碩士課程元器件可靠性工程基礎(chǔ)教改實踐*

黃姣英 高成 李凱

北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程研究所 北京 100191

0 引言

在當前競爭激烈的社會態(tài)勢下，如何培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，是高校所面臨的關(guān)鍵問題之一。高校高等教育的核心載體是課堂教學(xué)，課堂教學(xué)模式改革是當前高等教育研究領(lǐng)域和課堂教學(xué)改革實踐領(lǐng)域的熱點問題[1-3]。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，課堂由教師掌控，主導(dǎo)課堂走向，學(xué)生的自主性和參與性不高，在課堂上的表現(xiàn)就是上課不抬頭聽講、低頭玩手機、抗拒和教師進行課堂互動、睡覺等，還有部分學(xué)生存在無故缺勤的情況。

高校專業(yè)碩士研究生課堂教學(xué)模式主要采用的是傳統(tǒng)的講授式，由于部分學(xué)生基礎(chǔ)較差、自制力有待加強、忙于科研任務(wù)等，以及部分教師教學(xué)熱情不高、重科研輕教學(xué)的工作態(tài)度、教學(xué)能力水平不夠等，加上課程設(shè)置、學(xué)時有限等因素，效果不如人意。

本質(zhì)上，傳統(tǒng)講授法教學(xué)模式將教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”相分離，并沒有強調(diào)學(xué)習(xí)的自主建構(gòu)性和教學(xué)的交互性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力、思辨思維和創(chuàng)新精神。

如何依托互聯(lián)網(wǎng)時代背景，再塑高校高等教育的目的，結(jié)合新時代學(xué)生的特點，維持并提高高校課堂的效率，應(yīng)運而生了討論式教學(xué)[4-5]、“對分課堂”[6-7]、翻轉(zhuǎn)課堂[8-10]、線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)[11-12]等多種教學(xué)模式。

討論式教學(xué)通過課堂討論激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)動力，然而討論占用大量課堂時間意味著教師講解時間被壓縮，因此學(xué)生需要充分預(yù)習(xí)才能有效討論，這對學(xué)生是較大負擔(dān)[4]。

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，提升課堂教學(xué)效率，“對分課堂”教學(xué)模式綜合了傳統(tǒng)講授法與討論法的優(yōu)點，將教學(xué)分為講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）三個過程，因此對分課堂也可簡稱為PAD 課堂[13]。

翻轉(zhuǎn)課堂借助新媒體手段，構(gòu)建了新的教學(xué)模式，其核心是以學(xué)為中心。與傳統(tǒng)教學(xué)模式中的教師主導(dǎo)不同，翻轉(zhuǎn)課堂由學(xué)生主導(dǎo)，學(xué)生吸收知識的能力、學(xué)習(xí)的積極性和合作解決問題的能力等都有所提高[9]，但翻轉(zhuǎn)課堂也很難完全達到期待的效果。其實施效果受到多種因素的影響，并且部分教師容易走進側(cè)重形式翻轉(zhuǎn)的誤區(qū)，不能把握翻轉(zhuǎn)課堂的實質(zhì)，仍然牢牢控制著課堂走向，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性得不到激勵。此外，是不是所有類型的課程都可以翻轉(zhuǎn)仍值得商榷和探討。

混合式教學(xué)（Blended Teaching）的核心理念是拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)時間和空間，不僅可以發(fā)揮出線上教學(xué)的優(yōu)勢，還可以有效利用課堂教學(xué)的優(yōu)點[12]，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

教育部2019 發(fā)布的《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》指出，應(yīng)推動科研反哺教學(xué)，強化科研育人功能，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣[14-15]。

電子元器件是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是決定信息技術(shù)發(fā)展速度、水平和實現(xiàn)自主創(chuàng)新的重要物質(zhì)保證。電子元器件的質(zhì)量和可靠性直接關(guān)系到裝備的性能與戰(zhàn)技指標，關(guān)系到裝備研制、生產(chǎn)、試驗?zāi)酥翆崙?zhàn)使用的成敗。

元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程是北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院研究生的專業(yè)課程，本文通過將思政教育融入課堂，落實科研反哺教學(xué)理念，構(gòu)建三七分課堂混合式教學(xué)模式，完成課程教改實踐。

1 課程特色分析與思考

1.1 課程特色分析

作為研一專業(yè)課，元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程承載的任務(wù)是，在短時間內(nèi)（16 學(xué)時），通過課程學(xué)習(xí)，可建立起一個完整的電子元器件質(zhì)量與可靠性工程的知識體系結(jié)構(gòu)。課程內(nèi)容涵蓋電子元器件質(zhì)量與可靠性基礎(chǔ)、標準體系、認證評價體系、試驗技術(shù)、分析技術(shù)、設(shè)計技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)、發(fā)展趨勢等電子元器件質(zhì)量與可靠性相關(guān)內(nèi)容。

對非相關(guān)專業(yè)學(xué)生，通過課程學(xué)習(xí)，可全面了解和掌握電子元器件質(zhì)量與可靠性基本知識和技術(shù)體系。課程具有系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性、工程實用性等特點。

1.2 課程改革需求分析

深入分析學(xué)生的年齡和知識背景特征，結(jié)合前多輪次教學(xué)，反思教學(xué)效果，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)課程面臨的問題主要有以下方面。

1）彌補課本與前沿研究之間的斷層。教材是課程學(xué)習(xí)的重要抓手，2018年出版的《元器件質(zhì)量與可靠性工程基礎(chǔ)》[16]是課程配套的教材。教材系統(tǒng)全面地講解了元器件質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)知識，但是因為時間滯后的因素，教材與前沿的研究之間已經(jīng)出現(xiàn)斷層。

2）早日感受科研氛圍，有助于提高研究生的科研素養(yǎng)。研究生階段的目標是將學(xué)生培養(yǎng)成高等人才，與本科階段不同的是，研究生階段更側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科研能力而不是學(xué)習(xí)能力。科研能力包括查閱文獻、進行試驗和學(xué)術(shù)表達等多項能力。

元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程是研一年級的專業(yè)基礎(chǔ)課，如果上述科研能力可以在課程中得到訓(xùn)練，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，可以幫助研究生新生快速融入實驗室并開展科研工作。

3）提高教學(xué)質(zhì)量可助力研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。研究生培養(yǎng)的重中之重是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已不能滿足新時代對研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，課堂教學(xué)模式改革、提高教學(xué)質(zhì)量和助力研究生培養(yǎng)很有必要。

4）研究生的素質(zhì)、能力很難通過試卷進行展示。傳統(tǒng)課程評價的考核方法單一，通常以期末書面考試為唯一標準，這種缺乏實踐應(yīng)用考核、學(xué)科素養(yǎng)考核的評價方式無形中鼓勵學(xué)生注重做題，導(dǎo)致部分學(xué)生即便是拿到了不錯的成績，對這門學(xué)科的認識卻停留在十分淺薄的層面上，這絕不是研究生教學(xué)的目標和宗旨。

2 課程建設(shè)探索

2.1 課程改革的思路

在課程內(nèi)容設(shè)計方面，根據(jù)元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程的特點、工程項目知識儲備要求和自身教學(xué)經(jīng)驗，對課程的教學(xué)內(nèi)容進行梳理、化簡和整合。

整合課程結(jié)構(gòu)，明確學(xué)術(shù)和思想兩方面的教學(xué)目標，增加前沿性教學(xué)內(nèi)容；科研反哺教學(xué)，構(gòu)建研究型教學(xué)特色，組建研究型教學(xué)團隊。

2.2 課程教學(xué)中的思政元素

“課程思政”是追求立德樹人，對專業(yè)知識中的思想品德教育元素進行挖掘，實現(xiàn)德育對課程內(nèi)容的滲透[17-18]。

在前幾輪次元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程開展課程思政時，存在元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程知識與思政內(nèi)容融合不充分等問題，在課堂傳授時，價值引領(lǐng)難以同步實現(xiàn)。將思政環(huán)節(jié)嵌入課程的形式也比較僵硬。

元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程的思政相關(guān)元素很多，專業(yè)性也很高，因此課程內(nèi)容很多、難度較高，如何將思政內(nèi)容隱性地滲入在講授中，需要提前研究確定策略。

通過四條主線來融入思政元素。1）通過介紹電子元器件產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性定位，深化學(xué)生的榮譽使命感。2）以集成電路為例，介紹中國集成電路史上最具代表性的六位科學(xué)家的事跡，激勵學(xué)生不畏困難，執(zhí)著研究的科學(xué)精神。3）通過介紹當前電子元器件產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外的差距以及一些近期的假貨識別[13，19]、“中興”事件等熱點事件，提醒學(xué)生居安思危。4）是通過介紹國內(nèi)航天領(lǐng)域的失效分析事例[20]，培養(yǎng)學(xué)生的擔(dān)當意識。

2.3 科研反哺教學(xué)的實踐策略

“科研反哺教學(xué)”可以作為提高研究生教學(xué)質(zhì)量的重要補充，不僅可以有效彌補教材所缺失的最新前沿進展，還可以讓研究生提前感受科研氛圍，助力創(chuàng)新能力培養(yǎng)，如圖1所示。

圖1 科研反哺教學(xué)示意圖

科學(xué)研究多是基于研究領(lǐng)域前沿展開，教師如果可以在課堂上講授國內(nèi)外科研領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)，有助于補充教材缺失的前沿內(nèi)容，并且彌補課程教材與科研前沿之間的斷層。

通過教師將科研領(lǐng)域新成果的實例、案例與課程章節(jié)相結(jié)合進行講授，可以讓學(xué)生感受科研氛圍、學(xué)習(xí)科研方法、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、啟發(fā)創(chuàng)新靈感，進而培養(yǎng)科研能力，提高學(xué)生核心素養(yǎng)。

首先構(gòu)建了均具有高級職稱的扎實的課程教學(xué)團隊，承擔(dān)了大量科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)任務(wù)，包括國家自然科學(xué)基金、技術(shù)基礎(chǔ)和元器件的共性檢測課題；此外，北航元器件中心作為第三方實驗室的掛靠單位，承擔(dān)了大量元器件的檢測篩選和失效分析等工程任務(wù)，涉及了各類電子元器件的電性能測試技術(shù)、試驗技術(shù)和可靠性分析技術(shù)等，覆蓋面廣，豐富的科研成果可以作為教師豐富課程內(nèi)容的素材。

課程教學(xué)中，選擇展示給學(xué)生的案例需要經(jīng)過教師團隊的篩選評估，從眾多案例中篩選出具備代表性并且看得見、摸得著的素材，主要包括實物、視頻和圖片等。通過在課堂展示這些素材，可以讓學(xué)生近距離感受科研前沿。實行該模式可以促進科研與教學(xué)融合，落實科研反哺教學(xué)理念，避免教師照本宣科、避免學(xué)生紙上談兵，互相促進，共同提高。

2.4 三七分課堂混合式教學(xué)模式構(gòu)建

元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力；在課堂上，融合混合式教學(xué)和對分課堂的教學(xué)模式，發(fā)揮各自的優(yōu)點，經(jīng)過教師團隊設(shè)計重構(gòu)，形成三七分課堂混合式教學(xué)模式。考慮到課程有較多的工程應(yīng)用背景，基于“對分課堂”教學(xué)模式框架，將課堂時間“三七分”進行課堂教學(xué)。

三七分課堂混合式教學(xué)由線上學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)兩個模塊組成。線上學(xué)習(xí)利用課前和課后時段開展，在課前階段，教師推送資料，學(xué)習(xí)資料一般以短視頻、微課為主，發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)。課后階段，師生的任務(wù)包括課程回顧和拓展作業(yè)，其中拓展作業(yè)是可選項。作為專業(yè)課，拓展作業(yè)以滿足課程思政要求的工程倫理、大國工匠和科技報國等為主，圍繞元器件的質(zhì)量與可靠性，結(jié)合當前的最新技術(shù)或者熱點事件，提升學(xué)生的思辨能力。

在課堂教學(xué)中不要囿于書本，研究方向可以吸收發(fā)現(xiàn)的學(xué)科、專業(yè)前沿等相關(guān)問題，并把研究成果和課程知識點相結(jié)合，更新課程內(nèi)容，激起學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，在保證教學(xué)中心地位的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮科研導(dǎo)向作用。

3 實踐效果和思考

3.1 教學(xué)實踐

為了進一步避免教和學(xué)分離，理論知識、實踐應(yīng)用分離，基于混合式教學(xué)法和科研反哺教學(xué)策略，從優(yōu)化整合課程授課內(nèi)容、改進教學(xué)方法、分層次實施實踐教學(xué)環(huán)節(jié)以及采取過程性考核方式等方面，完成了課程教改。

在教學(xué)內(nèi)容方面，將教師科研新成果如集成電路安全分析與檢測技術(shù)、最新VLSI 測試應(yīng)用、元器件數(shù)字孿生技術(shù)等充實到課程中，拓展相應(yīng)章節(jié)的內(nèi)容，為了提高學(xué)生興趣并便于理解，結(jié)合案例和實際素材等進行講解。課程教改建設(shè)后，課程的每個學(xué)術(shù)模塊，如表1所示。

表1 課程知識框架教改前后對比

從表1 可知，除了補充完善課程對應(yīng)的最新技術(shù)和課外拓展知識外，還分享了最新科研設(shè)備、科研成果和工程成果，科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，這種教學(xué)資源對于調(diào)動學(xué)生興趣和課堂氣氛是很有效的。在這樣的課堂氣氛下，學(xué)生的課堂認真程度大幅提高，并且學(xué)生知識面也得到了擴展。

3.2 科研反哺教學(xué)案例

為了讓學(xué)生加深對元器件篩選技術(shù)的理解，結(jié)合工程中實際篩選數(shù)據(jù)，用某集團2020年度元器件篩選的實際數(shù)據(jù)，激發(fā)學(xué)生憂患意識和擔(dān)當意識。結(jié)合篩選技術(shù)的六性，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任意識和嚴謹作風(fēng)。

元器件篩選不合格原因有功能失效、密封、多余物、參數(shù)超差、外觀不合格等，圖2 為某集團2020年度使用進口國產(chǎn)元器件篩選批次不合格項目分布情況。

圖2 元器件二次篩選批次不合格原因情況統(tǒng)計

從圖2 可知，對國產(chǎn)元器件而言，參數(shù)超差和外觀不合格所占比例最大；為了進一步引領(lǐng)學(xué)生分析國產(chǎn)器件參數(shù)超差背后的本質(zhì)，引入了元器件篩選技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，從如何提高篩選效果的角度，研討了元器件檢測篩選新需求問題，從測試、檢測、篩選、實現(xiàn)、技術(shù)和試驗等六方面，引領(lǐng)學(xué)生歸納出篩選技術(shù)特性，如圖3所示。

圖3 元器件篩選技術(shù)特性

3.3 教學(xué)反思

原本只是北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院的專業(yè)碩士的專業(yè)理論核心課，教改后，盡管課程選課人數(shù)做了50 人的限制后，仍有不少外專業(yè)學(xué)生也加入課程學(xué)習(xí)中，表2 為2021年度課程選課學(xué)生分布情況。從表2 可以看出，合計6 個不同的學(xué)院共計48 人選課，以電子信息專業(yè)的學(xué)生為主，除了專業(yè)碩士外，仍有學(xué)術(shù)碩士和博士生參與了課程學(xué)習(xí)，間接表明教改后取得了良好的教學(xué)效果。

表2 2021年度選課學(xué)生分析

本課程的改革由于主客觀方面的多種原因，仍然存在有待改進的不足之處。

1）理論知識與科研案例的結(jié)合，尚未完全形成一套適用于研究生教學(xué)的體系。

2）課時偏少，以致各板塊的教學(xué)不能從容展開。教學(xué)改革后，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式均有大幅增加，使得教學(xué)課時偏緊，難以滿足教學(xué)內(nèi)容的需要。

4 結(jié)束語

研究生教育是人才培養(yǎng)的高級階段，提高研究生教育教學(xué)質(zhì)量是增強科研創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對元器件可靠性工程基礎(chǔ)課程教學(xué)模式的現(xiàn)狀和存在的問題，提出將思政教育融入課堂，開展科研反哺教學(xué)實踐，構(gòu)建三七分課堂混合式教學(xué)模式，完成了課程改革與實踐。實踐結(jié)果表明，課程教改取得了預(yù)期成效，可為碩士研究生其他課程的教學(xué)提供參考。