新工科背景下“工業礦物與巖石”課程教學改革與研究

許江楓 白志民 周熠 閔鑫

摘?要：為適應新形勢下國家人才培養需要，新工科建設勢在必行。本研究基于科學范式教育現狀及中國地質大學（北京）“工業礦物與巖石”課程特點，對課程理念、課程設置、教學內容、教學實施、教學評價及資源建設等課程要素開展教學改革與研究。課程以新工科理念、教育心理學理念、課程思政協同為先行，優化課程內容，建構以學為中心的教學實施方式，采用多元化評價方案，建設立體化“學材”資源，為高質量高等學校課程建設提供重要借鑒。

關鍵詞：新工科；工業礦物與巖石；課程要素；改革與研究

當今世界，以信息技術為代表的新一輪科技革命和產業變革促使工程教育不斷創新［1］。為主動布局未來戰略必爭領域的人才培養，教育部自2017年開始推進新工科建設，要求工科高校要對工程科技創新和產業創新發揮主體作用，培養多樣化、創新型卓越工程科技人才［2］。因而，新工科建設是主動適應工程教育全球趨勢的中國實踐，是中國特色工程教育范式變革的必然選擇［3］。新工科大體上有引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性等特征［4］。

中國地質大學（北京）是我國最早開展礦物材料研究的重點大學之一［5］，材料學院本科專業堅持以無機非金屬材料為主要方向，以礦物材料為特色的人才培養模式，并逐步形成了現今在國內該領域的優勢學術地位［6］。“工業礦物與巖石”課程作為礦物材料特色課程體系主干課程之一，具有如下特點：課程以除金屬礦石、礦物燃料、寶石以外的，其工藝技術特性可資工業利用且具有經濟價值的，所有非金屬礦物與巖石及硅酸鹽固體廢物為研究對象；主要聚焦于理化性質、工藝技術特性、工業應用及其內在聯系；呈現了近10年工業礦物與巖石專業領域的研究新進展、工業應用現狀及主要發展趨勢［6］。課程經過持續建設，已取得諸多成果。其中，課程于2004年被評為北京市精品課程，課程建設成果于2005年獲國家級優秀教學成果二等獎，對應教材遴選為北京市高等教育精品教材。在新工科背景下，為適應新形勢下國家人才培養需要，對課程的課程設置、教學內容、教育教學方式、教學評價等課程要素開展改革與研究勢在必行。

一、更新落實新工科理念，與課程思政協同并行

眾多學者探索了新工科教育理念的內涵與外延［78］，新工科按照CDIO教育理念，以全生命周期為載體、產出為導向，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程［9］；新工科以人為本，強化育人功能，重點落實立德樹人根本任務［10］，使所培養學生既具有解決復雜工程問題的專業知識與技術能力，又具有全球視野、人文精神及創新能力。

當前教育理念主要基于科學范式［11］，具體體現在教育實踐中，雖注重知識傳授與能力培養，但更注重知識的理論性、系統性和專業性，對于能力培養的重視仍有提升空間，且對于以知識為支撐的業務能力（硬實力）的重視高于對自我發展、社會適應等軟實力的重視；雖注重理論聯系實際，但對實驗實踐教學的重視仍有提升空間，且實踐教學中，相對重操作、創新不夠，重科學研究、工程實踐不夠；雖注重產學研結合，但在校企合作的深度融合、優勢互補上仍有提升空間；雖注重人的全面發展，但在人文社科素質培養及多學科跨界融合上仍有提升空間。

“工業礦物與巖石”課程教學實踐中，在尊重學校特有的建設基礎和理念基礎上，不斷探索、樹立新工科教育理念，以新工科理念為指導構建教學系統工程、開展教學實踐，并依據教學實踐反饋不斷優化人才培養全過程，實現新工科理念與教育教學全過程有機結合。課程思政建設是全人培養的有力抓手，教學實踐中，將理想信念、優秀傳統文化、大國工匠精神、科技報國情懷、大工程觀、可持續發展理念等有機融入專業教育中，將新工科理念與課程思政相結合，提升學生綜合素養；通過展示科技成果對生活的影響、科技發展歷程、科學家成長故事等，提升學生專業興趣及思政教育效果。團隊教師通過會議、講座、課程、自修、研討等多種形式持續學習黨和國家相關政策以及豐富的人文知識，包括教育心理學在內的社科知識，開展專業學習與研討、科學研究與工程實踐，以使學生切實接受到前沿的專業訓練，體驗到專業特色的思政教育。

二、優化課程設置及課程內容，凝練課程特色

科學范式下，課程內容多以學科知識的系統性為主線，根據知識的邏輯演進和難易順序設計課程體系［12］。教學過程中注重知識的傳授并以學生對知識的理解和掌握為目標，對學生實踐能力、批判精神和創新思維的培養有待提升，學生的學習更多的是被動地接受，缺乏學習的主動性和獨立性。此外，教學理論與工程實際、行業發展結合性不強，學生工程能力較弱、深入參與科研工作不足。

“工業礦物與巖石”課程的主要研究對象為工業礦物、工業巖石、硅酸鹽固體廢物，其廣泛應用于生產、生活各領域。基于此，課程本身具有多學科交叉、理論與實踐結合、科學前緣與工程實踐兼具的特點。在工程范式指導下，課程根據能力標準優化內容，基礎理論部分加強深度與廣度，提升學生基礎研究能力；實踐內容部分進一步強化工程生產實踐、先進科技成果、最新發展動向等相關內容，特別在國家戰略布局的重點領域，如新能源領域、環境領域增加內容，提升學生工程實踐、科技轉化及產業引領等方面能力；課程特別是在重點發展領域、最新科技前沿、重大工程領域所涉及工業礦物與巖石部分深入學習探討，提升學生工程創新能力及解決復雜工程問題的能力。以滑石教學內容的改革為例，除與時俱進地新增最新發展動態，特別強化產、學、研、創融合，在產教融合端，滑石為我院實習基地企業生產的精細化工產品之一；在科教融合端，滑石可用于制備礦物基復合相變儲能材料，該方向為我院“地質碳儲與資源低碳利用教育部工程研究中心”重要研究方向之一。而上述均基于對滑石層狀結構、理化性質、改性機理等的深入研究，此為理論深化部分。課程在教學實踐探索過程中，形成了符合新工科理念并極具特色的教學理念，即注重晶體結構、晶體化學、晶體物理與材料屬性的深入剖析，以提高學生綜合分析工業礦物與巖石組成、結構、性能和應用內在邏輯關系的能力以及發掘工業礦物與巖石新屬性、開發新材料的能力。

三、創新教學方法，加強線上線下資源建設

在新工科背景下，面對更高的工程實踐與創新能力要求，面對從知識課堂向能力課堂轉變的要求，對教學模式提出了新挑戰。科學范式為指導的教學實施中，教學方式更多的是以教師講授為主導，學生被動式接受，激發學生學習的積極性和主動性方面有待提升；教學方法大同小異，因材施教較難實施。此外，在原來教學情況下，就已面臨著專業課程學時數壓縮，知識點跨度大、銜接難等問題。在時代發展要求下，教學內容在廣度、深度上大幅增加，教學內容在前沿性、工程性要求上大幅提升，要實現高創新能力、高素質人才培養的目標，教學模式的改變勢在必行。

基于此，“工業礦物與巖石”課程貫徹實施了線上線下混合式教學，線下與線上教學學時比為3∶1（線下36學時，線上線下翻轉課程12學時）。線下教學中主要深耕基本理論和基本方法，拓展科技與工程元素，探討線上學習疑問；線下教學方法采用講授、研討、問答、課堂展示等靈活形式；線下教學實施中，以新工科理念、教育心理學理論等為指導，課程導入采用工程或科研實際問題，以問題為導向，使學思交融，教學工具充分利用巖礦標本、幾何模型，先進教學平臺輔助課堂師生互動，教學資料補充了豐富性、系統化的線上資源；線上教學以學生自學為主，教師引導為輔，可通過網絡實時答疑，教學平臺布置教學測試；教學內容安排以典型巖礦線下教授、類似巖礦課下小組研討學習或調研學習結合翻轉課堂（線上線下）、其他巖礦課下自學（線上）；教學全過程中注重課程內容與課程體系內外其他課程內容的聯系。

此外，課程組根據教學模式需要建設相關資源，圍繞數十種重要工業礦物、工業巖石和硅酸鹽固體廢物的組成、結構、工藝技術特性、深加工與工業應用等重點內容，制作了內容豐富的線上教學資源；錄制了配套的線上教學慕課27講，總時長約500分鐘；積累形成了數百條思考題題庫；收集或購置了工業礦物和工業巖石教學標本千余件套。上述資源全部用于課程教學，為材料科學與工程專業高素質人才培養發揮重要作用。

四、改革教學評價體系，實現教學效果多元化

質量評價是保證新工科人才培養質量的重要手段，工程范式的評價方式更多地采用過程考核、項目測試等多元考核方式，重點是考查學生運用所學知識解決實際問題的實踐與創新能力［12］。

傳統科學范式的課程考核一般是采用“期末成績+平時成績”的方式，重點考查學生對知識的理解和掌握。此考核方式難于幫助部分學生改變對平時學習重視不足的情況，難于調動學生對學習過程的參與積極性，難于激發學生開展更廣泛課外自主學習動力，難于考查學生運用所學知識解決實際問題的實踐與創新能力，難于對不同教學環節、不同教學目標進行差異化、全過程的評價。

“工業礦物與巖石”課程成績基于對課堂教學環節和質量影響要素的分解，細化為考勤、聽課狀態、問答互動表現、現場測驗、文獻綜述報告、課后作業、在線資源學習、期末考試、面試等環節綜合評價。其中，前七項歸為平時成績，平時成績、期末筆試成績與線上面試成績比為4∶5∶1。課堂互動及線上學習均可通過先進的課程平臺實現，課堂互動的研討與提問經過科學的課程設計實現。分組開展自選方向的綜述報告，每次課程限時展示一組，可以進行10次以上匯報展示，這既拓展了課程內容，又鍛煉了學生文獻搜集、發現問題及解決問題、匯報展示等相關能力。線上學習包括翻轉課堂的線上學習及選修內容的線上學習。翻轉課堂的線上學習由線上測試考核，選修內容的考核綜合學習時長及對應的作業成績。期末筆試以簡答、論述題為主，采用開卷考核方式，綜合考查學生分析歸納總結能力、應用所學知識解決科學問題的能力。面試提供題庫，采用隨機抽題、口頭答題、教師綜合打分的方式進行，考查學生快速、靈活處理問題及溝通表達的能力，面試也可與報告展示相結合。通過上述實踐，實施了過程評價與期末考試相結合、書面答卷與面試口答相結合、客觀評分與主觀評判相結合的考核方式，實現了以考促學、以考促教，形成具有借鑒意義的教學評價模式。

五、推進教材建設，構建“學材”新體系

“工業礦物與巖石”課程團隊一貫高度重視并積極實施教材建設，且已取得有效成果。但基于新工科發展要求，正在對已出版教材開展修訂工作。首先，在教材布局及內容中適時體現新工科建設中強調的跨學科、跨專業融合，交叉學科和復合專業等相關內容。其次，該課程教材也將與專業其他課程教材共同構成合理的教材知識體系矩陣。再次，教材內容中需增加項目教學、工程實踐、系統集成等內容。

此外，在教材形式上從以學科知識為主要內容的傳統教材轉變成多元教學資源，以滿足“大工程觀”下的人才培養需要。以數字化、網絡化教學平臺為資源載體服務于學習者，使得學習內容更新，學習行為可記錄。“工業礦物與巖石”課程將課程大綱、教學進度安排、教學視頻、直播課程、講義與課件、閱讀材料、工程案例素材、課程思政資料集（未開放）、課程學習網站等多種學習材料和工具加載于網絡課程中，形成一體化立體教材。因此，不僅便于學生開展課前預習、課后復習、翻轉課堂、選修學習等，而且便于在授課過程中開展課堂討論、小測驗、考勤等多形式的互動或考核過程。此外，提供的補充資料可以拓展相關基礎理論、最新研究進展、難于在實驗室開展的其他相關工作等，為學有余力的學生提供更加豐富的資源，從而有利于開展以學生為本的教學實踐，提升教學質量，滿足不同類型人才培養的需要。多元且持續更新的教學資源，不僅服務于本專業的人才培養，還可作為知識系統實現共享，產生更廣的輻射作用。

結語

新工科要主動服務于國家重大戰略，培養新興工程科技人才。基于上述背景，“工業礦物與巖石”課程在課程思政、課程內容優化、教學實施改革、評價系統探索、教材體系建設等方面展開研究，以新工科理念、教育心理學理論為指導，將全人發展融入課程思政，在教學內容、教學實施、評價方式等方面開展綜合優化，并探索線上線下混合式教學課程體系建設，采用多元化、全過程考核評價機制，構建立體化“學材”系統，課程研究成果對促進高階性、創新型、挑戰性高質量“金課”、一流課程建設，助推新工科一流專業建設，培養本科創新人才具有重要作用與實踐意義。

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基金項目：項目受“中國地質大學（北京）教學研究與教學改革專項經費”“北京高等教育本科教學改革創新項目（MS2022162）”經費資助

作者簡介：許江楓（1980—?），女，漢族，河北張家口人，博士研究生，講師，主要研究方向：材料科學與工程。