基于工程認證的專業(yè)創(chuàng)新實驗混合式教學模式的設計與探索
——以鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備及性能研究為例

楊繩巖，李宏林，高曉寶

(巢湖學院 化學與材料工程學院，安徽 巢湖 238000)

工程認證是工程教育改革的內在要求和必然趨勢，也是各個高校提高人才培養(yǎng)質量、促進專業(yè)建設的有力保障.無機非金屬材料工程專業(yè)是我院首批工程教育認證專業(yè)，其認證理念為“學生中心、產出導向、持續(xù)改進”[1].“學生中心”強調以“學”為中心要逐漸取代以“教”為中心的主導地位；“產出導向”強調教師在進行教學設計和教學實施的過程中，要以學生接受教育后所取得的學習成果為導向；“持續(xù)改進”強調對整個專業(yè)人才培養(yǎng)活動須進行全過程、全方位的跟蹤與評價[2].因此，為了踐行專業(yè)認證理念，改革課堂教學模式、改變教學方法、變革考核方式是促進教學質量提高、學生工程能力提升的有效方式.

專業(yè)創(chuàng)新實驗是培養(yǎng)無機非金屬材料工程專業(yè)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的一門課程，是專業(yè)基礎課的理論與實踐相結合的課程.該課程主要是面對大三的學生開設，在這之前學生已修完了基礎實驗和綜合實驗.基礎實驗是厚基礎，即鞏固基本操作；綜合實驗是強能力，即強化綜合能力，而專業(yè)創(chuàng)新實驗則是重探究，突出自主探究.傳統(tǒng)教學模式注重“教師講、學生聽”，這不利于學生對專業(yè)知識的理解與應用，亦不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與實踐能力.鑒于此，本著教學內容與專業(yè)知識相融合、科研成果向實驗教學轉化的原則，從筆者科研成果中選取用于專業(yè)創(chuàng)新實驗的教學內容，將材料領域研究熱點之一的壓電陶瓷材料作為實驗研究內容，充分體現(xiàn)了傳統(tǒng)與前沿的有機融合.以鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備及性能研究為例詳細介紹混合式教學模式的設計與探索.

1 混合式教學模式的設計

在工程專業(yè)認證背景下，針對傳統(tǒng)實驗教學模式的弊端，筆者設計與探索了無機非金屬材料工程專業(yè)創(chuàng)新實驗教學新模式，采用“線上自主學習+線下翻轉課堂”混合式教學模式，充分發(fā)揮學生的主觀能動性、增強自我管理意識、拓展前沿知識儲備、提高工程實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維，獲得了較好的教學效果.

圖1 以學生為主體的線上自主學習模式框架圖

1.1 線上自主學習

預習是實驗開設前的一項重要任務，預習不到位、預習不徹底、預習不深入將直接影響學生的學習效率、打擊學生學習的積極性、遏制學生的學習潛能.傳統(tǒng)的預習方法是學生對照實驗參考書或教師講義將實驗內容象征性地抄寫一遍，全程無思考、無疑問、無交流，機械地完成預習任務而已.這樣的預習方式存在諸多弊端，諸如實驗原理含糊不清、實驗現(xiàn)象不知道原因、實驗出現(xiàn)問題不知如何解決、實驗數(shù)據異常不能及時發(fā)現(xiàn)等，這些問題根深蒂固，對實驗前的預習方法進行有效改革將是一項刻不容緩的任務.

對傳統(tǒng)的預習手段進行了改革，采用線上自主學習方法，以鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備及性能研究為例，對以學生為主體的線上自主學習模式進行了探索和設計，其框架圖如圖1所示.

1.1.1 基本知識和技能

本著“以學生為中心”的核心理念，通過線上自主學習基本知識和基本技能，扭轉“照方抓藥”“應付了事”的殘羹陋習，將“學會”變成“會學”.不同于基礎化學實驗，專業(yè)創(chuàng)新實驗要求學生自主選題 、自主查閱資料、自主設計實驗方案，這必然要求學生具備一定的自主學習能力.教師通過線上發(fā)布教學任務，讓學生了解專業(yè)創(chuàng)新實驗的目的，掌握無鉛壓電陶瓷的概念、分類、發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應用等基本知識.這個過程需要學生進行自主查閱文獻，需要具備文獻檢索的能力.學生自行進入學校圖書館學習中文文獻和英文文獻的檢索方法，要學會從多種途徑檢索文獻，例如主題、關鍵詞、篇名、作者、文獻來源、DOI等.教師將任意選擇一種方法在線上對學生文獻檢索效果進行檢測，如指定一篇中文文獻名和英文文獻名，學生將檢索結果發(fā)給指導老師審核，審核結果通過表明學生已基本掌握文獻檢索方法.接下來學生要認真閱讀與主題密切相關的文獻資料，對文章所研究的內容、所采用的實驗方法、文章研究的意義及創(chuàng)新點進行深度思考，提煉全文的核心思想.為避免學生對文獻知識的簡單復印粘貼，所有預習問題的結果需全部寫在預習本上，供教師檢查.在自主學習過程中，學生具備了篩選整理資料、自主性深度思考、分析解決問題等能力.

1.1.2 提升知識和能力

教學內容與專業(yè)相融合對提高學生的專業(yè)素養(yǎng)、鞏固學生的專業(yè)知識有著舉足輕重的作用[4].結合筆者自身的科研領域，專業(yè)創(chuàng)新實驗選擇無鉛壓電陶瓷研究領域的一個子項目“鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備及性能研究”作為專業(yè)創(chuàng)新實驗項目.壓電陶瓷對于學生來說是一個嶄新的知識領域，完成此創(chuàng)新實驗項目是對自主學習能力、創(chuàng)新能力的一次大膽的嘗試和挑戰(zhàn).壓電陶瓷材料涉及領域比較廣泛，為了使學生有針對性地吸取文獻精華，設置了問題導向，首先了解無鉛壓電陶瓷的分類，然后對其中的鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷進行全面的了解，從研究現(xiàn)狀、最新進展、改性原因、改性制備方法、性能研究手段等方面逐層深入，以達到對問題的全面認識.

通過線上自主學習，學生需要在規(guī)定時間內提交一份文獻綜述和設計一份實驗方案來檢驗學習效果.在文獻綜述的基礎上，制定可行的實驗方案，內容要包括實驗目的、實驗方法、實驗儀器及試劑、結果表征方法、性能檢測手段等方面.這兩項作業(yè)的完成在一定程度上提高了學生的自主學習能力、增強了專業(yè)知識，特別是對無鉛壓電陶瓷材料有了全新的認識，對未來從事材料領域的科研與工作打下了堅實的基礎.

圖2 翻轉課堂教學設計模式

1.1.3 拓展知識和能力

1.1 乳腺癌組織來源 本研究中28例乳腺癌組織標本均來源于南昌市第三人民醫(yī)院，入選標本為2016年1月至2017年6月間手術切除的乳腺癌組織。入選標準：①所有患者均行病理檢查確診為原發(fā)性乳腺癌［2］，并經高年資醫(yī)生根據AJCC乳腺癌分期系統(tǒng)確定患者臨床分期［3］；②所有患者無嚴重的肝、腎、心、腦等重要臟器損害；③研究符合倫理學標準，并通過了院倫理學委員會的批準，患者簽署知情同意書；④年齡20～81歲，平均年齡（48.75±12.15）歲，體重42～60 kg，平均體重（44.00±3.86）kg。

在鞏固基礎、提升認知的前提下，適當引入科研前沿，在拓展學生知識面的同時，有效激發(fā)了學生的學習興趣及專業(yè)自豪感，培養(yǎng)了深度思考、自主探究、分析問題、解決問題的能力.雖然無鉛壓電陶瓷受到了國內及國際研究者的青睞并取得了階段性成果，但在進一步提高無鉛壓電陶瓷的壓電性能方面遇到了瓶頸期，至今仍未研究出一種不論是在壓電性能或是溫度穩(wěn)定性方面可與鉛基壓電陶瓷相媲美的無鉛壓電陶瓷.未來是否可以研發(fā)出高性能無鉛壓電陶瓷并實現(xiàn)其產業(yè)化，進而真正替代鉛基壓電陶瓷？無鉛壓電陶瓷的未來研究前景值得商榷和探討.教師通過問題式引導帶領學生對無鉛壓電陶瓷的未來前景進行深度思考并展開討論，同時自主查閱有關無鉛壓電陶瓷的最新文獻，了解無鉛壓電陶瓷的最新研究動態(tài).

1.2 線下翻轉課堂

近幾年，翻轉課堂教學法[5]受到了國內外教育者的青睞，這種新興教學模

式扭轉了課堂教學的不良局面，使“以教師為中心”的課堂教學自然轉變?yōu)椤耙詫W生為中心”.本文結合工程認證專業(yè)創(chuàng)新實驗的課程特點，以鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備及性能研究為例，對翻轉課堂教學模式進行了設計與探索，期望為實驗教學的翻轉化提供參考.翻轉課堂模式如圖2所示.

1.2.1 實驗前開設研討課

傳統(tǒng)實驗教學模式通常是實驗前教師詳細講解實驗目的、實驗原理、實驗過程、實驗注意事項等，學生處于被動接受知識的地位，自主創(chuàng)新意識薄弱[6].實驗前開設研討課，將課堂交給學生，學生成為課堂的主體，有效提高了學生自主學習、辯證思維、團隊協(xié)作、總結歸納、表達交流等核心素養(yǎng)[7].

通過線上自主預習，學生完成學習任務才能進入實驗室開展實驗.實驗前加入研討課，8人一組，首先以組會的形式進行PPT展示，展示內容應主要包括兩部分，第一部分為文獻綜述部分，介紹無鉛壓電陶瓷的概念、分類、發(fā)現(xiàn)、發(fā)展及應用，重點講解最新一篇有關學科前沿的英文文獻；第二部分為實驗方案的設計，介紹選題背景、研究意義、實驗方法，重點講解鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷的改性方法，并分析實驗的可行性.結束課堂展示后，為進一步完善實驗方案，師生將對實驗細節(jié)展開討論.在這個過程中，教師引入啟發(fā)式教學手段，將實驗難點和重點轉化成思考題，學生將就問題各抒己見.研討課的引入輕松扭轉了課堂教學模式，學生一躍成為課堂教學的主體，不再被動接受，而是變?yōu)橹鲃映鰮?這一轉變促使課堂氣氛活躍了，學生的學習積極性提高了，自主學習的意識增強了，課題設計、文獻綜述及論文寫作等專業(yè)能力也得到了有效提升[8].

1.2.2 實驗中先進儀器實訓

創(chuàng)新實驗將教師科研成果融入到實驗中，即科研滲透教學，在實驗制備、結果表征、性能檢測等方面都要用到大型先進儀器.比如在改性鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷的制備過程中要用到球磨機、電動壓片機、高溫箱式爐等；在結果表征步驟中要用到X-射線衍射儀；性能檢測要用到溫普測試儀、鐵電測試儀、準靜態(tài)壓電常數(shù)測試儀.對于球磨機、電動壓片機、高溫箱式爐較便宜的儀器，學生在掌握使用方法后可獨立操作使用.X-射線衍射儀、溫普測試儀、鐵電測試儀、準靜態(tài)壓電常數(shù)測試儀屬于比較貴重的精密儀器，一般需要先經指導老師對儀器的使用原理、使用方法及使用注意事項進行講解，然后在指導老師的陪同下獨立完成儀器的使用.整個過程下來，學生對儀器的構造、原理、使用方法等都有了直觀的認識和體會，對實驗的前因后果有了更深刻的理解，也能夠切身體會到先進儀器設備對科研成果的促進作用.

專業(yè)創(chuàng)新實驗中穿插先進儀器實訓在一定程度上提高了實驗教學的含金量，提高了學生的參與度、積極性、主動性，動手操作能力也得到了有效提高；培養(yǎng)了學生的科研素養(yǎng)，為以后的畢業(yè)設計、考研與就業(yè)奠定了堅實的基礎.

1.2.3 實驗后數(shù)據分析方法

化學及材料類學生在本科階段熟練掌握測試技術及相應的軟件知識將對畢業(yè)設計、就業(yè)及研究生階段的學習奠定良好的基礎[9].創(chuàng)新實驗將科研融入教學，實驗后的數(shù)據分析必然要用到科研軟件，將科研軟件融入到專業(yè)創(chuàng)新實驗中將會大大提高學生處理數(shù)據和解決問題的能力，激發(fā)了學生的主觀能動性，拓寬了學生的學術視野.

在眾多的實驗數(shù)據分析處理軟件中，Origin軟件集數(shù)據分析和科技繪圖于一體，利用該軟件可以實現(xiàn)對各種數(shù)據快速分析處理，所得圖形清晰美觀，數(shù)據處理精度高，簡單易操作，受到科研工作者的青睞，也非常適合大學生學習使用[10].鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷摻雜改性后樣品的結構表征和性能分析，如XRD圖譜分析、介電性能分析、壓電性能分析、鐵電性能分析等都要用到Origin作圖軟件處理數(shù)據.經過自主學習、分組討論、教師引導，學生對這種功能強大、使用便捷的科研軟件充滿了好奇心和求知欲，熟練掌握了Origin軟件的使用方法，懂得了規(guī)范作圖、正確處理實驗數(shù)據的方法，學生的科研素養(yǎng)得到了培養(yǎng)，主觀能動性和解決問題的能力也得到了提高.

2 推行過程考核制度

客觀公正合理的考核制度能夠真正體現(xiàn)出學生的學業(yè)水平，及時發(fā)現(xiàn)學生的不足，便于查缺補漏，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，更好地促進教師教學效果的提高[11].推行以學生為中心、符合工程認證標準的過程考核制度，在過程中、發(fā)展中對學生進行多元評價，重視評價學生的自主學習效果，強化對學生成績、能力、綜合素質的全面評價，不斷完善過程考核方式和內容，力求實現(xiàn)評價模式從單一知識評價向以能力為主的多元化評價轉變，引導學生在過程中自主學習、自我成長.

推行過程考核最明顯的優(yōu)勢是能夠消除個體差異帶來的影響，為同學們營造一個公平公正的學習氛圍.以學生的個體差異為前提，以工程認證的考核要求為標準，制定了富有彈性的過程考核制度.該考核制度分為三大部分(30%實驗前、40%實驗中、30%實驗后)，每一部分又細化為多個分支，具體見表1所示.

表1 過程考核制度細化評分表

實踐表明，這種貫穿整個實驗教學過程的形成性評價模式避免了終結性評價的片面性，對于全面考查學生的綜合實驗素質、提高學生深入思考的積極性、培養(yǎng)創(chuàng)新意識及能力、鍛煉溝通交流技能等方面均起到了積極的促進作用.

3 教學效果

(1)實驗層面：鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷的改性制備及性能研究為材料領域的前沿學科，整個實驗過程囊括了無鉛壓電陶瓷材料的改性設計、制備、表征與性能研究，涉及多種大型先進儀器的使用，如X-射線多晶衍射儀、溫譜測試儀、鐵電測試儀、準靜態(tài)壓電常數(shù)測試儀，這些儀器分別測定陶瓷材料的晶體結構、介電性能、鐵電性能、壓電性能[11].該實驗多維度多角度系統(tǒng)開拓了本科生對當今材料學前沿領域的認知.

(2)學生層面：通過線上自主預習，學生具備了文獻檢索、歸納總結、自主探究等能力，鞏固了基礎、提升了能力、拓展了視野；通過研討課的陳述、交流與討論，鍛煉了學生的膽識與口才，培養(yǎng)了科研素養(yǎng)，激發(fā)了學習積極性；通過分組實驗實訓，學生掌握了改性制備無鉛壓電陶瓷的方法，熟悉了各類大型儀器的工作原理和使用方法，鞏固了科研軟件Origin的作圖技巧[12].

(3)教師層面：本創(chuàng)新實驗選材于教師的科研領域，將教學與科研有機結合，一方面有效提高了學生的科研興趣、鍛煉了綜合能力，另一方面教師在指導實驗的過程中結合學生的問題、疑問和想法可以迸出新的火花，進而促進了教師的科研進展，是一項教學相長的雙贏過程.混合式教學模式在一定程度上解決了差異化教學難題，提升了預習效果和課堂效率，優(yōu)化了人才培養(yǎng)機制.

4 小 結

在當前新工科教育的時代背景下，為順應工程認證的專業(yè)需求，專業(yè)創(chuàng)新實驗進行了“線上自主學習+線下翻轉課堂”混合式教學模式改革，總結了實驗教學實踐的一些舉措和思考，彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足.改革實施過程中將教學內容與專業(yè)知識相融合、科研成果向實驗教學轉化，有效補齊了基礎知識差異、促進了學生的自主思考、鍛煉了學生的實踐能力、激發(fā)了學生的學習潛能.專業(yè)創(chuàng)新實驗教學改革目標是為社會輸出高質量、高要求的工程應用型人才，這是一個不斷摸索、持續(xù)研究、努力創(chuàng)新的過程，需要師生之間密切配合，相互促進、共同進步.