并行式實驗教學模式提高學習內(nèi)驅(qū)力的探索

0 引言

隨著我國高等教育向大眾化、規(guī)?；七M，人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)已發(fā)生深刻變化，主要體現(xiàn)為本科教育從單一教育層次轉(zhuǎn)變?yōu)閷W術(shù)型、應(yīng)用型、職教型“三元并舉”本科教育體系[1]。2023年教育部等五部門印發(fā)的《普通高等教育學科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》明確指出，主動適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，主動服務(wù)制造強國戰(zhàn)略，圍繞“新的工科專業(yè)，工科專業(yè)的新要求，交叉融合再出新”，深化新工科建設(shè)，加快學科專業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。地方本科院校是我國本科高校的最大群體，其新工科建設(shè)的速度直接影響著應(yīng)用型高等教育發(fā)展的整體速度。

實驗教學作為應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)的重要組成部分，在新工科建設(shè)中的作用不容小。針對實驗教學改革，很多地方高校都開展了創(chuàng)新與實踐探索。例如：南方科技大學魏艷等[2針對新工科人才的工程實踐能力培養(yǎng)，形成了一整套系統(tǒng)化、可推廣的解決方案。面向未來新興產(chǎn)業(yè)需求，構(gòu)建“產(chǎn)一學一研一用”深度融合的實踐機制，探索出三維貫通融合的本科工程實踐教學體系。寧波工程學院郭建亮等[3]針對傳統(tǒng)教學模式缺乏知識載體作為牽引目標的弊端，提出以知識體系重構(gòu)為核心的項目化教學法，將六關(guān)節(jié)機器人開發(fā)作為案例，把涉及的知識點加以組織和重構(gòu)，形成了應(yīng)用開發(fā)型知識體系。浙江農(nóng)林大學周國泉等[4在大學物理實驗教學探索與實踐中，構(gòu)建了“三性四度”的課程體系，以學習產(chǎn)出為導向，開發(fā)了具有工程背景的專業(yè)特色實驗項目，融入科技前沿知識和信息化技術(shù)。盡管實驗教學改革的形式多樣、內(nèi)容各異，但其核心目標一致一充分調(diào)動學生的主觀能動性，增強學生學習的內(nèi)驅(qū)力[5]。具體而言，就是引導學生通過獨立分析、探索、實踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法達成實驗?zāi)繕耍莻鹘y(tǒng)接受式、模仿式或驗證式的實驗方式。

很多“雙一流”高校，為培養(yǎng)學生的科研興趣，提高本科生對前沿科技的了解，幾年前就針對學有余力的學生開展了項目化的科創(chuàng)項目[6。但陜西理工大學作為普通的一本院校，高分子專業(yè)每年招收的學生僅為超過一本分數(shù)線 5～10 分的學生，一些學生自控力較弱，很容易受到外界的影響，意志力也不強，遇到困難會有畏難情緒；此外， 80% 的學生來自縣級高中，而陜西地處西北地區(qū)，學生思想相對保守，遇事缺乏自信，不善于融會貫通。通過多年的實驗教學發(fā)現(xiàn)，在陜西理工大學這類高校的工科專業(yè)中，學有余力且對科研興趣濃厚的學生占比很小，因此不能簡單照搬“雙一流”高校的項目化科創(chuàng)項目模式來提升學生的學習內(nèi)驅(qū)力和科研興趣。

為了確保所有學生都能達到專業(yè)培養(yǎng)目標中的畢業(yè)要求，必須對實驗教學模式和方法進行改革。傳統(tǒng)的通識性專業(yè)實驗?zāi)Ｊ诫m能有效驗證和鞏固專業(yè)知識，但在激發(fā)學生學習興趣、提升學習內(nèi)驅(qū)力方面效果有限；而若完全使用項目化的實驗教學模式，又會導致知識零散、不系統(tǒng)，學生在實驗中遇到困難時也容易產(chǎn)生畏難情緒。結(jié)合學校高分子專業(yè)的實際情況，經(jīng)過多年的探索與改革，最終形成了面向全體本科生的并行式實驗教學模式，在人才培養(yǎng)和專業(yè)目標達成方面發(fā)揮了重要作用。

1學校高分子專業(yè)實驗的現(xiàn)狀分析

陜西理工大學高分子專業(yè)自2001年成立以來，二十余年間實驗教學歷經(jīng)多次改革。最初，實驗教學從“課實驗”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩嶒炚n”，隨后又從單一理論支撐的實驗課升級為多課程綜合支撐的實驗課程體系。目前，高分子專業(yè)實驗課程體系涵蓋課程配套實驗和綜合性實驗兩大部分。課程配套實驗涉及有機化學、化工原理、材料科學基礎(chǔ)、高分子化學和高分子物理等課程的相關(guān)實驗；綜合性實驗則包括電工電子實習、機械工程訓練和專業(yè)綜合實驗等實踐訓練項目。

然而，現(xiàn)有的實驗課程體系仍存在一些不足和問題。課程配套實驗內(nèi)容雖獨立，但各實驗課程間聯(lián)系松散，綜合性實驗也僅與對應(yīng)課程相關(guān)，知識融合度低，缺乏系統(tǒng)設(shè)計。盡管實驗內(nèi)容充實，但靈活度不夠，教學主要以灌輸式講授、教師演示、學生操作的模式進行，實驗教學缺乏創(chuàng)新，學生能夠拓展和創(chuàng)新的空間有限，導致學生的實驗興趣不足，學習熱情和內(nèi)驅(qū)力未被充分調(diào)動[]。此外，曾嘗試將教師科研項目轉(zhuǎn)化為設(shè)計性和綜合性實驗項目，但因?qū)W時限制，這些項目難以在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)完成。

2并行式實驗教學模式的實施

2.1并行式實驗教學模式介紹

以提升應(yīng)用型工科學生的學習內(nèi)驅(qū)力為目標的項目化實驗教學，將實驗項目作為知識的載體，引導學生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而不斷鞏固專業(yè)知識。具體實施方式如下。

在學生大一第一學期，確定專業(yè)方向后，為每名學生配備學業(yè)導師，學業(yè)導師根據(jù)高分子專業(yè)的畢業(yè)要求和教師自己的科研方向，設(shè)計實驗項目。以實驗項目為主線，在完成實驗項目的過程中，主要以學生自主學習與項目實驗相關(guān)的專業(yè)知識為主，對于較簡單的知識，學生可以查閱資料，相互討論，自學式學習；對于較復雜的知識，教師則通過講授、答疑解惑等方式幫助學生串聯(lián)相關(guān)知識。項目化實驗與通識性專業(yè)實驗采用并行式模式，二者相互輔助。在項目化實驗中，對于需要創(chuàng)新性應(yīng)用解決的問題，采用教師引導與學生實踐相結(jié)合的方式。最終，形成了如圖1所示的并行式實驗教學模式。

2.2項目化實驗教學舉例

光敏3D打印的英文名稱“StereolithographyAppearance”，中文全稱立體光固化成型法，屬于光聚合固化的增材制造技術(shù)，使用光源（如激光或投影儀）將液態(tài)樹脂固化成硬質(zhì)塑料。光敏3D打印機使用一種稱為樹脂的光反應(yīng)熱固性材料，即光敏樹脂。光敏3D打印作為高技術(shù)制造領(lǐng)域的典型代表，可以兼顧高分子產(chǎn)業(yè)從合成到成型的各個階段。以光敏3D打印項目化實驗為例，將高分子合成、成型、計算模擬、儀器分析等相關(guān)知識融入實驗項目教學，讓學生在實驗中通過發(fā)現(xiàn)問題、自主學習、解決問題等過程，激發(fā)學生學習內(nèi)驅(qū)力，提高解決復雜工程問題的能力。圖2為光敏3D打印項目化實驗流程，包括學生需要自主學習的相關(guān)課程知識，以及項目完成后所能達成的畢業(yè)要求。

學生首先需要查閱相關(guān)資料，制定初步的研究方案。在此過程中學生要學會資料的查閱、整理，對查閱的資料認真分析，設(shè)計自己的實驗方案，并對此實驗中的安全隱患、操作風險等有清晰的認識。由于項目實驗沒有固定的課時安排，利用的是課外自由時間，因此，實驗的進度、時間安排和各階段需要達成的目標都需要進行合理的規(guī)劃。研究方案初步確定后即可進入實驗室開始實驗。

該項目實驗包括光敏樹脂的合成和3D打印模型的建立兩個部分。在合成樹脂時，要對所使用的原料有清晰的了解，包括各成分的分子式、分子中各官能團的性能、聚合機理、聚合條件和聚合工藝等。在建立3D打印模型時，要熟練掌握工程圖學、機械模型的形狀和結(jié)構(gòu)以及常用的三維繪圖軟件等知識。

在實驗室初步合成出光敏樹脂后，就可以在3D打印機上進行打印，此時學生不但需要熟練使用打印機，而且在打印出現(xiàn)問題時，要找到問題原因和解決辦法；問題的出現(xiàn)是多方面的，如光敏樹脂的活性不高、3D模型的缺陷、打印機設(shè)置不匹配等；在解決問題的過程中，學生的學習積極性非常高，通過查閱資料、修改配方和工藝、調(diào)整設(shè)備等手段不斷嘗試，直至問題解決。最后，學生在實驗室里合成出合格的光敏樹脂，并利用3D打印機打印出各種形狀的產(chǎn)品。

在整個項目化的實驗過程中，學生不僅學會了如何解決實際的高分子材料合成與加工相關(guān)的設(shè)備、工藝和產(chǎn)品質(zhì)量等方面的復雜工程問題，還培養(yǎng)了一定的創(chuàng)新能力，為將來從事高分子材料相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理工作打下了基礎(chǔ)。同時，學生自主獲取知識、終身學習和自我提高的能力也得到全面提升。

3并行式實驗教學實施效果

3.1通識性專業(yè)實驗與項目化實驗相互促進

與傳統(tǒng)的通識性實驗教學相比，項目化實驗教學需要學生更加主動地參與實驗，實驗中所涉及的專業(yè)知識、實驗方法等學習內(nèi)容也需要學生自主學習。這種教學模式顯著增強了學生的實驗參與感，提升了他們的學習意愿。項目化實驗不僅提高了學生的自主思考能力和團隊協(xié)作精神，還極大地激發(fā)了他們對專業(yè)知識的學習興趣，理論課到課率和專心聽講的人數(shù)也逐年增長。由于項目化實驗內(nèi)容均來自生產(chǎn)一線或教師的科研課題，因此，這種實驗教學模式不僅拓展了學生的科研能力，還鍛煉了他們的工程實踐能力。實驗教學從傳統(tǒng)的“填鴨式”灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑А⒔M織和促進學生自主學習，學生也從被動接受變?yōu)橹鲃舆x擇。由于是分小組進行實驗，不善于思考、學習惰性強的學生在同組學生的帶動下也變得樂于解決問題，學生學習內(nèi)驅(qū)力明顯增強。在通識性專業(yè)實驗中，學生對學過的理論基礎(chǔ)和已開展的實驗內(nèi)容也有了更深入的理解和掌握。

3.2學生成果豐碩

實驗教學的改革顯著提升了學生對專業(yè)知識的掌握，促進了工程思維的培養(yǎng)，增強了實踐操作能力。例如，學校高分子專業(yè)2016級學生依托長錦新材料有限公司的原料和生產(chǎn)工藝，選用線性低密度聚乙烯（LLDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和茂金屬聚乙烯（m-LDPE）三者共混體系，將另外一個組的學生自主合成的苯丙并吡咯二酮類（DPP）物質(zhì)加入大棚膜中，得到可以阻隔紫外線的草莓專用棚膜，該成果在2019年的第七屆中國大學生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得二等獎。高分子專業(yè)2018級本科生的項目化實驗“聚乳酸的改性及性能研究”，通過 2～3 年的實踐，利用溶液一熔融共混的方法制備了不同導電填料含量的多壁碳納米管（MWCNT）／立構(gòu)復合晶（SC）／聚乳酸（PLA）導電復合材料?；诖耍瑢W生在核心期刊上發(fā)表論文《碳納米管和立構(gòu)復合晶對聚乳酸／碳納米管復合材料結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控》[7，并成功獲批2020 年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓練項目。高分子專業(yè)2018級本科生參與的“可降解微針的研制”項目化實驗，將新型可降解聚乳酸塑料作為給藥載體，研發(fā)了可降解無痛微針，并在2022年“互聯(lián)網(wǎng)十”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽陜西賽區(qū)總決賽中獲得銅獎。通過兩年多年的探索，2021級本科生的“光敏3D打印”項目化實驗取得了顯著成果，“用于SLA打印的PSPI樹脂的開發(fā)”獲批2023年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目；2024年3月在核心期刊上發(fā)表論文《光敏活性劑含量對PSPI薄膜性能的影響》[8]；同年4月，項目“3D打印樹脂產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”在校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲金獎，并被推薦參加2024年省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。2019—2023年項目化實驗學生成果如圖3所示。

4結(jié)束語

高分子專業(yè)屬于材料類專業(yè)，因此具有材料類專業(yè)的優(yōu)勢一—項目式實驗對本科生的專業(yè)課程學習要求不高，可以在具有少量專業(yè)知識的基礎(chǔ)上開展，邊實驗邊學習。學生從大一開始參與項目實驗，有足夠的時間完成項目任務(wù)，且該類實驗可與通識性專業(yè)實驗并行實施。

陜西理工大學高分子專業(yè)的學生人數(shù)不多，一個專業(yè)導師只需要指導 3～5 名本科生；專業(yè)教師中，高級職稱教師和博士學位教師的占比超過90% ，教師的科研能力和個人素養(yǎng)都比較高，完全勝任項目化實驗的指導需求。

經(jīng)過多年實踐證明，項目化實驗與通識性專業(yè)實驗并行式的實驗教學模式能夠有效激發(fā)學生的學習積極性，助力其更好地掌握專業(yè)知識，顯著增強學習內(nèi)驅(qū)力，在高分子專業(yè)人才培養(yǎng)方面已初見成效。

5 參考文獻

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