理工科专业课科研嵌入式教学模式探索

    杨艳春 田晓 李卫

    摘 ? ?要：文章从嵌入式教学模式对于创新型人才培养的现实意义出发，以材料物理专业“薄膜材料与技术”课程为例，基于当前“薄膜材料与技术”课程教学现状与存在的问题，提出理工科专业课科研嵌入式教学实践策略。科研嵌入式教学模式综合理论、实践与科研的优势，将教学和科研相结合，通过实践应用巩固理论知识，以此培养学生成为具备创新型素质的人才。

    关键词：理工科专业课;材料物理;教学模式;薄膜材料与技术

    中图分类号：G642.3 ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? 文章编号：1002-4107（2020）05-0032-03

    一、科研嵌入式教学模式应用的意义

    “嵌入式”这一概念最初来源于计算机领域，在计算机领域里，嵌入式系统是将软件与硬件结合起来，进行综合性开发的系统，用于满足不同行业的人们对计算机的专业需求[1]。借鉴其综合性的特点，结合现代教育理念，教学工作者们提出了嵌入式教学模式这一概念，即在传统教学模式的基础上，依据不同学科及不同年龄段学生的需求，适度地嵌入一些国内外先进教学理念，使传统的教学模式变得多元化[2]。多元化教学模式会让课堂教学变得多姿多彩，不同学科的课堂需求也会促使教师对多元化教学模式的不断创新。对于理工科专业课来说，课程之间都存在着紧密的关联性，且内容学习都需要较强的逻辑性。任一理工专业课的主要知识点学习，学生都要对其有深刻的记忆，由此及彼，延伸到其他专业课的学习。如若所有的專业课教师都采取传统的灌输式授课方式，长期以往就会削弱学生对学习专业课的兴趣及求知的欲望，甚至还会产生厌学情绪。为了避免这样的情况发生，高校的理工科专业课课堂需要采用多元化的教学模式，调动学生课堂参与的积极性，提高学生学习专业课知识的兴趣以及课堂的教学质量。而且，授课教师通过采用多元化的教学模式，还可以实时了解学生掌握知识点的程度，及时得到学生对课程内容学习的反馈，有效改进现有的教学模式。最重要的是，多元化教学可以促使学生对课程内容进行多方面的课外拓展，这对课程建设及培养新型人才都具有重要的意义。

    本文中所指的多元化教学模式为科研嵌入式教学模式，即在科研课题实践的前提下，开展基础理论教学。在前期的科研课题实践过程中，学生通过操作实验，观察实验现象，得出实验结果。在此过程中，学生也势必会遇到各种各样的问题，这包括与之相关的实验原理理解、实验步骤操作、实验仪器使用、实验注意事项、实验结果异常等。如何解决这些问题，就为后期理论教学提供了索引条件。在后期课堂教学中，围绕课题实施过程中所遇到的问题，教师讲授与之相关的专业课知识，学生运用所学的专业课知识自主解决前期遇到的问题和难题。通过这样的方式，不仅能培养学生的学习能力，由之前的“被动”学习模式变为“主动”学习模式，还可以培养学生解决实际问题的能力，实现理工科大学生应具有的基本的专业技能。

    二、“薄膜材料与技术”课程现状

    “薄膜材料与技术”是材料物理专业中极具代表性的一门专业课，其所涉及的知识面较广，且学科交叉性较强，课程内容基本包括了物理、化学、材料、机械、电子等多学科领域。而内蒙古师范大学材料物理专业当前开设的专业基础课主要以材料学科和物理学科为主，知识点分布的领域较窄。显然，学生现有专业基础课的知识储备量不能满足该课程的需求。因此，笔者认为传统的讲授型教学模式不能完全适合“薄膜材料与技术”这门课程，教学方式需要进行有效的改革探索。当前，内蒙古师范大学材料物理专业“薄膜材料与技术”课程存在的问题如下。

    （一）课程内容体系不合理

    “薄膜材料与技术”这门课程主要由真空技术基础、薄膜的制备方法、薄膜微观结构、薄膜材料及应用等4大部分组成。其中，薄膜的制备及其微观结构方面的知识点在实践中应用范围最为广泛，是高新技术产业中多个领域的理论基础，也是本门课程中的重点和难点，而理解和掌握好这两部分内容需要应用到物理、化学、机械等多门学科的基础知识。

    目前，内蒙古师范大学材料物理专业的课程开设现状为：（1）现有的理论基础课未开设有关化学、机械、电子等学科的课程;（2）“薄膜材料与技术”是一门专业选修课，其总课时为36课时，包括32课时的课堂教学和4课时的实践教学，且主要以课堂讲授为主。由此可以看出，“薄膜材料与技术”这门课程所面临的困境——基础理论知识的缺失和总的课时数的不足。在这种情况下，任课教师仅仅依靠传统的教学方式授课，使学生能领会和掌握所学内容的重难点，其面临的教学难度可想而知。基于以上问题，结合内蒙古师范大学材料物理专业当前课程设置现状，有必要对本课程的教学模式进行改革。

    （二）教学设施相对匮乏

    “薄膜的制备方法”这一部分内容为“薄膜材料与技术”课程的重难点。其中的“薄膜的物理制备方法”的讲授与学习，更是需要基于大型真空设备的工作原理基础上进行，因此，对相关大型真空设备的详细结构以及工作原理的了解程度，也将决定着学生接受该内容的难易程度。由于当前缺乏这些设备，学生不能直观地观察设备的构造，学习其工作原理，不能通过切身体会来获得有关知识点，只能通过书本对其简单了解，甚至是依靠空间想象力去学习其结构组成。与亲身体会得到的知识框架相比，这种虚构式的基础知识构架势必会增加学生学习相关内容的难度，甚至影响到整门课程的学习成绩。以“真空蒸发法制备薄膜材料”这一节内容为例，该节内容涉及的知识点包括真空蒸发法的基础概念和真空蒸发法沉积薄膜原理。依据“真空蒸发法沉积薄膜原理”的内容结构设置，学生要想理解和掌握沉积薄膜的原理，就需要对其所用仪器设备进行基本了解，明确其详细的结构构造及工作原理。理解掌握了这方面的知识，学生就能较容易地理解固体三维材料由固态变成气态，再由气态变成薄膜的微观过程。这个实例也间接地表明了基础教学设施在实践性较强的课程教学中起着举足轻重的作用。往往大多数理工科专业课也都有一定的实践意义，都需要一些基础教学设施的辅助，因此，这方面的不足应该也是大多数理工科专业课教学所面临的困境，是亟待解决的问题。

    （三）学生的实践能力欠缺

    内蒙古师范大学材料物理专业属于工科专业，工科学科都是应用一些基础科学的原理，结合生产实践所积累的技术经验而发展起来的。工科专业一般都需要学生通过自己动手实施项目，以对其实际应用领域进行基础性了解。如若工科学生的动手实践能力不足，不仅会影响其对项目涉及的设备、软件等掌控，也将限制其在实践中解决问题的能力的培养，所以学生的动手实践能力在工科学科尤其显得重要。然而，当前理工科大学生的自主动手能力普遍比较薄弱，迫切需要加强训练。内蒙古师范大学是一所具有民族特色的综合性师范院校，在学生动手能力这一方面更为不足，尤其需要加强锻炼。由于“薄膜材料与技术”这门课程具有应用实践性较强的特点，因而学生动手能力不足的缺点在这门课程会尤其突出。可见，本门课程的重难点都是集中在薄膜的微观形成过程，而薄膜的形成过程又是依附于基础实验设备。如若学生无力掌控仪器设备，甚至对某些设备的构造、工作原理以及注意事项等内容的无知，势必会让学生在学习“薄膜的形成过程”等内容上感到吃力、无法掌握课程的重点和难点，以至于消极应对课堂学习。而理工科学科间具有横向密切关联的特点，这些束缚因素也可能会影响到学生对其他专业课程的学习，最后使其学习状态陷入恶性循环。为了避免此类事件的发生，我们需要对学生这方面能力进行深化培养，从而利于众多专业课的教学与学习。

    三、“薄膜材料与技术”科研嵌入式教学实践

    结合内蒙古师范大学材料物理专业的特色、新能源方向的发展需求及科技创新人才培养的目标，按照内蒙古师范大学材料物理专业的实际发展需求[3]，针对“薄膜材料与技术”课程存在的问题，我们从课程设置、设置科研课题、完善教学设备、教学模式等几个方面来分析与探讨“薄膜材料与技术”课程教学改革的有效措施。

    （一）重构课程体系

    为了使任课教师能在有限的课时内高效地完成该课程的教学目标，根据本课程具有的特殊性，结合内蒙古师范大学材料物理专业当前专业课程的设置安排，我们对本课程进行重新规划设置。初步计划是将课程教学模式设置为：以科研课题实践为前提，再结合传统的课堂教学进行讲授。首先，科研实践部分的课时量可设置为总课时量的40%。在这40%的课时中，学生以小组为单位，动手参与特定的科研课题。在具体实施的过程中，学生可以实地观察实验详情以及得出实验结果，小组间也可以就实验过程中遇到的问题进行讨论分析。这样的课前实践经历不仅能对随后所学的课程内容起到一个铺垫的作用，还能帮助学生在短时间内学习到与课程内容相关的其他学科知识。其次，在余下的60%课时里，教师通过课堂教授相关的专业知识，引导学生应用所学知识解决实验过程中遇到的问题，加深学生对教学内容的理解力和记忆力。重新规划后的课程模式，不仅能使学生在最短时间内迅速地获取与课程内容相关的课外知识，提高课堂学习的效率，也能使授课教师高效地完成该课程的教学目标。

    （二）优化科研课题内容

    科研课题的设置将决定科研嵌入式教学模式能否顺利实施，当属该教学模式最重要的一个环节[4]。因此，合适的科研课题也将影响整个理论课程的教学质量。“薄膜材料与技术”是内蒙古师范大学材料物理的专业选修课，众所周知，专业选修课的设置意义就是为了拓宽学生的专业知识面与深化学生的专业技能，并且本科教育更注重培养学生的科学思维能力、创造能力、创新精神。因此，制定的科研课题内容既要包括专业课程所涉及的重要基础内容又要训练学生判断和解决问题能力。基于这两点要求，考虑到内蒙古师范大学材料物理专业新能源材料与器件团队的研究方向与“薄膜材料与技术”这门课程有高度的契合性，就团队教师现有的研究方向，制定出多个符合要求的科研课题。例如关于“真空蒸发法制备薄膜”这一节内容，最后确定的科研课题是“热蒸发法制备氧化物薄膜”。选择这一课题的原因有三点：（1）热蒸发法是真空蒸发法的典型代表之一;（2）选择氧化物材料是便于学生在实验过程中能直观地观察实验过程;（3）该课题在具体的实施过程中，蒸发所用电流对实验结果有较大的影响，高要求的电流设置也能让学生对电流的作用有深入的思考。时效性与延续性并存的课题当属最适宜。实践经历，既可以服务于本门专业课程的课堂讲授，提升课堂的教学质量，也能锻炼并提升学生的科学思维能力，从而更好地完成本科生教育的培养目标。

    （三）完善基础教学设施

    基础教学设施的完善是实施科研课题的必要条件。依据设置的科研课题，购置必需的基础设备，对科研课题的顺利实施起着决定性作用。所谓的合适设备是指设备的技术参数要求应该是介于科研和教学之间，既不能像专用科研设备那样精密，也不能像普通教学设备那样简化。如学生在完成“热蒸发法制备氧化物薄膜”课题过程中采购的设备是高真空电阻蒸发镀膜机，与专用科研蒸发镀膜机相比，该镀膜机的特点是设备一体化设计，操作流程简单方便，而且它的腔体是由透明玻璃钟罩和不锈钢底座组成。透明玻璃钟罩的设置能方便学生实时观察实验的现象，而玻璃钟罩和不锈钢底座的组合也能使设备达到较高真空度，这也是一般基础教学设备无法满足的。尽管许多课题是依据内蒙古师范大学新能源材料与器件团队中的教师的研究方向设置，但是科研目标和教学目标的不一致导致现有的科研条件还不能完全满足教学科研课题的设置要求，仍需要继续完善基础教学设施，以便该教学改革方案的顺利实施。

    （四）采取讨论式教学

    讨论式教学模式是以学生为主体的教学模式。在课堂教学过程中，教师发挥的作用是指导性的，主要是学生的自我学习过程。课堂上，首先，任课教师讲授相关的理论知识;其次，以科研过程中遇到的问题为例，采取师生互动讨论的教学方式，教师与学生就问题一起讨论、分析;最后，学生对问题的解决方案进行总结。这样的教学模式不仅调动学生课堂参与的积极性，使其融入到科研课题的实践情景中，还可以将课堂所学内容应用到科研实践中，做到学以致用。此外，学生就前期问题也可进行小组交流与讨论，一方面促进其对课程内容的深化理解，另一方面也能受到他人良性学习方式方法的启发，从而发现自己的不足之处。

    但也需要注意以下几个问题：（1）教师需要把握好课堂上的所授知识点的侧重性。由于学生已经有初步的实践经历，如教师在课堂上仍旧讲解一些基础的知识点，则会让学生认为课堂教学与实践教学重复性太多，从而失去课堂学习的积极性。（2）教师要把握好讲授与讨论分析的主次。讨论占用太多课时的话，会使学生对所学知识点的理解不透彻，容易使课程的教学质量下降;分析太多问题的话，又会使课程的侧重点偏离，甚至课程的性质也会发生改变[5]。（3）在教学过程中，尽可能采取以学生独立思考问题、相互讨论为主的教学方式。这样教师不仅能够迅速发现学生对知识点的领会程度，而且也可以锻炼学生自主解决问题的能力，从而提高学生学习能力。

    将科研课题恰当地嵌入到理工科专业课教学中，既突出了教学内容的实用性，又增进了专业知识的科学感。重要的是，这种教学模式可以借助学生对实验现象的好奇心，激发理工科学生学习专业课的兴趣，调动学生主动学习专业知识的积极性，引导学生对所学专业知识进行自我拓展，拓宽学生对材料领域的知识面。科研课题的设置也可以提升理工科大学生动手操作的能力，锻炼学生自主地发现问题、解决问题的能力，培养学生成为合格的21世纪复合型人才。学生综合能力的培养和提升也将为他们今后的继续深造、就业创业奠定了有力的基础。当然，在推动“科研课题嵌入专业课教学模式”教学改革实施的过程中也出现了教学资源占用较多、教学成本较高等问题，因此还需要不断探索和进一步完善。

    參考文献：

    [1]郑丹，刘晓林.xMOOC在大学英语嵌入式教学中的运用[J].长江师范学院学报，2018，（3）.

    [2]匡迁.服装设计大赛嵌入式教学探索[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2017，（7）.

    [3]欧梅桂，杨春林，刘其斌.理工科双语教学改革探索——以材料物理专业《材料学导论》为例[J].教育教学论坛，2018，（33）.

    [4]侯成香，唐旭东，康国平，等.科研实践与课堂教学相结合培养创新型人才[J].高教学刊，2018，（16）.

    [5]郭玮.微课嵌入式教学方法实践探索——以《基础汉字学》课程为例[J].中国教育信息化，2014，（14）.