教學(xué)改革中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)研究
——以“工程材料基礎(chǔ)”課程為例

李葉青，徐元婷，徐 泉，姜偉麗

（中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院生物燃?xì)飧咧道帽本┦兄攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

當(dāng)今世界的科學(xué)領(lǐng)域不斷延伸，工程材料的發(fā)展不斷更新，工程材料和人類社會(huì)的發(fā)展始終并肩前行，單一的傳授教材上的理論知識(shí)很容易使學(xué)生缺乏新鮮感和吸引力。此外，傳統(tǒng)以教師為主體的教育方式不僅使學(xué)生成為被動(dòng)接受知識(shí)的容器，而且也忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，知識(shí)的獲取變得極其容易。因此，比起單一知識(shí)的傳授，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培育占據(jù)更重要的地位。21世紀(jì)的技能聯(lián)盟提出要建立批判性思維、培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展，材料是人類用來制造各種有用物件的物質(zhì)，是人類生存與發(fā)展、改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類社會(huì)現(xiàn)代文明的重要支柱。工程材料是用于機(jī)械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件，包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蝕、耐高溫等）的材料。十九屆五中全會(huì)通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃的建議》提出[1]，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，激發(fā)人才創(chuàng)新活力，完善科技創(chuàng)新體制機(jī)制，強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量。進(jìn)入新時(shí)代，世界新科技發(fā)展勢頭迅猛，因此培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思考能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力變得尤為重要。

從古至今教育的本質(zhì)在于教育人、發(fā)展人，即一切教育要以人為本。具體體現(xiàn)并落實(shí)到教學(xué)上就是要打破以教師為核心的教學(xué)觀，樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)觀。科學(xué)的教學(xué)觀就是要求正確面對(duì)以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生的主體精神，引導(dǎo)學(xué)生成為主體角色，最終目的是使學(xué)生具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

1 以創(chuàng)新意識(shí)為主體的總體框架

教育不是單純地灌輸知識(shí)，而是點(diǎn)燃思考的火焰。以學(xué)生為中心教學(xué)理念主要包含以下方面：第一構(gòu)建協(xié)作型學(xué)習(xí)環(huán)境，第二獨(dú)立思考模式體系的形成。在以學(xué)生為中心的教學(xué)觀中注重的是學(xué)生由知識(shí)灌輸對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)加工的主體，成為獨(dú)立思考的構(gòu)建者，教師由知識(shí)灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考的推動(dòng)者。以往的教師獨(dú)裁主義已然逝去，現(xiàn)在應(yīng)本著平等、尊重的原則走進(jìn)學(xué)生的心中，豐富學(xué)生心中的世界。

基于此，在教學(xué)過程當(dāng)中教師要把枯燥難懂的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為易于理解的實(shí)際應(yīng)用，例如在本課程中各種材料是由相同或不同的元素組成，由原子、離子或分子通過不同的結(jié)合鍵結(jié)合而成。教師不僅要讓學(xué)生了解工程材料可以通過離子鍵、共價(jià)健、金屬鍵、分子鍵來進(jìn)行分類，還要使學(xué)生明確如此分類的原因以及材料性能的特點(diǎn)。基于金屬鍵的工程材料強(qiáng)韌性好，塑性變形能力強(qiáng)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好。基于分子鍵和共價(jià)鍵的工程材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強(qiáng)度不高、硬度較低，耐熱性較差。陶瓷材料多由離子鍵和共價(jià)鍵形成因此具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐熱耐磨、脆性大、難加工等特點(diǎn)。而復(fù)合材料可以由多種化學(xué)鍵結(jié)合形成，因此可以人為地改性和加工成需要的材料。由此使學(xué)生明確每種材料相應(yīng)的形成機(jī)理和分類十分重要，只有打下牢固的基礎(chǔ)才能使學(xué)生更深一步積極探索未知領(lǐng)域，激發(fā)未來無限可能。

通過讓學(xué)生們?cè)谳p松舒適的氛圍下逐漸加深對(duì)專業(yè)課程的理解。另外，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生課后通過多媒體等方式了解科技研究近況以開拓學(xué)生視野，引發(fā)學(xué)生思考。最后，豐富了學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)體系，讓教師知曉學(xué)生在學(xué)習(xí)和探索方面遇到的問題，以便于得到良好的溝通與解決。同時(shí)多方面的評(píng)價(jià)方式使教師能夠更準(zhǔn)確地接收到學(xué)生的反饋。

2 課堂教學(xué)模式改革

2.1 教學(xué)目標(biāo)

“工程材料基礎(chǔ)”是科學(xué)與工程類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，其特點(diǎn)是基本概念多、與實(shí)際聯(lián)系緊密，是一門應(yīng)用學(xué)科。從人類最早使用的工具石器、到陶瓷的發(fā)明與使用和世界上最大的青銅器，到20世紀(jì)鐵器和煉鋼方式的發(fā)展，后面廣泛興起的天然高分子材料絲綢、光導(dǎo)纖維、激光晶體以及如今各種各樣的新材料，如超導(dǎo)材料、形狀記憶材料、磁性材料、玻璃纖維樹脂復(fù)合材料、碳纖維樹脂復(fù)合材料等。其中玻璃纖維樹脂復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中用于制造衛(wèi)星殼體、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等，超導(dǎo)、磁性、信息材料等用來制作光纜和磁懸浮列車（時(shí)速500 km）。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。

“工程材料基礎(chǔ)”這門課不僅讓學(xué)生明白材料的重要性、材料的發(fā)展歷史、工程材料的分類等多方面基礎(chǔ)知識(shí)，還要讓學(xué)生在充分理解當(dāng)代材料的基礎(chǔ)上勇于探索未來高性能材料的演變與形成。所以，為了使學(xué)生建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系，教師對(duì)于話題引入和聯(lián)系實(shí)際等方面需要進(jìn)行巧妙的構(gòu)思設(shè)計(jì)，并且還要針對(duì)性地將其與科研近況進(jìn)行緊密結(jié)合。

例如在小組討論課程上，教師要求學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際探討金屬材料的實(shí)際應(yīng)用。每個(gè)學(xué)習(xí)小組以PPT的形式呈現(xiàn)組內(nèi)探討結(jié)果，最后由教師來進(jìn)行歸納和總結(jié)。這種方式能在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的基礎(chǔ)上，加深學(xué)生的理解，擴(kuò)寬知識(shí)領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和創(chuàng)新精神[2]。以學(xué)生為中心的教學(xué)模式在注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)的同時(shí)，也要兼顧學(xué)生的差異性。不同學(xué)生不僅在學(xué)習(xí)方法上有較大的差異，而且接受知識(shí)能力和自我約束能力有較大不同，教師的任務(wù)就是要充分挖掘?qū)W生的潛在價(jià)值，利用好學(xué)生在不同方面的優(yōu)勢，因材施教[3]。組織學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)教師要給予學(xué)生充分的自主權(quán)，提供多元化的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)習(xí)氛圍的形成，以提高學(xué)生的創(chuàng)新協(xié)作能力。

2.2 教學(xué)方式

2.2.1 構(gòu)建團(tuán)隊(duì)協(xié)作型學(xué)習(xí)環(huán)境

“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳”，良好的學(xué)習(xí)氛圍是培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，心理學(xué)家布魯納提出[4]：當(dāng)人處于濃厚的學(xué)習(xí)氛圍下，會(huì)受到積極的情緒感染，從而提升學(xué)習(xí)興趣。以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)課堂鼓勵(lì)師生之間相互尊重、相互欣賞、相互信賴，學(xué)生之間要養(yǎng)成良好的默契，相互幫助，建立起友好的交流和互動(dòng)。

2.2.2 獨(dú)立思考模式體系的形成

保證科學(xué)的前提是學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，無論是靈光乍現(xiàn)，還是思如泉涌階段，首先必須有明確的目標(biāo)和觀點(diǎn)，即使觀點(diǎn)并不十分明確，但是獨(dú)立思考的過程就是逐漸接近它的過程。創(chuàng)造力不僅僅使一種技能，更是一種狀態(tài)，而獨(dú)立思考是塑造創(chuàng)造力的前提。因此為了充分提升學(xué)生獨(dú)立思考的能力，教師會(huì)向?qū)W生提供良好的問題情景和充分的獨(dú)立思考時(shí)間，使學(xué)生把課上所學(xué)習(xí)的知識(shí)和課后獨(dú)立思考的內(nèi)容高效地結(jié)合起來，從而達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。

2.2.3 培養(yǎng)創(chuàng)新性思維

為充分提升當(dāng)代大學(xué)生對(duì)創(chuàng)新性習(xí)慣的重視情況，教師在課堂上充分介紹目前先進(jìn)的科研技術(shù)情況，并且以PPT動(dòng)畫的方式形象生動(dòng)地表達(dá)給學(xué)生，使學(xué)生在理解傳統(tǒng)工程材料的基礎(chǔ)上，能夠更好地與新型材料應(yīng)用技術(shù)融合起來。例如教師在課堂上提出的《Nature》最新成果——室溫超導(dǎo)，引起了眾多學(xué)生的廣泛關(guān)注，新型材料的性能激發(fā)了學(xué)生對(duì)于未知領(lǐng)域探索的潛力。人類對(duì)于材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的，1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）。2017年崔屹在《Science》上發(fā)表了論文《冷凍電鏡——揭密電池材料和界面原子結(jié)構(gòu)》，這些話題的引入都會(huì)激發(fā)學(xué)生思考的意識(shí)，使學(xué)生積極主動(dòng)地查閱多方面的資料，以便更深入的探索學(xué)習(xí)。

3 創(chuàng)新改革效果

落實(shí)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念必須將它充分實(shí)施到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中去，“工程材料與基礎(chǔ)”課程受到了眾多學(xué)生的一致好評(píng)，在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，90.6%的學(xué)生認(rèn)為教師授課態(tài)度認(rèn)真負(fù)責(zé)，不但營造了適合學(xué)習(xí)的氛圍而且課外對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況十分關(guān)心。87.5%的學(xué)生在教師的嚴(yán)格要求和精準(zhǔn)指導(dǎo)下，對(duì)課程相關(guān)知識(shí)（作業(yè)、測驗(yàn)、報(bào)告等）和反饋（講解、點(diǎn)評(píng)）加深了理解和思考，使學(xué)生提升了分析、解釋或解決實(shí)際問題的意識(shí)和能力。84.5%的學(xué)生通過學(xué)習(xí)本次課程激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)得到改善，獨(dú)立思考能力得到提高。81.3%的學(xué)生深刻體會(huì)到了教師展示課程的重要意義，認(rèn)為教師闡明了各項(xiàng)知識(shí)之間的潛在關(guān)聯(lián)。此外教師還注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行思想品德的教育，提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，無論課上還是課下都給予學(xué)生關(guān)心和幫助，給學(xué)生留下了深刻印象。綜上所述學(xué)生在本學(xué)期所學(xué)的所有課程中認(rèn)為本課程的教學(xué)效果是最好的約占70%左右。

本次創(chuàng)新教學(xué)模式改革雖取得了明顯的成效，但仍然有21.0%的學(xué)生提出教師課程進(jìn)度安排不合理等現(xiàn)象，這主要是由于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力參差不齊以及學(xué)習(xí)方式的差異性造成的，針對(duì)這類問題可以采用分批次教學(xué)，給不同的學(xué)生設(shè)置相應(yīng)不同程度的任務(wù)以兼顧水平較差的學(xué)生，另外在班級(jí)中實(shí)行互幫互助原則，由教師指派學(xué)生進(jìn)行一幫一互助，來更加高效地改善教學(xué)情況。此外，在未來的教學(xué)過程中我們要從石油院校的實(shí)際出發(fā)，針對(duì)學(xué)生提出的各項(xiàng)問題來進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方案調(diào)整課程結(jié)構(gòu)。

本次教學(xué)方法采用拋出問題和布置任務(wù)的方式，充分激發(fā)出學(xué)生對(duì)新領(lǐng)域的好奇，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力。扮演好引領(lǐng)者的角色，積極響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃對(duì)于新時(shí)代下人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)一代代具有創(chuàng)新能力的青年科技人才是我們矢志不渝的責(zé)任。