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工科类院校一年级新生开展专业先导实验课教学的探索与实践

范文

陈立强蒋小华郑树启陈长风郝世杰

[摘要]针对目前国内大多数工科类院校普遍存在专业实验课一直被动地附属于专业理论课的问题，高校可以在本科一年级新生中开展专业先导实验课的实验教学新理念，把在本科三、四年级开设的专业实验课中一些相对基础简单、比较容易掌握的实验内容部分有选择地向前延伸到本科一年级进行。中国石油大学（北京）材料专业设计了专业先导实验课的教学主题、教学目标和教学模式，并且连续三年在材料专业本科一年级新生中开展了专业先导实验课的教学实践，探索形成了专业实验教学新模式。教学反馈结果表明，专业先导实验课教学极大提高了材料专业一年级新生对本专业的认可度和学习兴趣，促进了学生后续专业理论课的学习，在培养学生自主学习能力、动手实践能力和团队协作能力等方面取得了显著的教学效果。

[关键词]问题驱动;知识建构;材料专业;专业先导实验;教学模式

[中图分类号]G642.421 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0009-05

本科工程创新复合型人才的培养是目前我国工科类院校所面临的难题之一，同时也是一个艰巨挑战。工科类院校本科生工程能力和创新能力的培养不是一朝一夕、一蹴而就的，而是一个渐进、系统、复杂的过程。实验教学是培养学生工程能力和创新能力最重要的途径和手段。目前国内工科类院校普遍存在实验课多为演示性和验证性实验，设计性、探究性和综合性的实验少，实验课一直被动地附属于理论课等问题。高校要如何突破现有的实验教学理念、课程体系和教学模式，使实验教学真正有力地支撑本科工程创新复合型人才的培养目标？我们以中国石油大学（北京）材料专业为例，在实验教学改革方面进行了初步的探索实践。

一、教改背景

与国内大多数工科类院校相似，中国石油大学（北京）材料本科专业的实验与实践教学课程体系在本科大一和大二阶段主要是公共基础课實验、计算机辅助绘图、专业认识实习、电工电子实习以及金工实习，在大三阶段主要是各个专业理论课的课内实验以及生产实习。同时在一、二、三年级本科生中开展大学生科技创新活动，大四阶段主要进行课程设计和毕业论文，其中单独设置的实践教学环节总共40.5学分，而分散到各个专业理论课的课内实验有68学时。现有材料专业本科实验教学体系、教学模式与考评方式存在以下一些问题和不足：1.在专业基础理论课学习之前，大多数学生没有进过专业实验室，没有开展过一定的专业实验探索尝试，缺乏对专业理论知识的感性认识和学习兴趣，很少能带着问题去学习专业基础理论课。2.很多专业理论课都安排了课内实验，但实验内容和时间安排比较分散，实验学时有限，并且受到实验室人员、场地及设备数量的限制，很多实验学生只能简单重复地按照实验指导书去做，实验探究机会不多，学生做实验的主动性和积极性不高。3.实验教学考核评价方式片面单一，教师主要依据学生提交的实验报告进行打分，没有体现在专业实验中是否开展了提问讨论、自学探究以及团队合作等考评内容，不能真实地反映专业实验的实际教学效果。4.通过对我校材料专业大四阶段学生课程设计的多年调查结果显示，学生往往是在进入课程设计阶段才意识到自己的实验动手能力实际上很差。像磨抛金相试样、观察金相组织、制备电极试样、测试极化曲线等以前做过的实验，在学生提交的课程设计报告中，很少有令人满意的金相组织照片和电化学测试数据。很多学生是在完成课程设计的过程中通过自主开展实验才使自己的实验技能和动手能力有所提高的。以上这些问题不利于培养学生的自主探究能力、动手实践能力和团队协作能力，不能满足本科工程创新复合型人才的培养目标要求。

针对上述材料专业本科实验与实践教学课程体系、教学模式与考评方式存在的问题，我们在本科实验教学的新理念、新模式方面进行了深入思考和探索。能否在材料专业本科一年级新生中开设浅显易懂、导论概述性质专业理论课的同时，开展学生专业先导实验教学，让学生先开展专业实验技能体验，后进行专业理论知识学习？具体地说，就是对现有全部专业实验内容重新进行梳理整合，把其中一些相对基本简单、比较容易掌握，同时又能激发一年级新生对本专业的认可度和学习兴趣，并能促进学生后续专业理论课学习的实验内容，部分有选择地向前延伸到一年级新生中进行，通过降低专业实验课的难度和要求，制定合理可实现的专业先导实验课教学目标和具体可操作的教学模式，采取灵活的教学组织管理方式以及过程评价与结果评价相结合的考评方式，培养学生的自主探究能力、动手实践能力和团队协作能力，使实验教学能够真正有力地支撑本科工程创新复合型人才的培养目标。

二、教改理论依据

根据目前国内工科类院校本科课程设置体系框架和教学模式，本科新生入学后就会按照事先制定好的专业培养计划“被”培养，学生根据各自专业培养计划设置的课程体系按部就班地开展相应的课程学习。学生通常在本科一、二年级阶段主要完成公共基础课学习，在本科三、四年级阶段主要完成专业课学习，专业课学习通常是先进行专业理论知识学习，后开展专业实验与实践。大多数工科类院校本科的专业实验与实践教学环节都集中在本科三、四年级阶段开展。教师、学生以及教学管理者也都普遍形成了专业实验与实践教学通常在专业理论教学之后开展这样一个思维定式和误区。突破传统专业实验教学理念，改变现有课程教学体系框架和专业实验教学模式，把以往在本科三、四年级阶段开展的部分专业实验内容部分有选择地向前延伸到本科一、二年级阶段进行，这可以从问题驱动探究与知识自主建构的教育理论中找到依据。

对于刚刚进入大学的本科新生来说，大学的课程教学体系就好比一个庞大复杂的知识体系迷宫，顺利地穿过这个知识体系迷宫就可以毕业进入社会。每个本科生从一开始就面临着进入知识体系迷宫，寻找出口，最终完成学业的艰巨挑战。而我们目前的教学理念和教学模式就是根据不同的专业预先制定好培养计划方案，这就好比是预先设计了一份份走出知识体系迷宫的导引图，学生只是根据这份导引图按图索骥才能走出知识体系迷宫。其导致的问题是学生只能被动地、单向地按照现有已设计好的导引图去走出知识体系迷宫。除此之外，学生是否可以尝试其他途径，例如通过专业先导实验教学，在专业先导实验过程中发现问题，提出问题，产生主动探究的驱动力，以自主学习、自我规划并辅以教师设疑指导的方式，双向建构真正属于自己的知识体系迷宫的导引图。

知识自主建构就是学习者带着自己的经验背景与一定的情境进行互动，主动地对情境中的信息做出理解和判断，学习者可能运用原有的知识经验和智慧，来对问题情境做出推测和假设，并通过活动或讨论和检验这种假设的合理性;也可能参照他人的知识经验，但这些知识不是定论，而是需要他们自己分析、鉴别、评价的假设或见解。学习者要借助这些知识，形成自己对当前问题的理解，建构起真正属于自己的知识结构和价值判断。学习就是通过新、旧经验的相互作用来丰富或调整原有的认知结构的过程，是知识经验的生长，而不是简单的知识注入。在通常的教学环境下，学生对新的专业知识点认知，一般不存在多大的困难。但问题往往不在于对知识本身的获知，而在于知识的获得过程，即这个知识是怎样地被建立起来的，学习者的各种能力也正是在这个知识建构的过程中被培养出来的。就知识的价值而言，其有着两个层面的意义：一是知识本身所含的“实用”价值，学习者可以运用这些知识去解决问题，从事某种创造性的活动。二是知识形成过程的“思辨”的价值，即获得知识的认识途径，运用这些知识“力量”去进行认识和思辨，并创造出新的知识，拓展知识领域，发展思维创新能力。前者是静态的知识，后者就是动态的知识。动态的知识是有生命力的，这种生命力能使学习者不断地使自己的知识“增值”，构建自己的认识体系。欧美国家早就在小学阶段就开展这种类似问题驱动探究与知识自主建构的教育训练。美国一个小学生就开始做从专业人士的角度看都很难回答的社会历史或专业技术问题的调查小报告或研究小论文，尽管没有系统地学习专业背景知识，过程方法不严谨，结论可能也很稚嫩，但整个教育过程中孩子兴趣盎然，完成得也有模有样，孩子的独立思考能力、自主学习能力和动手实践能力都得到了培养锻炼。反观目前国内大多数工科类院校的教学理念、课程体系和教学模式仍然存在重教轻学、先教后学、先理论学习、后动手实践的问题，这与本科工程创新复合型人才的培养目标极不适应。解决之道，可以从改革工科类院校现有实验与实践课程教学体系着手，从以教师教为主，过渡到以学生为中心，教师为学生搭建开放的自主探究实验平台，引导学生主动开展实验探究，把教师支撑辅导和学生问题驱动探究、知识自主建构有机地结合起来，最终形成有利于培养本科工程创新复合型人才的专业先导实验教学新模式。

三、教改設计方案

材料专业本科课程教学体系的核心内容是通过专业基础理论课的学习，让学生理解和掌握材料专业相关的基本概念理论、重要原理知识，在此基础上，通过后续专业理论课学习主要让学生理解和掌握材料成分一加工工艺一组织结构一性能之间的相互关系、材料组织结构性能测试表征的原理方法等内容。专业理论课的课内实验教学内容也都主要是围绕着这些核心内容展开的。我们对材料专业现有专业理论课的课内实验教学内容重新进行全面梳理和分析，磨金相、打硬度、测电位在所有的专业实验教学内容中相对简单基础，也比较容易掌握，同时也有利于激发材料专业大一新生对本专业的认可度和学习兴趣，因此设计了“磨一次金相、打一次硬度、测一次腐蚀电极电位”的专业先导实验教学方案。

以“磨一次金相”为例，尽管一年级新生没有上过相关专业理论课，对晶体结构与缺陷、晶粒晶界、微观组织、铁素体、珠光体等与金相实验密切相关的很多材料专业的基本概念和理论知识都不清楚，但学生可以在教师的启发引导下，基于教师搭建的专业先导实验教学自主探究平台，以自己已有的经验和认知结构为起点，结合对专业文献资料和教材的查阅，开始进行自己首次专业实验的探索。学生在专业先导实验探索的过程中肯定会遇到一些困难，并不断产生疑问，例如什么是材料的金相组织？怎么才能把一个金属试块磨成如镜子一样光亮鉴人？通过什么方法才能看到材料内部微观组织？不同材料的金相组织为什么有差异？材料的金相组织与其性能又有什么关系？这些疑问将随着专业先导实验进行，有的问题可以在实验探究和自主学习的过程中逐渐明白、得到解答，而有的问题和困难可能涉及对专业基本概念和理论知识更深入、更全面的理解，这些问题和困难会一直延续到后续开展专业基础理论课学习中，通过教师讲授而有了深刻理解，豁然开朗，融会贯通，从而完成专业基本概念和理论知识双向自主建构的全过程。

在“磨一次金相”专业先导实验教学方案中，我们首先设计了合理可实现的专业先导实验课三个层次教学目标。1.知识目标：使本科新生了解金相组织的概念及相关专业基本知识，初步学会金相试样制备方法以及使用光学显微镜观察分析金相组织方法。2.能力目标：锻炼学生的自主学习能力、动手实践能力、沟通表达能力以及团队协作能力。3.素质目标：培养学生求知探索精神、严谨认真态度、客观公正理念和艺术审美修养。

为了达成上述专业先导实验课的教学目标，我们设计了具体可操作的专业先导实验教学模式。“兴趣是最好的老师”。我们首先提炼出一个专业先导实验课的教学主题——“材料，你想象不到的微观之美：金相组织”。教师可以通过PPT教学课件展示，让学生观察体会材料微观世界与宏观自然现象有着惊人相似之处，引导学生欣赏赞叹材料的微观世界之美，唤醒学生观察材料微观组织的强烈好奇心，激发学生探究相关专业知识的浓厚兴趣。当学生产生强烈好奇心和浓厚兴趣后，引导学生了解专业先导实验课的主要实验内容，即如何制作一个合格的金相样品以及如何观察金相样品的微观组织。教师通过课堂演示讲解，使学生对金相样品制备和金相组织观察的实验过程、基本方法以及实验所用仪器材料有一个初步的了解。教师可以搭建蓝墨云班课APP手机移动教学平台，利用平台给学生推送教学课件、实验指导书、实验操作教学视频以及课外拓展参考资料，学生可以随时随地开展自主探究学习和小组合作学习，在正式开始专业先导实验前了解和掌握相关的专业知识，从而达成专业先导实验课的知识目标。

在专业先导实验课教学组织管理方面，我们设计了小组接力合作与竞赛评优的教学组织管理方式。所谓小组接力合作就是男女生搭配，自由组合，5-6人一组，各选出组长负责本组相关事宜。在专业先导实验课的整个过程中，组长协调安排，小组成员通过依次逐个以传帮带的方式开展实验。小组内先完成实验的成员总结自己做实验的经验教训，传递给组内下一个准备做实验的成员，并提供实验帮助和指导。因此小组内每个成员都能独立完成金相样品制备和微观组织观察的实验操作，通过小组合作真正地参与到专业先导实验的探索过程中。完成实验后，小组每个成员都必须提交一幅金相样品的宏观照片、三幅100倍不同视域金相组织照片和三幅400倍不同视域金相组织照片。每幅图片要标注材料名称编号、放大倍数、侵蚀剂、侵蚀方式。除此之外，每个成员还可以对自己完成的金相组织图片使用图像处理软件工具进行后期创意加工。每个成员的金相组织照片和创意作品照片首先在组内进行互评，推选出组内最优秀的金相照片和创意作品代表本组参加年级竞赛评优。年级竞赛评优采取小组ppt展示答辩的方式，由教师进行现场提问点评，教师将根据不同材料金相观察的难易程度、金相组织照片是否有划痕及其数量多少、金相组织轮廓是否侵蚀的清晰、是否反映材料组织结构特征、对相关材料专业知识了解及掌握程度、小组合作有效性以及实验过程创新思路方法等方面进行评价打分，评选出最佳金相组织照片奖、最佳团队奖、最佳创意奖，同时选出1名优秀学生代表学校参加全国大学生金相技能大赛。通过小组接力合作与竞赛评优的教学组织管理方式设计，既可以培养学生动手实践能力、沟通表达能力、团队协作能力，又能培养学生严谨认真态度、客观公正理念、艺术审美修养，激发学生争先创优意识，从而达成专业先导实验课的能力目标和素质目标。

在专业先导实验课教学考核评价方面，我们设计了过程评价与结果评价相结合、教师评价打分与学生自评相结合的考评方式。学生在进行专业先导实验自主探究的过程中，要同时完成教师设计的实验过程详情记录表任务，学生可以通过文字、照片、视频等方式详细地记录实验过程中的所思所想、所问所答、交流讨论、实验操作、数据结果、经验教训、感想体会等内容。专业先导实验课结束进行总结时，各小组还要完成教师设计的小组自评打分表，小组组长要从合作意识、参与程度、工作贡献等方面给小组成员评分，同时组长和组员要相互写出一句话评价。最终的专业先导实验课成绩由实验过程详情记录表（20%）、小组自评打分表（15%）、蓝墨云班课APP经验值（15%）、展示答辩（20%）、实验总结报告（30%）来确定。

在学生开展专业先导实验的整个过程中，教师除了在实验室跟随指导答疑，协助学生解决实验过程中可能出现难以克服的问题之处，还要保证实验过程安全，掌握实验完成进度，同时还可以利用蓝墨云班课App手机移动教学平台，与学生课外实时在线互动答疑，及时跟踪、检查、了解实验前和实验过程中学生自主探究学习、小组讨论以及团队合作等情况，给予相应的指导。

四、教改实践与调查反馈

我们从中国石油大学（北京）材料专业2015级新生开始，连续三年开展了专业先导实验课教学的实践探索。专业先导实验课通常安排在一年级春季学期4月下旬进行，历时四周。教师首先用一堂课时间，通过PPT课件展示讲解，引导学生进入材料内部的微观世界，欣赏材料的微观世界之美，唤醒学生观察材料微观组织的强烈好奇心，激发学生探究相关专业知识的浓厚兴趣。PPT教学课件展示如图l所示。然后教师向给学生简单介绍专业先导实验课的实验内容和实验方法、教学目标、教学组织管理方式、任务要求、考核评价方式、实验支撑平台和安全注意事项，让学生对如何开展专业认识先导实验课有一个全面认识。

课后第一周时间，学生参考教师课堂讲授内容和教师在蓝墨云班课APP手机移动教学平台上推送的相关文献资料，开展自主探究学习和小组合作学习，完成小组实验预习报告。蓝墨云班课APP机移动教学平台由教师在课前搭建好。为了保障实验教学安全，新生在正式进入专业实验室之前，要通过网络学习进行实验室安全教育培训，并通过学校实验室安全教育培训认证考试。完成上述任务后，各小组把小组实验预习报告和安全认证考试合格证书提交到蓝墨云班课APP手机移动教学平台。

在接下来三周的时间，各小组成员在固定实验时间内以接力合作方式开展实验探索。以2017级新生为例，所有学生分成15组，一组6人。每次实验时，一组一人，共分六次，根据时间顺序安排表完成实验。第一次实验，各小组组长在教师指导帮助下完成，后续的五次实验以各小组成员接力合作方式完成。小组已完成实验的成员向正在做实验的成员传递自己做实验的经验体会，提供实验指导帮助。

在第四周當所有小组成员都做完实验，并在蓝墨云班课APP手机移动教学平台提交实验最终报告、实验过程记录表、小组成员评价总结表和展示答辩PPT后，教师要用一堂课时间组织学生开展金相组织照片与创意作品的年级评优。通过现场展示答辩，评选出最佳金相组织照片奖、最佳创意奖和最佳团队奖，并推选出代表学校参加全国大学生金相技能大赛的学生。评优结束后，教师对专业先导实验课的进行教学总结，提示并鼓励学生，在专业先导实验课中产生的困惑疑问，不可能完全通过自主学习和实验探究解决，可以保留这些困惑疑问在后续专业理论基础课学习的过程中获得解答。

最后教师利用蓝墨云班课APP手机移动教学平台，对所有参加专业先导实验课的学生开展学情和评教的匿名问卷调查。图2是2017级材料专业一年级新生问卷调查反馈结果。问卷调查数据表明，在开展专业先导实验课之前，一年级新生中有52%的人认为，没有上过专业课，没学过专业知识，不能做专业实验或无法判断，并且有86%的人认为做专业实验很难或无法判断，如图2（a）～（b）所示。而完成专业先导实验课之后，一年级新生中有95%的人认为，即使没有上过专业课，也可以做一些简单的专业探索先导实验，并且对开展专业先导实验课难易程度的认识发生了显著转变，有59%的人认为此次专业先导实验比较容易或很容易，如图2（e）～（d）所示。有98%的学生对此次专业先导实验课感兴趣愿意参加，有79%的学生希望继续开展类似专业先导实验，如图2（e）～（f）所示。同时有71%的学生对专业先导实验课的评教给出了90以上高分，如图2（g）所示。

五、教改总结

我们以中国石油大学（北京）材料专业为例，连续三年在一年级新生中开展了专业先导实验课教学的探索实践，教改总结如下：1.实验教学理念突破。突破了传统课程教学体系先专业理论学习、后专业实验教学的思维定式和误区，基于问题驱动探究与知识自主建构的教育理论，建立了在本科一年级新生中开展专业先导实验课教学的新理念。2.实验教学模式创新。搭建了先导实验课的蓝墨云班课APP手机移动教学平台，打破了课内与课外、线上与线下的时空限制，使学生随时随地、方便灵活地开展自主探究学习、小组合作学习，同时创新地设计了小组成员接力合作和年级评优的实验教学组织管理方式，有效地实现了学生自主探究能力与动手实践能力、团队合作精神和争先创优意识的培养，达成了专业先导实验课的知识目标、能力目标和素质目标。通过设计实验过程详情记录表和小组自评打分表，实现了过程评价与结果评价相结合、教师打分与小组自评相结合的考评方式，最终形成了专业先导实验课教学的新模式，有力地支撑了本科工程创新复合型人才的培养目标。3.实验教学成果显著。专业先导实验课教学使一年级新生深刻地认识和体验了材料专业的魅力，极大地提高了一年级新生对材料专业的认可度和学习兴趣，学生在专业知识、能力和素质等方面都有实实在在的收获。通过专业先导实验课推选出的学生，连续三年参加全国大学生金相技能大赛，获得了一个二等奖和两个三等奖的好成绩。在全国参赛的工科类院校中，实现了材料专业一年级新生参赛并获奖的零的突破。

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