基于問題導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)課教學(xué)探索

肖衛(wèi)華，巨朝陽，楊增玲，劉 賢，黃光群，韓魯佳

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近日，隨著國家發(fā)展策略逐漸由勞動密集型向技術(shù)創(chuàng)新型轉(zhuǎn)型，對創(chuàng)新型人才的需求日益增大，創(chuàng)新能力的競爭在人才競爭中發(fā)揮著重要作用[1]。因此，在高等教育體系中需要重點(diǎn)把握和培養(yǎng)學(xué)生思考、探索問題的能力，而不是缺乏創(chuàng)新、照搬書本。作為國家高等教育的重要板塊，研究生教育已成為國家創(chuàng)新體系中的重要核心部分。以“探究精神為核心”的美式研究生高等教育體系中，有著諸多可借鑒的優(yōu)點(diǎn)，其教育指導(dǎo)思想原則可基本概括為對發(fā)展創(chuàng)造性知識的探索，重視學(xué)生想象力的教學(xué)方式和最終服務(wù)于社會的基本理念3個方面，其優(yōu)良的培育模式培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才[2]。隨著國家對研究生及以上學(xué)歷的不斷擴(kuò)招，高層次人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)直接關(guān)系到我國對創(chuàng)新型國家建設(shè)的步伐，科技創(chuàng)新作為“卡脖子”的重要發(fā)展模式，已成為研究生教育體系的重中之重。其中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與研究生專業(yè)課程設(shè)置及優(yōu)化改革教學(xué)內(nèi)容、方法、體系等直接相關(guān)。在建立與積極探索符合當(dāng)前時代發(fā)展與需求的教學(xué)內(nèi)容、課程體系的同時，應(yīng)當(dāng)圍繞把實(shí)踐教學(xué)與教學(xué)模式改革等環(huán)節(jié)置于高等教育的核心位置。

自2012年起，由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開始實(shí)施的研究生綜合教育體制改革，提出了“樹立科學(xué)的質(zhì)量觀，針對碩士研究生教育應(yīng)強(qiáng)化實(shí)踐能力，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主；在博士研究生教育體系中應(yīng)重點(diǎn)突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)術(shù)型人才為主”的改革新思路[3]。作為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的重點(diǎn)優(yōu)勢及“雙一流”建設(shè)學(xué)科之一，農(nóng)業(yè)工程專業(yè)旨在利用現(xiàn)代化技術(shù)手段和先進(jìn)技術(shù)方法，以滿足社會需求為重要目標(biāo)，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域培養(yǎng)出具備堅(jiān)實(shí)寬廣專業(yè)知識、掌握解決工程問題的高層次創(chuàng)新人才[4]。根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和社會發(fā)展需求，開展了一系列研究生課程教學(xué)改革，通過修訂培養(yǎng)方案，強(qiáng)化對研究生工科實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，建立了新的研究生課程體系。考慮到實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)無論在研究能力的培養(yǎng)還是創(chuàng)新意識培養(yǎng)方面的重要作用，以及農(nóng)業(yè)物料特性在農(nóng)業(yè)工程相關(guān)研究的重要性，學(xué)校新開設(shè)了面向農(nóng)業(yè)工程專業(yè)研究生的“農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)”課程，以加強(qiáng)工科實(shí)踐能力的培養(yǎng)，更好地解決國家社會對高層次創(chuàng)新型人才的需求現(xiàn)狀。

在理工科類研究生的培養(yǎng)教育體系中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要，搭建科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及制定最終的學(xué)習(xí)考核方式，對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，以及學(xué)生的實(shí)踐能力、科學(xué)思維方式均十分關(guān)鍵。

1 農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)簡介

農(nóng)業(yè)物料主要包括動物、植物及其衍生加工出的成品、半成品等農(nóng)產(chǎn)物料[5-6]。農(nóng)業(yè)物料的種類不同，其機(jī)械特性、理化特性等也有較大差異[6-8]。為了研究農(nóng)業(yè)物料的基本工程特征，農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)主要是針對農(nóng)業(yè)物料的微觀結(jié)構(gòu)、組成成分、元素分析和工業(yè)分析等特性所進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為農(nóng)業(yè)物料的生產(chǎn)、采集、儲存和質(zhì)量檢測等提供基本的工程數(shù)據(jù)[9-10]。我國擁有豐富的農(nóng)業(yè)物料秸稈資源，木質(zhì)纖維素為植物體中的主要組成成分，研究農(nóng)作物秸稈的理化特性對生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化與利用有著重要意義[11]。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程主要以典型農(nóng)業(yè)物料秸稈為主題，通過掃描電鏡、原子力顯微鏡和紅外光譜等手段對農(nóng)作物秸稈進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其主要元素包括碳、氫、氧和氮等，研究其組成成分可以為轉(zhuǎn)化高附加值化學(xué)品奠定基礎(chǔ)[12-13]。因此，對其組成成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白含量進(jìn)行測定，再對秸稈中碳、氫、氮、氧和硫等基本元素進(jìn)行進(jìn)一步分析測定，最后為農(nóng)作物秸稈的工業(yè)分析，其中包括揮發(fā)分、固定碳、水分和灰分等組成，整個實(shí)驗(yàn)以農(nóng)業(yè)物料的理化特性表征分析貫穿始終。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程一般參照本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，課前進(jìn)行講授實(shí)驗(yàn)規(guī)程、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)生重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的授課模式，學(xué)生只需要機(jī)械式照搬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程得出相關(guān)數(shù)據(jù)即可，忽略了研究生主體的理論基礎(chǔ)和主觀能動性，缺乏培養(yǎng)研究生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識的能力，因此這樣的教學(xué)模式無法保障授課知識的系統(tǒng)性，無法充分調(diào)動學(xué)生運(yùn)用知識和利用實(shí)驗(yàn)技能解決科研問題的積極性[14]。只注重書本知識、教學(xué)內(nèi)容單一將導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力差、知識面窄等問題，“填鴨式”教學(xué)不但無法提高教學(xué)質(zhì)量，反而抑制學(xué)生的創(chuàng)造天賦及學(xué)習(xí)興趣[15]。無法通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，進(jìn)而無從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

研究生實(shí)驗(yàn)課程大都基于相關(guān)科研平臺儀器設(shè)備條件，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備精密、價格昂貴，無法實(shí)現(xiàn)每位學(xué)生批量次的實(shí)驗(yàn)，因此一般需要采用分組實(shí)驗(yàn)的形式完成教學(xué)。在分組實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的團(tuán)隊(duì)合作能力也是工科實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要方面之一，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告的形式考核了學(xué)生的成績水平，不僅無法體現(xiàn)不同成員在團(tuán)隊(duì)中的貢獻(xiàn)和作用，甚至還會出現(xiàn)互相抄襲的問題。

課程考核標(biāo)準(zhǔn)不夠合理，考核方式不能有效調(diào)動研究生的創(chuàng)新能力和主動性[16]。由于學(xué)生組數(shù)眾多，平時考核力度不夠，并且實(shí)驗(yàn)報告存在抄襲現(xiàn)象，其不能真實(shí)反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平及能力。因此，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系下進(jìn)行改革，制定新的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方案，對傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)、考核方式等進(jìn)行改革將有利于培養(yǎng)善于思考、實(shí)踐能力強(qiáng)的研究生，實(shí)現(xiàn)高水平教學(xué)體系。

3 基于問題導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課程新模式

由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多缺點(diǎn)，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要突破傳統(tǒng)教學(xué)模式束縛，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。結(jié)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物質(zhì)資源利用工程實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)的團(tuán)隊(duì)平臺建設(shè)，提出了基于問題導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課程新模式，其主要包括4個方面：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程考核。首先，由指導(dǎo)教師布置農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域相關(guān)熱點(diǎn)研究問題，研究生通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、資料等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。其次，由指導(dǎo)教師介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法及原理，進(jìn)行理論方面的學(xué)習(xí)。再次，根據(jù)研究生未來的科研問題為導(dǎo)向注重團(tuán)隊(duì)合作的方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新性思維模式及團(tuán)隊(duì)合作精神。最后，由團(tuán)隊(duì)小組共同撰寫報告論文，采用團(tuán)隊(duì)互評的方式綜合考核。通過開展這4個教學(xué)板塊，可建立基于問題導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課程新模式(圖1)。

圖1 基于問題導(dǎo)向?qū)嶒?yàn)課程新模式Fig.1 A new model of problem-oriented experimental curriculum

3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

基于問題為導(dǎo)向的教學(xué)方式改革，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，并對實(shí)驗(yàn)方法、問題背景提前進(jìn)行深入了解，提前掌握實(shí)驗(yàn)的原理、研究內(nèi)容及各實(shí)驗(yàn)操作過程之間的相互關(guān)系。同時，為了更好地達(dá)到此培養(yǎng)目的，教師提前準(zhǔn)備一定數(shù)量的相關(guān)思考問題，通過對資料和相關(guān)文獻(xiàn)的查詢，學(xué)生提前并完成這些思考問題。

3.2 理論教學(xué)

為了檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，采用同學(xué)討論和教師提問的方式進(jìn)行，讓學(xué)生可以充分展示自己查閱結(jié)果和預(yù)習(xí)效果，培養(yǎng)了學(xué)生語言表達(dá)能力并增強(qiáng)心理素質(zhì)，此時教師主要發(fā)揮對問題進(jìn)行引導(dǎo)和補(bǔ)充的作用。同時，為了增加實(shí)驗(yàn)課程的趣味性，激發(fā)研究生對實(shí)驗(yàn)的興趣，可以介紹農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法發(fā)展史及結(jié)合最新前沿相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)計(jì)思路需要在實(shí)驗(yàn)介紹中重點(diǎn)講解，詳細(xì)解釋此實(shí)驗(yàn)的目的、作用及對現(xiàn)實(shí)科學(xué)研究的影響及意義。要著重培養(yǎng)研究生分析解決問題的能力及科學(xué)的思維方式。重點(diǎn)針對實(shí)驗(yàn)方法的理論系統(tǒng)進(jìn)行講解，實(shí)現(xiàn)縱向深度挖掘，同時對不同實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)劣及適用性進(jìn)行橫向拓展和進(jìn)一步探討，以幫助研究生在深入理解實(shí)驗(yàn)原理的前提下，為科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)方法和科學(xué)選擇等奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對研究生實(shí)驗(yàn)課程理論教學(xué)部分的進(jìn)一步拓展。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以科研實(shí)例，解決實(shí)際問題為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要求以研究生自身為主體，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容置于實(shí)際案例情境中，在學(xué)習(xí)過程質(zhì)疑問難、有意創(chuàng)設(shè)問題情境，利用小組協(xié)作和討論的形式，通過自主查閱與討論合作等方式來解決科研實(shí)際問題。圍繞農(nóng)業(yè)物料工程特性的各個方面，引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生的探索性思維及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc科研問題之間建立相關(guān)有效的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注農(nóng)業(yè)物料基礎(chǔ)特性。以科研問題為導(dǎo)向性教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可取自產(chǎn)業(yè)和科研需求，對于學(xué)生來講，基于此類問題開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)或許有一定的難度和挑戰(zhàn)性，但卻可以大幅度調(diào)動研究生的學(xué)習(xí)動力及專業(yè)興趣，進(jìn)而鍛煉自主查閱相關(guān)材料，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，最終完成農(nóng)業(yè)物料工程特性相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及任務(wù)，并且可以有效培養(yǎng)研究生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)能力、終身學(xué)習(xí)的意識，以及開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。學(xué)生通過合理地分工與團(tuán)隊(duì)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)小組任務(wù)目標(biāo)，不僅可以有效提升實(shí)驗(yàn)技能和解決科研相關(guān)問題的能力，而且通過這種以科研實(shí)例為導(dǎo)向的教學(xué)模式可充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生潛在的創(chuàng)造性。

3.4 課程考核

在一系列農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)束之后，以小組為整體通過學(xué)術(shù)論文的形式，交一份完整的報告。在掃描電鏡、原子力顯微鏡和紅外光譜等系列實(shí)驗(yàn)的最后一次，進(jìn)行課堂中總結(jié)與討論，通過對實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決的方法進(jìn)一步探討，總結(jié)整個實(shí)驗(yàn)課程的收獲和體會。在考核環(huán)節(jié)不僅考察了各組學(xué)生知識運(yùn)用和實(shí)踐操作能力，同時通過小組成員內(nèi)部進(jìn)行互相評分，以及教師根據(jù)平時課堂表現(xiàn)給每位同學(xué)打分，結(jié)合最終小組實(shí)驗(yàn)報告結(jié)果進(jìn)行綜合評分，既考核了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，又考察了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，實(shí)現(xiàn)了考核目標(biāo)的多元化和立體化效果。

4 結(jié)束語

以科學(xué)研究課題相結(jié)合的農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)增加了實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)的多樣性、實(shí)用性及趣味性，并且教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極踐行以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，在學(xué)習(xí)基本農(nóng)業(yè)物料相關(guān)分析方法理論基礎(chǔ)上，以“學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)”為中心，努力培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，開發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，針對未來研究課題中將要面臨的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行講授，積極引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際研究需要開發(fā)實(shí)驗(yàn)分析方法的能力，為研究生后期的學(xué)術(shù)研究奠定扎實(shí)的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，同時研究生在學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)物料工程特性實(shí)驗(yàn)期間獲得良好的教學(xué)效果。