工科院校科普類(lèi)公選課的教學(xué)改革探索

趙興科

摘要：結(jié)合研究工作開(kāi)設(shè)了本科生公共選修課《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》，并對(duì)其教學(xué)模式進(jìn)行了一系列改革探索，旨在重視傳授知識(shí)的同時(shí)，教會(huì)學(xué)生科學(xué)研究的基本思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的科學(xué)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：工科院校；公選課程；科普類(lèi)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）42-0076-02

我國(guó)工科大學(xué)的數(shù)量和工科大學(xué)生的規(guī)模都位居世界前列，工科大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)的高低不僅與我國(guó)在工程技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提升密切相關(guān)，而且對(duì)我國(guó)工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程的推進(jìn)、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都具有決定性的作用。一個(gè)人的素質(zhì)是個(gè)體在先天的生理基礎(chǔ)和后天的環(huán)境、教育等影響因素的共同作用下形成和發(fā)展起來(lái)的相對(duì)穩(wěn)定的知識(shí)、能力和品格等的總和。科學(xué)素質(zhì)表現(xiàn)為在創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中所具有的獨(dú)立開(kāi)展工作和解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。人才培養(yǎng)模式?jīng)Q定人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部《關(guān)于實(shí)施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見(jiàn)》（教高[2007]1號(hào)）明確提出，以倡導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)和研究性學(xué)習(xí)為核心，探索教學(xué)理念、培養(yǎng)模式和管理機(jī)制的全方位創(chuàng)新。在工科的教學(xué)工作中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，教給學(xué)生自我學(xué)習(xí)的方法，授之以漁，使學(xué)生能夠較快地適應(yīng)將來(lái)的工作崗位，具備長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

一、公選課教學(xué)模式改革的意義

選修課是高等學(xué)校課程體系中的一個(gè)有機(jī)組成部分，是實(shí)施素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)。與必修課相比，選修課的教學(xué)內(nèi)容和形式更加靈活，適合采取生動(dòng)性、靈活性、針對(duì)性、交互性等研究型教學(xué)方法，突出學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，自由探索，培養(yǎng)和提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力。公選課的內(nèi)容更能體現(xiàn)教師的科研經(jīng)歷和科研成果，便于教師采用案例式教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，言傳身教地為學(xué)生展示“認(rèn)識(shí)現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—探究機(jī)理—解決問(wèn)題”的完整科研活動(dòng)過(guò)程。作者長(zhǎng)期從事新型功能材料及其加工技術(shù)研究，曾利用表面結(jié)構(gòu)仿生原理，制備了超疏水醫(yī)用高分子材料。這種高分子材料的表面具有與荷葉表面相似的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到與荷葉表面相似的自清潔效果。這次的科研活動(dòng)體現(xiàn)了一個(gè)完整的實(shí)踐、提高和再實(shí)踐的過(guò)程：帶著問(wèn)題在自然界尋找模仿的對(duì)象；研究其結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系；提出新材料模型；指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)與制備新材料。將此科研活動(dòng)過(guò)程在課堂中完整重現(xiàn)，可以使學(xué)生在獲取超疏水高分子材料性能特點(diǎn)及加工技術(shù)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，還可以了解科研活動(dòng)的基本方法，增強(qiáng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。與專(zhuān)業(yè)課不同，高校公選課的授課對(duì)象學(xué)生來(lái)自全校工科類(lèi)、理科類(lèi)的大一至大三的本科生。由于選課學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景和基礎(chǔ)知識(shí)不同，給教學(xué)帶來(lái)很大的困難。為了讓參加課程的每位學(xué)生能夠跟得上課程的進(jìn)度，必須從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過(guò)程等入手，為學(xué)生創(chuàng)造開(kāi)放型、交流型的學(xué)習(xí)環(huán)境，突出學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)和激發(fā)自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在潛力。

二、研究型教學(xué)模式

1.精心組織課程教學(xué)內(nèi)容。超疏水自清潔材料是荷葉表面結(jié)構(gòu)仿生的研究成果。實(shí)際上，源于自然界生物體優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特性靈感獲得的仿生材料有很多，如仿生增韌陶瓷材料、仿生粘附材料、仿生高彈性材料、仿生減振材料等等。仿生增韌陶瓷材料的研究對(duì)象是貝殼，磚墻式微觀結(jié)構(gòu)使之成為自然界最硬最耐磨的物質(zhì)之一，其強(qiáng)度與高級(jí)陶瓷相媲美，又不像陶瓷脆而易碎。《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》這門(mén)公共選修課程選取荷葉與超疏水材料、貝殼與高強(qiáng)超韌陶瓷材料、蜘蛛絲與輕質(zhì)高強(qiáng)超彈材料、壁虎腳與動(dòng)態(tài)粘附材料、海豚皮與減阻材料、犀牛角與自愈合材料等六個(gè)專(zhuān)題，主要介紹這些生物材料的特性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、材料模型、人工制備技術(shù)研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用領(lǐng)域等，將每個(gè)案例按照“認(rèn)識(shí)現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—探究機(jī)理—解決問(wèn)題”的完整科研活動(dòng)過(guò)程在課堂重現(xiàn)。

2.綜合應(yīng)用多種教學(xué)方法。在課堂教學(xué)中，注重運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)方法，通過(guò)提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)到功能、從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)，循序漸進(jìn)增加知識(shí)。這些問(wèn)題有的是有明確答案的，有的則沒(méi)有；有的是引導(dǎo)課堂內(nèi)容的，有的則是要求學(xué)生課后思考的。以“壁虎腳與動(dòng)態(tài)粘附材料”章節(jié)為例，結(jié)合講授內(nèi)容進(jìn)度，依次提出了“為什么說(shuō)壁虎腳掌與物體表面吸附力是分子間作用力？”“壁虎腳掌如何適應(yīng)不同的物體表面？”“壁虎爬行如何實(shí)現(xiàn)腳掌與物體表面的迅速脫離？”以及“壁虎在什么形態(tài)的表面上不能附著？”等一系列問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題用于引導(dǎo)有關(guān)分子間作用力的基本知識(shí)、壁虎腳掌吸附力大小的測(cè)試與計(jì)算等教學(xué)內(nèi)容；第二個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注壁虎腳掌表面的微觀結(jié)構(gòu)特征；第三個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注壁虎爬行過(guò)程中的腳掌運(yùn)動(dòng)特征；第四個(gè)問(wèn)題作為課后思考題調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)壁虎的興趣和深入了解的欲望，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考的能力。

3.靈活多樣的教學(xué)管理。制訂獎(jiǎng)勵(lì)政策，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自由探索。課程平時(shí)成績(jī)占40%，以出勤、作業(yè)及小測(cè)驗(yàn)為主要依據(jù)；期末考試成績(jī)采取試卷和小論文兩種方式。鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間獨(dú)自查閱資料、制作和在課堂展示PPT。教師僅作為主持人和點(diǎn)評(píng)人，重點(diǎn)突出學(xué)生的主體地位，營(yíng)造自由、開(kāi)放的課堂環(huán)境。按照學(xué)生申請(qǐng)，3—5人的學(xué)生小組以科學(xué)研究的方式查閱文獻(xiàn)資料，收集處理信息，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)施研究過(guò)程，進(jìn)行觀察記錄，分析處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以小論文形式書(shū)寫(xiě)研究報(bào)告。最終完成小論文，且小論文質(zhì)量合格的3個(gè)科研小組成員免于期末試卷考試，以小論文的評(píng)分替代期末考試成績(jī)。這種模擬科學(xué)研究的情境和途徑，既是學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的過(guò)程，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)作精神。

三、研究型教學(xué)效果

1.學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得到鍛煉。盡管本課程安排在周五的晚上，平均每節(jié)課的學(xué)生出勤率仍然都在90%以上，并且課堂氣氛活躍，學(xué)生表現(xiàn)出較高的主動(dòng)性。每輪教學(xué)都有若干學(xué)生做了課堂PPT，例如“蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)的吸光性”、“生物膜與離子通道材料”、“竹子的柱狀結(jié)構(gòu)與仿生”、“昆蟲(chóng)與仿生學(xué)”、“軍事仿生學(xué)”、“三種仿生材料讓你變身超人”等。

2.學(xué)生的科研寫(xiě)作能力得到提高。以小論文的評(píng)分替代期末試卷考試成績(jī)的做法引起不少學(xué)生的濃厚興趣。兩輪教學(xué)共有12組，涉及23名同學(xué)在課程考試前提交了符合規(guī)定的12篇小論文，其中有些小論文還是多次提交、返修后定稿的。這些小論文包括“嗅覺(jué)仿生在食品工業(yè)中的應(yīng)用”、“淺談對(duì)仿生生物學(xué)的理解以及對(duì)其未來(lái)發(fā)展的期望”、“仿生機(jī)器魚(yú)研究的進(jìn)展與分析”、“建筑仿生設(shè)計(jì)”、“動(dòng)物的腳掌與人類(lèi)鞋子的變革”、“視網(wǎng)膜仿生傳感器”、“鯊魚(yú)皮膚與快速泳衣”等。

3.學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提高。基于本課程的學(xué)習(xí)，有兩名學(xué)生作為項(xiàng)目申請(qǐng)人申請(qǐng)了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，其中一項(xiàng)獲得校級(jí)課題立項(xiàng)，“蟻穴的恒溫機(jī)理探索與室溫材料仿生設(shè)計(jì)”。

四、結(jié)論

1.《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》公共選修課研究型教學(xué)改革后的兩輪教學(xué)效果表明，大多數(shù)學(xué)生對(duì)研究型選修課表現(xiàn)出較高的興趣和較強(qiáng)的參與欲望。

2.科研相關(guān)的公選課能有利于將教師的研究?jī)?yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為教學(xué)優(yōu)勢(shì)，有利于營(yíng)造教師主導(dǎo)、學(xué)生主動(dòng)的教學(xué)氛圍，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的潛在創(chuàng)造力，達(dá)到科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的目的。

致謝：北京科技大學(xué)教學(xué)督導(dǎo)組專(zhuān)家袁康教授的熱情指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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