新工科人才培养专题研究型教学模式研究

2021-10-12潘玉寨郭冠军杨立见

大学教育 2021年10期

潘玉寨郭冠军杨立见

[摘要]光电信息科学与工程专业是支撑战略性新兴产业的新工科专业，课程改革在专业建设过程中越来越深入，合理的教学内容以及教学模式，让学生掌握基本原理和技术并实现学以致用是课程教学急待解决的主要问题。开展专题研究型教学研究，构建一体化教学体系是十分必要的。这种新型教学模式以转变学生的学习方式为目的，保证知识学习的延续性，充分结合实验教学，发挥仿真和实验操作的教学优势，注重培养主动探究和创新实践的精神以及终身受用的学习能力。这种教学模式改革与众多高校的高层次人才培养目标相一致，对于新工科专业的课程教学具有借鉴意义。

[关键词]专题研究型教学;新工科;人才培养;一体化教学体系;教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）10-0174-03

一、专题研究型教学模式的研究背景

随着现代科技的迅猛发展，面对现代科技发展的新形势，现代教育理念也要不断更新。将研究性学习引入基础教育课程体系成为世界各国课程改革和教学改革的突出特点，也已成为我国高校教学改革的一个方向。课程的研究型教学模式的推行弥补了传统课堂教学在方法创新和实施效果方面的缺憾，对培养学生的创新精神和实践能力以及独立学习和终身发展能力起了重要的作用[1] 。

近年来，面对新工科建设和发展的需要，人才培养模式的改革已成为当前教育教学研究领域的一大热门，涉及具体的不同且广阔的专业技术领域，对专业技术人才的需求越来越多，要求刚毕业的大学生即能进入工作岗位甚至能胜任相关专业的实际工作，这往往是非常困难的。这就要求学生在大学甚至研究生阶段，加强动手实践能力，熟练掌握专业知识能力。

我国正在实施“中国制造 2025”与“互联网+”两大重要战略规划，从事核心技术开发、寻求创新知识、谋求创新发展的研发机构和企业越来越多。国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》强调要积极开展创新创业，特别是专业技术领域。攻克核心技术和功能器件，能为企业和国家的未来发展指明新方向。可以说，我国已经进入了技术发展的黄金时期，这对于高校人才培养的能力和效果提出了新的机遇和挑战。

高等院校的各个专业，特别是重点学科，对所属专业的基础课程和核心课程开展了广泛的教学模式研究。与实践相关的课程，如工程材料、生物技术、激光技术、精密探测等领域的课程，其基础知识是不可或缺的。这样的课程往往是理论性比较强，许多物理概念抽象难懂，如果没有相关专业基础就很难把工程技术相关工作做好且产生创新性想法。特别是具有交叉学科特征的新兴产业，对人才的基础知识面要求很广，学生往往因缺乏感性认识而感到不易理解、难学，只靠课堂讲授很难达到预期教学效果。这就要求我们在人才培养中加强研究性教学，将理论仿真和实验教学环节的比重加大，在教学体系中引入专题研究型教学内容，将研究性问题的解决引入教学过程，建立理论与实验有机联系的渠道，引导学生进行研究性学习，培养学生的研究与创新能力，让学生学会学以致用，学会研究与探索，表现出更多的灵活性和多样性。

光电信息科学与工程专业正是这样一个新工科专业，这就要求相关专业实验的改革越来越深入[2-4]。教师需要在教学过程中合理地处理教学内容以及采取有效的教学方法，做到重点突出、详略得当。让学生既掌握基本原理和技术又懂得学以致用是目前专业课程教学急待解决的主要问题。根据以往的教学经验，开展仿真与实验相结合的专题研究型教学研究是十分必要的。这种研究型教学模式的改革尝试，有利于促进教学内容、教学方法和课程设置等方面的科学化和现代化，调动学生的学习积极性，更好地促使学生理解和掌握课程教学内容。

二、专题研究型教学模式的研究现状

研究性学习也称综合学习或专题研习，是国际教育界普遍推崇和实施的一种新的学习策略或学习模式[5-8] 。它以学生的自主性、探索性学习为基础，从社会生活中选择和确定以问题为载体的研究专题，主要以个人或小组合作的方式进行。让学生通过自己收集、分析和处理信息来实际感受和体验知识产生的过程，通过亲身实践获取直接经验，养成科学精神和科学态度，掌握基本科学方法，提高综合运用知识解决实际问题的能力。

专题研究型教学模式以转变学生的学习方式为目的，注重培养学生主动探究和创新实践的精神以及终身受用的学习能力。它改变了短促的、学科单一的、以教师为中心的传统课堂教学，取而代之的是强调长期的、跨学科的、以学生为中心的学习活动。由于要研究的问题多来自现实生活，因此学生的学习环境是开放的、多元的、动态的，从而给学生提供了更多获取知识的方式和渠道，推动他们从不同侧面了解社会，增强社会责任感。

实验教学既要加强基础实验教学也要开设一些设计研究型实验，培养学生的探索精神和创新能力。課程教学与实验教学是两个各自独立的环节，但在教学过程中必须两者兼顾，不可偏废，并且保证知识学习的延续性。实际情况往往缺少一个有机的结合点，使两者相互促进，增强教学效果。这就需要在实验教学或者课堂教学中开展以仿真与实验相结合的专题研究型教学探索，充分发挥计算机仿真和实验操作的教学优势，多层次提高学生学习的主动性和创新性。

专题研究型教学的定位应非常清晰，主要有以下三点：其一，专题研究型教学属于新的教学模式，对锻炼学生专业能力具有重要的价值，值得院系注意，应在教学学时及实验室使用方面提供便利。其二，专题研究型教学是独立的教学环节，需要相关教师投入大量的精力和进行细心的指导。其三，专题研究型教学的考核应独立于传统的考核方式和评价体系。

三、开展专题研究型教学模式探索的主要举措

激光类课程一般是光电信息科学与工程专业本科生上大三时进行学习，该课程在该专业的教学活动中起到承上启下的作用，国内外知名院校的相关课程教学改革模式及改革措施是比较丰富的。我们的课程教学组注重加强教学讨论和专题讲座资料的收集，从注重提高教学效果和对学生综合能力的培养角度出发，在不影响完成教学大纲规定的课堂教学和实验教学任务的同时，实现专题研究型教学内容与课堂教学实验教学任务的有机结合。

比如以激光原理及应用课程为例，该课程是光电信息科学与工程专业的必修基础课，也是高校其他相关专业非常重要的基础课程。其教学内容丰富，课时量大。表1所示为与激光相关的课程和实验内容，通常会有2～3门激光类必修课和1～2门激光类选修课，在专业实验方面会有4～5个与激光相关的实验研究内容，在课程设计中也有较多的激光相关内容。培养方案通常会将课程学习、实验操作和课程设计安排在不同学期进行，这不利于学生对知识的掌握和巩固。而激光类知识在光电信息科学与工程专业中占有重要位置，且其相关课程要求理论性强，实验要求技术性强，是非常适合开展专题研究型教学模式改革和尝试的。

教师可从表1的课程和实验中抽出几个有着直接联系的内容，设计仿真与实验相结合的合理的专题研究型教学内容。实施时可将实验和理论学习有机融合，结合课堂教学的内容，把握教学重要知识点，有针对性地设计几个具体的专题内容，组织实施专题研究型教学，促进学生完成研究型专题内容的学习。通过整个学年的教学实施，专题研究型教学实现了课程教学和实验教学的有机融合，达到了改善教学效果、提高学生综合能力的目的。后续还需要进一步优化教学内容的衔接性和延续性。

这门课程的整个教学过程可以分为如表1所示的三个部分。

首先，在课堂教学中，传授涵盖主要原理、技术和应用方面的基础性知识，通过增加演示性教学内容，提高了学生的学习兴趣，进而调动了学生的学习积极性，培养了学生观察、思考、解决问题的能力，也促进了理论教学质量的提高。注重处理好课本中基础知识、基本概念、基本性质、基本现象的相互联系，注重引导学生理解掌握理论公式的物理意义、内涵与外延、应用领域与应用范围，同时注重开展启发式教学，加强对学生创新意识与创新能力的培养。

其次，灵活有效利用各种教学手段来提高学生学习效果。通过原理演示与教师讲解，使学生对课程中的学习重点、难点有一定的感性认识，以便于他们理解和掌握。可以结合LabVIEW、Matlab软件进行模拟仿真教学，使学生在多变的教学环境中学习和思考，拓展想象空间，提高对软件仿真方法和技术的认识，提高针对问题开展具体实验研究的积极性。

最后，在教学中将部分教学内容设计成研究型专题提供给学生，学生通过自己的探索和实践掌握仿真和实验研究的方法，在研究中获得知识，增加开辟新领域探索的勇气。在此基础上，还可以选拔优秀的学生参与到教师的科研项目中开展科学研究和探索，以促进其创新思维发展，提高其将理论学习和实践相结合的能力。

对不同的知识点设计不同的专题研究型教学内容时要体现基础知识的掌握和应用，并与课程设计内容区别开来。现举几个例子来说明。（1）在激光背景知识部分，提出的研究内容是激光发明的关键技术是什么，研究方向是谐振腔的使用和粒子数反转的实现。将这样一个专题作为入门，一方面让学生理解激光是综合其他技术而出现的技术革新和突破，另一方面让学生在研究过程中充分了解激光产生的历史背景，增强后续学习的兴趣。（2）在激光光束特性部分，提出的研究内容是激光光束在水中传播特性研究，让学生了解水中光束的散射特性，通过改变水的散射性质，进一步观察高斯光束变换的相关问题。（3）在激光输出特性部分，设置的研究内容是弛豫振荡特性的Matlab仿真及实验研究。基于微扰理论通过合理近似推导出弛豫振荡特性参量的表达式，通过仿真相关特性的影响，结合实验结果开展相关研究分析，可以达到非常好的学习效果和掌握程度。同样地，在其他教学知识点也可以设计这种讲授、仿真和实验相结合的专题研究型教学内容，构建相关的一体化教学体系。

专题研究型教学内容的考核与评价：做好专题研究型教学内容的考核是非常重要的，需要考虑与课程实验考核和课程设计考核的区别及联系，由学生利用课下时间在专业实验室独立完成。为了更好地反映教学效果，应做以下三方面的考虑：其一，相关任课教师应是专题研究型教学内容设计和考核的主体。其二，将专题研究型教学纳入激光课程中，所涉及的扩展实验部分，由专业实验室提供场地和设备，限制完成时限，由学生自主完成。其三，合理设置考核分数占比。也可以将专题研究型教学内容作为大作业布置给学生去完成。

四、专题研究型教学模式实施的效果分析

专业课程与实验是各自独立的教学内容，现有的教学模式缺少两者的有机结合，达不到理想效果。本课题的研究通过仿真与实验相结合的专题研究型教学，采用合理的教学模式和方法，改善教学效果，提升学生知识掌握程度，使学生实践能力的培养环节得到完善，对提高学生综合能力具有积极的作用。我们在光电信息科学与工程专业本科生整个大三学年实施了专题研究型教学，获得了良好的教学效果。学生普遍反映專题研究型教学不仅有助于巩固理论知识的掌握效果，也让学生有机会尝试从事科学研究、解决关键技术问题的基本方法，在掌握知识以及提升能力和素质方面均得到了较好的专业引导与锻炼。

五、结论与展望

光电信息科学与工程专业属于新工科的专业，开展专业课程教学模式改革研究对于新工科专业的教学模式建设有重要意义。通过专题研究型教学模式的改革探索发现该教学模式适用于理论性较强的专业基础课程，所获得的研究成果值得相关专业特别是新工科专业的课程教学借鉴。虽然采用该教学模式能取得良好的教学效果，但应重视做好对教师和学生两者积极性的保护。对教师来说，这样的专题研究型教学需要大量精力的投入，从目前来看，能够与教师的科研工作有机结合起来无疑是一种比较理想的方式。对学生来说，提高研究型学习考核比例，将研究型学习提升至竞赛乃至产出创新性成果的水平，无疑是提高学生深入研究积极性的有效办法。纵观整个专题研究型教学改革发展历程和现状，面对国家对高层次人才的需求，专业课程教学方法和模式的改革仍需要积极探索。

[ 参考文献 ]

[1] 孙刚成，杨晨美子.发达国家研究生教育教学改进的典型方式及启示：以美国、德国、英国、日本为例[J].黑龙江高教研究，2019（7）：126-132.

[2] 赵嵩卿，焦志勇.光学工程专业硕士实验教学体系的构建及实验室的建设[J].中国教育技术装备，2013（3）：140-141+148.

[3] 谭中奇，姜广文，谢文科，等.浅谈研究生课程《高等光电技术实验》的教学体会[J].高等教育研究学报，2012（1）：68-70.

[4] 杨应平，曾延安.光电信息类实验教学改革及实验教学体系[J].理工高教研究，2006（2）：127+140.

[5] 杨晓红，王凯渊，王兆春，等.设计性实验教学在研究生创新能力培养中的探索与实践[J].西南师范大学学报（自然科学版），2018（11）：166-171.

[6] 任宏萍，沈赟，支猛.专题研究型教学方法的探讨与实践[J].高教学刊，2016（18）：157-158.

[7] 孙琪.研究型大学本科人才培养模式改革研究及启示[J].山东师范大学学报（人文社会科学版），2013（6）：109-114.

[8] 王志，江兆潭.研究型固体物理课程教学探索与实践[J].大学物理，2017（10）：57-60+76.

[责任编辑：庞丹丹]

[收稿时间]2020-06-11

[基金项目]教育部产学合作协同育人项目“产学合作机制下光电专业实验教学改革师资提升计划”（201902282026）;哈尔滨工业大学教育教学研究项目“新工科背景下研究生跨学科联合培养模式研究”（JGYJ-2019039）。