供給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)自己的探索和實(shí)踐掌握仿真和實(shí)驗(yàn)研究的方法，在研究中獲得知識(shí)，增加開(kāi)辟新領(lǐng)域探索的勇氣。在此基礎(chǔ)上，還可以選拔優(yōu)秀的學(xué)生參與到教師的科研項(xiàng)目中開(kāi)展科學(xué)研究和探索，以促進(jìn)其創(chuàng)新思維發(fā)展，提高其將理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合的能力。

對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的專題研究型教學(xué)內(nèi)容時(shí)要體現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和應(yīng)用，并與課程設(shè)計(jì)內(nèi)容區(qū)別開(kāi)來(lái)?，F(xiàn)舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。（1）在激光背景知識(shí)部分，提出的研究?jī)?nèi)容是激光發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是什么，研究方向是諧振腔的使用和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)。將這樣一個(gè)專題作為入門(mén)，一方面讓學(xué)生理解激光是綜合其他技術(shù)而出現(xiàn)的技術(shù)革新和突破，另一方面讓學(xué)生在研究過(guò)程中充分了解激光產(chǎn)生的歷史背景，增強(qiáng)后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。（2）在激光光束特性部分，提出的研究?jī)?nèi)容是激光光束在水中傳播特性研究，讓學(xué)生了解水中光束的散射特性，通過(guò)改變水的散射性質(zhì)，進(jìn)一步觀察高斯光束變換的相關(guān)問(wèn)題。（3）在激光輸出特性部分，設(shè)置的研究?jī)?nèi)容是弛豫振蕩特性的Matlab仿真及實(shí)驗(yàn)研究?；谖_理論通過(guò)合理近似推導(dǎo)出弛豫振蕩特性參量的表達(dá)式，通過(guò)仿真相關(guān)特性的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展相關(guān)研究分析，可以達(dá)到非常好的學(xué)習(xí)效果和掌握程度。同樣地，在其他教學(xué)知識(shí)點(diǎn)也可以設(shè)計(jì)這種講授、仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的專題研究型教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建相關(guān)的一體化教學(xué)體系。

專題研究型教學(xué)內(nèi)容的考核與評(píng)價(jià)：做好專題研究型教學(xué)內(nèi)容的考核是非常重要的，需要考慮與課程實(shí)驗(yàn)考核和課程設(shè)計(jì)考核的區(qū)別及聯(lián)系，由學(xué)生利用課下時(shí)間在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成。為了更好地反映教學(xué)效果，應(yīng)做以下三方面的考慮：其一，相關(guān)任課教師應(yīng)是專題研究型教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和考核的主體。其二，將專題研究型教學(xué)納入激光課程中，所涉及的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)部分，由專業(yè)實(shí)驗(yàn)室提供場(chǎng)地和設(shè)備，限制完成時(shí)限，由學(xué)生自主完成。其三，合理設(shè)置考核分?jǐn)?shù)占比。也可以將專題研究型教學(xué)內(nèi)容作為大作業(yè)布置給學(xué)生去完成。

四、專題研究型教學(xué)模式實(shí)施的效果分析

專業(yè)課程與實(shí)驗(yàn)是各自獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)有的教學(xué)模式缺少兩者的有機(jī)結(jié)合，達(dá)不到理想效果。本課題的研究通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的專題研究型教學(xué)，采用合理的教學(xué)模式和方法，改善教學(xué)效果，提升學(xué)生知識(shí)掌握程度，使學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)得到完善，對(duì)提高學(xué)生綜合能力具有積極的作用。我們?cè)诠怆娦畔⒖茖W(xué)與工程專業(yè)本科生整個(gè)大三學(xué)年實(shí)施了專題研究型教學(xué)，獲得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍反映專題研究型教學(xué)不僅有助于鞏固理論知識(shí)的掌握效果，也讓學(xué)生有機(jī)會(huì)嘗試從事科學(xué)研究、解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的基本方法，在掌握知識(shí)以及提升能力和素質(zhì)方面均得到了較好的專業(yè)引導(dǎo)與鍛煉。

五、結(jié)論與展望

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)屬于新工科的專業(yè)，開(kāi)展專業(yè)課程教學(xué)模式改革研究對(duì)于新工科專業(yè)的教學(xué)模式建設(shè)有重要意義。通過(guò)專題研究型教學(xué)模式的改革探索發(fā)現(xiàn)該教學(xué)模式適用于理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，所獲得的研究成果值得相關(guān)專業(yè)特別是新工科專業(yè)的課程教學(xué)借鑒。雖然采用該教學(xué)模式能取得良好的教學(xué)效果，但應(yīng)重視做好對(duì)教師和學(xué)生兩者積極性的保護(hù)。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，這樣的專題研究型教學(xué)需要大量精力的投入，從目前來(lái)看，能夠與教師的科研工作有機(jī)結(jié)合起來(lái)無(wú)疑是一種比較理想的方式。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，提高研究型學(xué)習(xí)考核比例，將研究型學(xué)習(xí)提升至競(jìng)賽乃至產(chǎn)出創(chuàng)新性成果的水平，無(wú)疑是提高學(xué)生深入研究積極性的有效辦法?？v觀整個(gè)專題研究型教學(xué)改革發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，面對(duì)國(guó)家對(duì)高層次人才的需求，專業(yè)課程教學(xué)方法和模式的改革仍需要積極探索。

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[8] 王志，江兆潭.研究型固體物理課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2017（10）：57-60+76.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]

[收稿時(shí)間]2020-06-11

[基金項(xiàng)目]教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“產(chǎn)學(xué)合作機(jī)制下光電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革師資提升計(jì)劃”（201902282026）;哈爾濱工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“新工科背景下研究生跨學(xué)科聯(lián)合培養(yǎng)模式研究”（JGYJ-2019039）。

[作者簡(jiǎn)介]潘玉寨（1976-），男，山東濟(jì)寧人，博士，副教授，研究方向：激光技術(shù)和光電專業(yè)教學(xué)改革。