前沿科技在高校教學中的導向性

任玉坤，李姍姍，姜洪源

摘要：高等院校的教學是一種需要與時俱進的創造性勞動。

關鍵詞：高等教育；前沿科技；充分備課

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）01-0008-02

高等教育的普及，關系著國家民族的整體人口素質，是政府和社會各界共同關注的熱點話題。大學教學不是即席演講，而是一種有目的、有計劃的教學活動科學，合理地組織教學是大學教師進行有效教學的前提條件[1]。高校教材的更新遠遠比不上科技前沿發展的速度，教材的相對滯后給合理組織教學內容和備課提出了更高的挑戰。高校教師應當是在某專業領域學識廣博，學有所成，具有較深厚的理論功底和知識體系的教學科研并重型人才[2]。本文結合哈爾濱工業大學工科機電專業基礎課程《機械設計基礎》教學中的實例，在工科類學生教學過程中引入大量的先進工業技術應用實例和科技發展前沿動態，教學效果和師生互動得到了明顯的加強，極大促進了學生課堂和課外學習的主動性，激發了學生開展積極課外科技拓展實踐活動的自覺性，有利于教學科研的相得益彰。同時，還促進了高校教師追蹤科技發展動態，并將其融入課堂教學的主動性，有效避免了現實生活與教材的“剝離”。將科研動態與課堂教學相結合，是國內科研型高校提高教學質量，創建世界一流大學的初步嘗試。

一、充分備課是合理組織教學的前提

在目前展開的實際教學活動中，工科的教學依然以教材為主，以工科實驗、參觀認識實習和金工電子實習作為輔助。作為教學主要環節的課堂教學采用的教材，普遍存在滯后于社會經濟發展的情況[3]。教材類專著的編寫，大多基于存世數百年的經典理論和實踐經驗，經過領域內多名專家學者的反復論證和修改編寫而成，大部分學生在教材中獲取的書本知識，在走入社會后往往已經過時。這一現象對于學生和高校而言，是一種時間和教育資源的浪費；對于用人單位而言，新入職員工不能勝任崗位工作，需要經過專門培訓才能順利工作，培訓的時間成本、財力和機會成本徒增。針對現有教材相對滯后的缺點，不少教師嘗試在高校教學中引入最新科技發展動態和前沿科技應用的展示。一方面，高校教師大多承擔一定的科研任務，對于行業內新技術的發展脈絡具有很好把握，同時熟悉業內主流科技期刊，可以及時追蹤當前行業內部的科技發展動態。這為將前沿科技引入課堂創造了得天獨厚的條件。國家級省級著名教學名師們的授課效果深受不同知識基礎和學習能力學生群體的廣泛認可，他們的教學風格也有很大差異，大體上有兩種風格。一種是嚴格按照教學大綱，教師課前備課充分，在課堂上完全不看講稿就能用嚴謹的語言出口成章，學生只需要做好筆記，也能很好地掌握課程內容。另一種風格是在教學大綱的框架內，老師憑借自己寬廣的知識面自由發揮，講得生動活潑，趣味橫生，但學生課后復習要花很多時間翻閱教材才能掌握課程的基本內容。這兩種授課方式孰優孰劣頗受爭議，一時間很難評出高下，因為這要看課程性質和授課對象。大多數學者和教師認為對于低年級的基礎理論課，應該采用第一種方式，而給高年級（特別是研究生）講課，可能第二種方式更好。前者備教材，后者需具有寬厚的知識儲備。無論采用何種教學風格，都離不開課前的充分備課。充分的備課不僅要求要求教師對授課內容和知識點爛熟于心，還要求具有較為有效的教學策略，掌握學生的學習心理，對課堂講學的順利有效有良好的把握。

二、引入科技前沿發展動態是充分備課的有效形式

傳統的備課方式要求做到備教材、備學生、備方法[4]。從備課的流程來看，教學設計必須源于對教材的正確理解和把握。教師只有認真細致的研究教材，對教材有一個全面的、正確的理解和把握，才能設計一個比較合理的教學設計。教師在備課過程中，采用好的教學方法，可以充分調動發揮學生學習的主動性，從而創造出高效率的課堂教學。將前沿科技成果引入到課堂中，對教師的備課提出了很高的要求。從上世紀50年代開始，美國的科學教育雜志就不時發表一些相關的研究報告。例如，采用科幻進行公民教育、閱讀教育、物理化學生物天文學教學等[5]。上述實踐不但在大學進行，也在中小學進行。多數研究積累了經驗，獲得了不同程度的第一手信息，也發現了科幻教學中的不足。科幻教學以生動有趣故事作為引子，啟發學生開始自我探索，自我尋找和學習，這使他們學會了探究科學問題的方法。其不足之處就是沒有深厚的科學理論和較為嚴謹的學術證明。相比之下，發表在學術期刊上的科研發展動態則是經過學者審慎嚴格的論證而得出，具有相當強的學術性、邏輯性和理論基礎，更適合作為高校研究生和本科生課堂內容。將科研成果融入到傳統教材進行備課，對高校教學質量的提升尤為重要。在新形勢下，以社會需求為導向，培養具有創新思維和工程實踐能力，能深入一線進行新技術、新產品和新工藝研究的新型工程技術人才，是當前國際上高等工程教育的基本走向[6]。在教材備課的同時，引入科研發展動態，是充分備課的有效形式。這樣可以充分調動學生學習的積極性，加強課堂授課效果，同時也能提高教師的科研和教學水平。國內許多高校和學者對此做出了努力和嘗試，受到廣大學生的認可。以復旦大學楊玉良擔任校長面向全校本科生開設公開選修課為例，作為我國第一代高分子專業博士、中科院院士、多項“863”、“973”重大科研計劃負責人和復旦大學校長，他本身也是一名教師，楊玉良院士在備課過程中幾易其稿，課上播放的PPT多達154頁。來自軟件工程的2012級本科生方家婧就感言聽校長上課“和老師平時上課一樣親近，校長講的許多東西很前沿，給了我一些新的視角，雖然與我的專業關聯性不大，但是依然感覺很有收獲”[7]。值得指出，楊院士將科技前沿發展動態引入到課堂，為青年教師提高自身科研教學相結合的能力提供了參考。

三、引入科技動態在機電專業教學中的應用效果

作為傳統的工科專業，機電一體化專業培養具有必備基礎理論知識、專門知識和較強的從事本專業領域實際工作的能力，適應生產建設、管理、服務第一線需要的，德、智、體、美等方面全面發展的高級應用型、技術型人才。機電專業歷經幾百年的發展，已經形成非常成熟的理論體系和實踐經驗。現代機電設備朝著兩個大方向發展，一是大型化綜合化，二是微型化和智能化。隨著器件微型化的發展，微機電系統已經成為當今科技發展的熱點。本課題組承擔的科研任務之一是針對微機電系統中微流體驅動和微納粒子操控機理及應用的研究，因此，也對校內研究生開展了相關的選修課程《微機電系統設計與制造》。實踐證明，在實際教學中，關注和引進最新的科技發展動態，取得了良好的教學效果。下面以微機電系統中微流控芯片技術的發展動態為例說明。微流控技術被Forbes雜志評為影響人類未來15件最重要的發明之一。直至今日，各國科學家在這一領域做出更加顯著地成績。微流控技術作為當前分析科學的重要發展前沿，在研究與應用方面都取得了飛速的發展。在課堂中引入這一個具有明顯學科交叉特點的新概念，可以開拓學生的視野。微流控芯片實驗室，又稱其為芯片實驗室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片（Microfluidic Chip）。微流控芯片是微流控技術（Microfluidics）實現的主要平臺。其裝置特征主要是其容納流體的有效結構（通道、反應室和其他某些功能部件）至少在一個維度上為微米級尺度，操控微小體積的流體在微小空間中的活動，在微小的芯片上構建化學或生物實驗室，從而將多種化學和生物學的過程集成到快速和自動的微流控系統。由于微米級的結構，流體在其中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發展出獨特的分析產生的性能。隨著微流控芯片的不斷發展，科學家逐漸認識到微型全分析系統只是微流控芯片的一個類別。微型全分析系統是以樣品分析為最終目的一類微流控芯片的統稱。微型全分析系統的目的是通過分析設備的微型化與集成化，最大限度地將分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中。微型全分析系統將生化分析的許多過程與步驟，即生化分析實驗室的“功能集成結構縮微”在幾平方厘米左右或更小的芯片上，具有檢測速度快、試樣用量少、通量高等顯著的特點。微流控分析芯片綜合了MEMS技術與微流體力學、化學、生物學、醫學、計算機、材料等多學科領域，可以實現多種分析功能，最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等分析功能集成為一體的微型全分析系統。這一技術具有相當明確的應用背景，可以激發學生的想象力。部分學生在聽取本課程之后，積極的探索開發新型的全自動或者半自動的微流控芯片檢測系統，真正做到了學以致用。另一方面，微流控芯片技術引入機電專業課堂，有利于啟發學生探索機械加工新工藝。微流控分析芯片發源于MEMS技術，因此早期常用的材料是晶體硅和玻璃。高分子聚合物材料近年來己經成為微流控芯片加工的主導材料，它的種類繁多、價格便宜、絕緣性好，可施加高電場實現快速分離，加工成型方便，易于實現批量化生產。但是硅材料也具有本身的缺點，這些影響了硅的應用。玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蝕刻技術可以將微通道網絡刻在玻璃材料上，它的優點是有一定的強度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好，很適合通常的樣品分析。在學習機械加工工藝方法時，必須要充分考慮材料本身的特點。通過微流控芯片基底加工的實例，學生對于機械加工工藝和材料選擇有了深刻的理解。目前，高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生產等優點，得到了越來越多的關注。例如PDMS芯片經軟刻蝕加工技術，可以實現高精度微結構的生成。并且，由于這種材料的彈性，可以更好地與外界部件進行整合。PDMS芯片應用在某些生物實驗中，可以形成足夠穩定的溫度梯度，便于反應的實現。除此之外，由于其對可見光與紫外光的可穿透性，使其得以與多種光學檢測器實現聯用。在細胞實驗中，由于PDMS的無毒特征以及透氣性，因此顯現與出其他聚合物材料相比不可替代的地位。PDMS微通道的加工不是傳統的去除式切削加工，而是類似軟“鑄造”的一種需要模具和流動性材料的工藝，開闊了學生在機械加工工藝手段領域的眼界。

總之，將科研成果融入到傳統教材開展教學，對高校教學質量的提升尤為重要。可以培養出具有創新思維和工程實踐能力，能深入一線進行新技術、新產品和新工藝研究的新型工程技術人才，同時還有利于教師隊伍知識的更新和科研素質，應當大力提倡。

參考文獻：

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