教学改革中对学生创新意识的培养研究——以“工程材料基础”课程为例

李叶青，徐元婷，徐 泉，姜伟丽

（中国石油大学（北京）新能源与材料学院生物燃气高值利用北京市重点实验室，北京102249）

当今世界的科学领域不断延伸，工程材料的发展不断更新，工程材料和人类社会的发展始终并肩前行，单一的传授教材上的理论知识很容易使学生缺乏新鲜感和吸引力。此外，传统以教师为主体的教育方式不仅使学生成为被动接受知识的容器，而且也忽视了对学生学习能力的培养。

随着互联网技术飞速发展，知识的获取变得极其容易。因此，比起单一知识的传授，对学生学习能力的培育占据更重要的地位。21世纪的技能联盟提出要建立批判性思维、培养创造力和创新能力。人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，材料是人类用来制造各种有用物件的物质，是人类生存与发展、改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。工程材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构件和机械零件，包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蚀、耐高温等）的材料。十九届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划的建议》提出[1]，坚持创新驱动发展，激发人才创新活力，完善科技创新体制机制，强化国家战略科技力量。进入新时代，世界新科技发展势头迅猛，因此培养学生的逻辑思考能力、创新创业能力变得尤为重要。

从古至今教育的本质在于教育人、发展人，即一切教育要以人为本。具体体现并落实到教学上就是要打破以教师为核心的教学观，树立以学生为中心的教学观。科学的教学观就是要求正确面对以学生为主体，培养学生的主体精神，引导学生成为主体角色，最终目的是使学生具有创新意识和创新能力。

1 以创新意识为主体的总体框架

教育不是单纯地灌输知识，而是点燃思考的火焰。以学生为中心教学理念主要包含以下方面：第一构建协作型学习环境，第二独立思考模式体系的形成。在以学生为中心的教学观中注重的是学生由知识灌输对象转变为知识加工的主体，成为独立思考的构建者，教师由知识灌输者转变为引导学生主动思考的推动者。以往的教师独裁主义已然逝去，现在应本着平等、尊重的原则走进学生的心中，丰富学生心中的世界。

基于此，在教学过程当中教师要把枯燥难懂的专业知识转化为易于理解的实际应用，例如在本课程中各种材料是由相同或不同的元素组成，由原子、离子或分子通过不同的结合键结合而成。教师不仅要让学生了解工程材料可以通过离子键、共价健、金属键、分子键来进行分类，还要使学生明确如此分类的原因以及材料性能的特点。基于金属键的工程材料强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好。基于分子键和共价键的工程材料耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。陶瓷材料多由离子键和共价键形成因此具有熔点高、硬度高、耐热耐磨、脆性大、难加工等特点。而复合材料可以由多种化学键结合形成，因此可以人为地改性和加工成需要的材料。由此使学生明确每种材料相应的形成机理和分类十分重要，只有打下牢固的基础才能使学生更深一步积极探索未知领域，激发未来无限可能。

通过让学生们在轻松舒适的氛围下逐渐加深对专业课程的理解。另外，教师应鼓励学生课后通过多媒体等方式了解科技研究近况以开拓学生视野，引发学生思考。最后，丰富了学生对教师的评价体系，让教师知晓学生在学习和探索方面遇到的问题，以便于得到良好的沟通与解决。同时多方面的评价方式使教师能够更准确地接收到学生的反馈。

2 课堂教学模式改革

2.1 教学目标

“工程材料基础”是科学与工程类专业的技术基础课，其特点是基本概念多、与实际联系紧密，是一门应用学科。从人类最早使用的工具石器、到陶瓷的发明与使用和世界上最大的青铜器，到20世纪铁器和炼钢方式的发展，后面广泛兴起的天然高分子材料丝绸、光导纤维、激光晶体以及如今各种各样的新材料，如超导材料、形状记忆材料、磁性材料、玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等。其中玻璃纤维树脂复合材料在航空航天工业中用于制造卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等，超导、磁性、信息材料等用来制作光缆和磁悬浮列车（时速500 km）。陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。

“工程材料基础”这门课不仅让学生明白材料的重要性、材料的发展历史、工程材料的分类等多方面基础知识，还要让学生在充分理解当代材料的基础上勇于探索未来高性能材料的演变与形成。所以，为了使学生建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，教师对于话题引入和联系实际等方面需要进行巧妙的构思设计，并且还要针对性地将其与科研近况进行紧密结合。

例如在小组讨论课程上，教师要求学生结合工程实际探讨金属材料的实际应用。每个学习小组以PPT的形式呈现组内探讨结果，最后由教师来进行归纳和总结。这种方式能在充分调动学生学习积极性的基础上，加深学生的理解，扩宽知识领域，激发学生的团队意识和创新精神[2]。以学生为中心的教学模式在注重学生学习能力的培养的同时，也要兼顾学生的差异性。不同学生不仅在学习方法上有较大的差异，而且接受知识能力和自我约束能力有较大不同，教师的任务就是要充分挖掘学生的潜在价值，利用好学生在不同方面的优势，因材施教[3]。组织学习活动时教师要给予学生充分的自主权，提供多元化的学习方式，促进学习氛围的形成，以提高学生的创新协作能力。

2.2 教学方式

2.2.1 构建团队协作型学习环境

“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳”，良好的学习氛围是培养自主学习的起点，心理学家布鲁纳提出[4]：当人处于浓厚的学习氛围下，会受到积极的情绪感染，从而提升学习兴趣。以学生为中心的学习课堂鼓励师生之间相互尊重、相互欣赏、相互信赖，学生之间要养成良好的默契，相互帮助，建立起友好的交流和互动。

2.2.2 独立思考模式体系的形成

保证科学的前提是学会独立思考，无论是灵光乍现，还是思如泉涌阶段，首先必须有明确的目标和观点，即使观点并不十分明确，但是独立思考的过程就是逐渐接近它的过程。创造力不仅仅使一种技能，更是一种状态，而独立思考是塑造创造力的前提。因此为了充分提升学生独立思考的能力，教师会向学生提供良好的问题情景和充分的独立思考时间，使学生把课上所学习的知识和课后独立思考的内容高效地结合起来，从而达到最优的教学效果。

2.2.3 培养创新性思维

为充分提升当代大学生对创新性习惯的重视情况，教师在课堂上充分介绍目前先进的科研技术情况，并且以PPT动画的方式形象生动地表达给学生，使学生在理解传统工程材料的基础上，能够更好地与新型材料应用技术融合起来。例如教师在课堂上提出的《Nature》最新成果——室温超导，引起了众多学生的广泛关注，新型材料的性能激发了学生对于未知领域探索的潜力。人类对于材料的认识是逐步深入的，1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）。2017年崔屹在《Science》上发表了论文《冷冻电镜——揭密电池材料和界面原子结构》，这些话题的引入都会激发学生思考的意识，使学生积极主动地查阅多方面的资料，以便更深入的探索学习。

3 创新改革效果

落实以学生为中心的教学理念必须将它充分实施到教学实践当中去，“工程材料与基础”课程受到了众多学生的一致好评，在教学评价方面，90.6%的学生认为教师授课态度认真负责，不但营造了适合学习的氛围而且课外对学生的学习情况十分关心。87.5%的学生在教师的严格要求和精准指导下，对课程相关知识（作业、测验、报告等）和反馈（讲解、点评）加深了理解和思考，使学生提升了分析、解释或解决实际问题的意识和能力。84.5%的学生通过学习本次课程激发了学生的学习热情和学习动力，使学生的主动学习意识得到改善，独立思考能力得到提高。81.3%的学生深刻体会到了教师展示课程的重要意义，认为教师阐明了各项知识之间的潜在关联。此外教师还注重对学生进行思想品德的教育，提供了丰富的学习资源，无论课上还是课下都给予学生关心和帮助，给学生留下了深刻印象。综上所述学生在本学期所学的所有课程中认为本课程的教学效果是最好的约占70%左右。

本次创新教学模式改革虽取得了明显的成效，但仍然有21.0%的学生提出教师课程进度安排不合理等现象，这主要是由于学生的学习能力参差不齐以及学习方式的差异性造成的，针对这类问题可以采用分批次教学，给不同的学生设置相应不同程度的任务以兼顾水平较差的学生，另外在班级中实行互帮互助原则，由教师指派学生进行一帮一互助，来更加高效地改善教学情况。此外，在未来的教学过程中我们要从石油院校的实际出发，针对学生提出的各项问题来进一步优化教学方案调整课程结构。

本次教学方法采用抛出问题和布置任务的方式，充分激发出学生对新领域的好奇，培养学生独立思考问题的能力。扮演好引领者的角色，积极响应国家“十四五”规划对于新时代下人才培养的要求，培养一代代具有创新能力的青年科技人才是我们矢志不渝的责任。