基于科教融合的“材料的力學(xué)性能”課程教學(xué)模式改革研究

孔志剛，李金泉

（北京郵電大學(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院 北京 100876）

“科教融合”是指在教學(xué)過程中，將“科研”與“教學(xué)”緊密融合起來，實(shí)現(xiàn)兩者有效互補(bǔ)，從而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標(biāo)[1]。如何提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，一直以來是高等教育發(fā)展中的重點(diǎn)問題[2]。在19世紀(jì)，丹尼爾·吉爾曼就首先提出了“教學(xué)科研結(jié)合”的理念，為高等教育的發(fā)展和創(chuàng)新指出了發(fā)展方向[3]。近些年我國發(fā)布的《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要》也指出，高等教育“要倡導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)研究，促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”[4]。

但是長期以來，研究生專業(yè)課程教學(xué)側(cè)重于對理論知識(shí)的講解，而忽略了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)教育方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求[5]。因此，國家及教育部不斷提出推動(dòng)高校研究生教育改革，倡導(dǎo)教學(xué)和科研緊密結(jié)合，科研要反向支撐教學(xué)，鼓勵(lì)在教學(xué)中融入科研從而提升研究生科研創(chuàng)新能力[6]?！安牧系牧W(xué)性能”屬于機(jī)械工程研究生的專業(yè)課程之一，與后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和科學(xué)研究有著緊密聯(lián)系。在該課程的教學(xué)過程中，如果能將教材理論知識(shí)和科研有效結(jié)合，則有助于學(xué)生牢固掌握理論知識(shí)，有效地提高學(xué)生的專業(yè)興趣和學(xué)習(xí)能力[7]。

本文針對課程“材料的力學(xué)性能”提出基于“科教融合”的科研項(xiàng)目案例分析教學(xué)模式，目的即在于通過課程的科教融合，將教學(xué)與科研有機(jī)、高效地結(jié)合起來，利用“教學(xué)”環(huán)節(jié)教授課程的基本知識(shí)，利用“科研”促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用課程中學(xué)到的知識(shí)解決工程領(lǐng)域中的實(shí)際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立探索、研究和創(chuàng)新實(shí)踐的綜合能力。

1 教學(xué)改革思路和方法

課程改革的總體思路是將研究生課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)與工程實(shí)踐緊密對接，將工程項(xiàng)目有效融入教學(xué)中，教學(xué)改革的整體思路和過程如圖1所示（p112）。

圖1 基于科教融合的科研項(xiàng)目案例教學(xué)流程圖

首先，在教師對課程理論和工程實(shí)際有深刻的理解和把握的前提下，從所經(jīng)歷的科研項(xiàng)目中，提煉項(xiàng)目案例，加入教學(xué)環(huán)節(jié)中。在案例設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，密切結(jié)合教材課程理論知識(shí)，同時(shí)兼顧理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生掌握利用理論知識(shí)分析實(shí)際工程應(yīng)用問題的方法。

例如，教師承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中的一項(xiàng)子課題“寬頻帶同軸步進(jìn)衰減器工程化和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”，該項(xiàng)目的研究對象寬頻帶同軸步進(jìn)衰減器廣泛應(yīng)用于頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測試設(shè)備中。寬頻帶同軸程控步進(jìn)衰減執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料為銅合金，其性能、可靠性的提高往往受制于銅合金的性能。因此結(jié)合該機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)，將其涉及的力學(xué)性能問題及解決方案設(shè)計(jì)為課程教學(xué)的一項(xiàng)案例，案例包括的內(nèi)容有：①寬頻帶同軸步進(jìn)衰減器的結(jié)構(gòu)、功能及其應(yīng)用。②寬頻帶同軸步進(jìn)衰減器的材料及其性能。③衰減器的材料在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的力學(xué)失效現(xiàn)象。④力學(xué)失效現(xiàn)象與教材理論知識(shí)的結(jié)合分析。⑤衰減器材料力學(xué)性能的改善措施及方案。

案例設(shè)計(jì)完成后，教師在上課前先通過線上方式發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生提前根據(jù)資料預(yù)習(xí)案例內(nèi)容，并結(jié)合教材理論知識(shí)對案例進(jìn)行分析。通過線上線下教學(xué)互相銜接，可以利用二者的優(yōu)勢提高教學(xué)效率[8]。在學(xué)生充分了解案例及其背景知識(shí)的前提下，教師和學(xué)生一起在課堂上對科研項(xiàng)目案例進(jìn)行分析。幫助學(xué)生掌握案例的內(nèi)容及與案例相關(guān)的理論知識(shí)，并且對案例的工程應(yīng)用情況進(jìn)行介紹和分析，使得學(xué)生不僅僅獲得了理論知識(shí)，而且明白這些知識(shí)的工程應(yīng)用情況，增強(qiáng)了學(xué)生對知識(shí)學(xué)習(xí)和掌握的成就感。

在充分了解學(xué)生專業(yè)背景、研究方向的前提下，將不同學(xué)生優(yōu)化組合后分成若干個(gè)研學(xué)小組。課堂上教師組織學(xué)生圍繞一定教學(xué)內(nèi)容及科研項(xiàng)目案例展開探討研究，促使每個(gè)小組成員參與分析案例，踴躍發(fā)言，達(dá)到學(xué)生之間、師生之間高效互動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。課后，學(xué)生再以小組為單位，查閱文獻(xiàn)，并對已給的案例問題進(jìn)行擴(kuò)展分析，撰寫案例分析報(bào)告和多媒體課件。下次上課時(shí)，學(xué)生采用翻轉(zhuǎn)課堂方式對科研項(xiàng)目案例學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)。翻轉(zhuǎn)課堂是讓學(xué)生課下完成部分知識(shí)的學(xué)習(xí)，課堂上學(xué)生通過多媒體課件來對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，教師和其他學(xué)生對其匯報(bào)的內(nèi)容及形式進(jìn)行評價(jià)，將課堂變成師生之間以及學(xué)生之間互動(dòng)的場所[9-10]。在匯報(bào)結(jié)束后，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行互評，評價(jià)內(nèi)容包括報(bào)告內(nèi)容、多媒體課件制作水平、匯報(bào)語言的邏輯性等。

另外，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生意愿，安排學(xué)生參與科研項(xiàng)目，在實(shí)際項(xiàng)目過程中培養(yǎng)學(xué)生的科研能力及熟練應(yīng)用和掌握課程理論教學(xué)內(nèi)容。

例如在教授教材第五章《疲勞》時(shí)，由于金屬材料疲勞的現(xiàn)象及其概念比較復(fù)雜抽象，同時(shí)理論教學(xué)部分包含大量復(fù)雜數(shù)學(xué)和力學(xué)公式，學(xué)生對疲勞裂紋的生成、擴(kuò)展和斷裂過程缺乏直觀和具體的理解，因此引入了同一時(shí)期教師正在主持的一項(xiàng)關(guān)于材料抗疲勞性能的科研項(xiàng)目，該課題的研究內(nèi)容之一是研究變動(dòng)載荷對動(dòng)簧片抗疲勞性能的影響規(guī)律。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，結(jié)合該金屬材料構(gòu)件在振動(dòng)環(huán)境中產(chǎn)生的失效機(jī)理，讓學(xué)生參與項(xiàng)目的研討和方案設(shè)計(jì)，制訂具體的研究方案，參與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并對振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行了電鏡能譜分析。在課堂上，教師以該項(xiàng)目為例，結(jié)合教材相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行講解，使得學(xué)生進(jìn)一步掌握了這一章的理論知識(shí)。

采取多樣化考核方式。課程考核改變以往只注重書面考試的單一形式而采用了過程考核方式。在整個(gè)教學(xué)過程中，全面考核學(xué)生在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，包括對案例的分析討論、案例分析報(bào)告、多媒體課件制作及匯報(bào)等。對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、研究能力等多方面進(jìn)行綜合評價(jià)并給出最終成績，全面評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在期末還采取科研項(xiàng)目答辯、翻轉(zhuǎn)課堂的形式對學(xué)生進(jìn)行評估。這種以過程考核為主的考核方式極大地促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生思考和解決問題的能力。經(jīng)過課后的研究報(bào)告及多媒體課件的撰寫以及后續(xù)的翻轉(zhuǎn)課堂，同學(xué)們進(jìn)一步擴(kuò)展了相關(guān)知識(shí)，獲得了良好的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)對科研項(xiàng)目的研究過程和項(xiàng)目報(bào)告的總結(jié)方法也有了深刻的認(rèn)知和體會(huì)。

2 教學(xué)改革取得的成效

在“材料的力學(xué)性能”研究生課程教學(xué)過程中，教師融入了科教融合的理念，把最新的科研成果融入教學(xué)內(nèi)容中，以科學(xué)研究促進(jìn)了教學(xué)，同時(shí)提高了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，具體成效為：

2.1 提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

通過將工程材料力學(xué)性能領(lǐng)域前沿問題有機(jī)教師融合到課程教學(xué)中，增加了教學(xué)的廣度和深度，將該領(lǐng)域前沿問題和課程中的理論知識(shí)相結(jié)合，使學(xué)生深入了解相關(guān)科研或?qū)嵺`的動(dòng)態(tài)，從而提高了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣與積極性，促進(jìn)學(xué)生對于目前工程領(lǐng)域技術(shù)前沿問題等的討論與探究。

2.2 顯著提高了課堂教學(xué)水平

針對“材料的力學(xué)性能”教學(xué)中的內(nèi)容，從教師的科研項(xiàng)目中提煉出優(yōu)秀的教學(xué)案例，引入理論教學(xué)中，將比較抽象的理論知識(shí)與實(shí)際工程問題緊密結(jié)合。通過科研項(xiàng)目案例分析，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式和方法的多樣化，教與學(xué)有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)過程中加強(qiáng)課堂討論，改善并提高了課程教學(xué)效果。

2.3 教學(xué)反向也促進(jìn)了科研，提高了教師和學(xué)生的科研水平

通過該課程的科教融合和科研項(xiàng)目案例分析，達(dá)到教研相長的目的，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生能主動(dòng)提出問題，獨(dú)立思考，幫助研究生盡快進(jìn)入科研項(xiàng)目和課題研究的狀態(tài)。

2.4 促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的提高

課程改革不僅幫助學(xué)生掌握自然科學(xué)理論知識(shí)，而且還通過小組討論和翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生大膽地進(jìn)行自我表達(dá)，培養(yǎng)了學(xué)生良好的表達(dá)能力和組織能力，這些綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)和提高將使研究生在課題研究及今后的工作過程中獲益匪淺。

3 結(jié)語

本項(xiàng)課程改革基于科教融合的原則，將教學(xué)與科研在內(nèi)容和形式上有機(jī)融合和相互滲透。教師在教授知識(shí)的同時(shí)，注重引導(dǎo)學(xué)生參與科研項(xiàng)目和掌握相關(guān)理論知識(shí)的應(yīng)用。通過課程改革，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，而且促進(jìn)學(xué)生熟悉和掌握目前相關(guān)工程領(lǐng)域的技術(shù)前沿問題。在今后的課程教學(xué)中，可以進(jìn)一步以科研項(xiàng)目為引領(lǐng)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與更多的科學(xué)研究與探索，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生實(shí)踐能力。