基于工程认证的专业创新实验混合式教学模式的设计与探索——以铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及性能研究为例

杨绳岩，李宏林，高晓宝

(巢湖学院 化学与材料工程学院，安徽 巢湖 238000)

工程认证是工程教育改革的内在要求和必然趋势，也是各个高校提高人才培养质量、促进专业建设的有力保障.无机非金属材料工程专业是我院首批工程教育认证专业，其认证理念为“学生中心、产出导向、持续改进”[1].“学生中心”强调以“学”为中心要逐渐取代以“教”为中心的主导地位；“产出导向”强调教师在进行教学设计和教学实施的过程中，要以学生接受教育后所取得的学习成果为导向；“持续改进”强调对整个专业人才培养活动须进行全过程、全方位的跟踪与评价[2].因此，为了践行专业认证理念，改革课堂教学模式、改变教学方法、变革考核方式是促进教学质量提高、学生工程能力提升的有效方式.

专业创新实验是培养无机非金属材料工程专业学生实践能力和创新能力的一门课程，是专业基础课的理论与实践相结合的课程.该课程主要是面对大三的学生开设，在这之前学生已修完了基础实验和综合实验.基础实验是厚基础，即巩固基本操作；综合实验是强能力，即强化综合能力，而专业创新实验则是重探究，突出自主探究.传统教学模式注重“教师讲、学生听”，这不利于学生对专业知识的理解与应用，亦不利于培养学生的创新能力与实践能力.鉴于此，本着教学内容与专业知识相融合、科研成果向实验教学转化的原则，从笔者科研成果中选取用于专业创新实验的教学内容，将材料领域研究热点之一的压电陶瓷材料作为实验研究内容，充分体现了传统与前沿的有机融合.以铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及性能研究为例详细介绍混合式教学模式的设计与探索.

1 混合式教学模式的设计

在工程专业认证背景下，针对传统实验教学模式的弊端，笔者设计与探索了无机非金属材料工程专业创新实验教学新模式，采用“线上自主学习+线下翻转课堂”混合式教学模式，充分发挥学生的主观能动性、增强自我管理意识、拓展前沿知识储备、提高工程实践能力、培养创新思维，获得了较好的教学效果.

图1 以学生为主体的线上自主学习模式框架图

1.1 线上自主学习

预习是实验开设前的一项重要任务，预习不到位、预习不彻底、预习不深入将直接影响学生的学习效率、打击学生学习的积极性、遏制学生的学习潜能.传统的预习方法是学生对照实验参考书或教师讲义将实验内容象征性地抄写一遍，全程无思考、无疑问、无交流，机械地完成预习任务而已.这样的预习方式存在诸多弊端，诸如实验原理含糊不清、实验现象不知道原因、实验出现问题不知如何解决、实验数据异常不能及时发现等，这些问题根深蒂固，对实验前的预习方法进行有效改革将是一项刻不容缓的任务.

对传统的预习手段进行了改革，采用线上自主学习方法，以铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及性能研究为例，对以学生为主体的线上自主学习模式进行了探索和设计，其框架图如图1所示.

1.1.1 基本知识和技能

本着“以学生为中心”的核心理念，通过线上自主学习基本知识和基本技能，扭转“照方抓药”“应付了事”的残羹陋习，将“学会”变成“会学”.不同于基础化学实验，专业创新实验要求学生自主选题 、自主查阅资料、自主设计实验方案，这必然要求学生具备一定的自主学习能力.教师通过线上发布教学任务，让学生了解专业创新实验的目的，掌握无铅压电陶瓷的概念、分类、发现、发展及应用等基本知识.这个过程需要学生进行自主查阅文献，需要具备文献检索的能力.学生自行进入学校图书馆学习中文文献和英文文献的检索方法，要学会从多种途径检索文献，例如主题、关键词、篇名、作者、文献来源、DOI等.教师将任意选择一种方法在线上对学生文献检索效果进行检测，如指定一篇中文文献名和英文文献名，学生将检索结果发给指导老师审核，审核结果通过表明学生已基本掌握文献检索方法.接下来学生要认真阅读与主题密切相关的文献资料，对文章所研究的内容、所采用的实验方法、文章研究的意义及创新点进行深度思考，提炼全文的核心思想.为避免学生对文献知识的简单复印粘贴，所有预习问题的结果需全部写在预习本上，供教师检查.在自主学习过程中，学生具备了筛选整理资料、自主性深度思考、分析解决问题等能力.

1.1.2 提升知识和能力

教学内容与专业相融合对提高学生的专业素养、巩固学生的专业知识有着举足轻重的作用[4].结合笔者自身的科研领域，专业创新实验选择无铅压电陶瓷研究领域的一个子项目“铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及性能研究”作为专业创新实验项目.压电陶瓷对于学生来说是一个崭新的知识领域，完成此创新实验项目是对自主学习能力、创新能力的一次大胆的尝试和挑战.压电陶瓷材料涉及领域比较广泛，为了使学生有针对性地吸取文献精华，设置了问题导向，首先了解无铅压电陶瓷的分类，然后对其中的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷进行全面的了解，从研究现状、最新进展、改性原因、改性制备方法、性能研究手段等方面逐层深入，以达到对问题的全面认识.

通过线上自主学习，学生需要在规定时间内提交一份文献综述和设计一份实验方案来检验学习效果.在文献综述的基础上，制定可行的实验方案，内容要包括实验目的、实验方法、实验仪器及试剂、结果表征方法、性能检测手段等方面.这两项作业的完成在一定程度上提高了学生的自主学习能力、增强了专业知识，特别是对无铅压电陶瓷材料有了全新的认识，对未来从事材料领域的科研与工作打下了坚实的基础.

图2 翻转课堂教学设计模式

1.1.3 拓展知识和能力

1.1 乳腺癌组织来源 本研究中28例乳腺癌组织标本均来源于南昌市第三人民医院，入选标本为2016年1月至2017年6月间手术切除的乳腺癌组织。入选标准：①所有患者均行病理检查确诊为原发性乳腺癌［2］，并经高年资医生根据AJCC乳腺癌分期系统确定患者临床分期［3］；②所有患者无严重的肝、肾、心、脑等重要脏器损害；③研究符合伦理学标准，并通过了院伦理学委员会的批准，患者签署知情同意书；④年龄20～81岁，平均年龄（48.75±12.15）岁，体重42～60 kg，平均体重（44.00±3.86）kg。

在巩固基础、提升认知的前提下，适当引入科研前沿，在拓展学生知识面的同时，有效激发了学生的学习兴趣及专业自豪感，培养了深度思考、自主探究、分析问题、解决问题的能力.虽然无铅压电陶瓷受到了国内及国际研究者的青睐并取得了阶段性成果，但在进一步提高无铅压电陶瓷的压电性能方面遇到了瓶颈期，至今仍未研究出一种不论是在压电性能或是温度稳定性方面可与铅基压电陶瓷相媲美的无铅压电陶瓷.未来是否可以研发出高性能无铅压电陶瓷并实现其产业化，进而真正替代铅基压电陶瓷？无铅压电陶瓷的未来研究前景值得商榷和探讨.教师通过问题式引导带领学生对无铅压电陶瓷的未来前景进行深度思考并展开讨论，同时自主查阅有关无铅压电陶瓷的最新文献，了解无铅压电陶瓷的最新研究动态.

1.2 线下翻转课堂

近几年，翻转课堂教学法[5]受到了国内外教育者的青睐，这种新兴教学模

式扭转了课堂教学的不良局面，使“以教师为中心”的课堂教学自然转变为“以学生为中心”.本文结合工程认证专业创新实验的课程特点，以铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备及性能研究为例，对翻转课堂教学模式进行了设计与探索，期望为实验教学的翻转化提供参考.翻转课堂模式如图2所示.

1.2.1 实验前开设研讨课

传统实验教学模式通常是实验前教师详细讲解实验目的、实验原理、实验过程、实验注意事项等，学生处于被动接受知识的地位，自主创新意识薄弱[6].实验前开设研讨课，将课堂交给学生，学生成为课堂的主体，有效提高了学生自主学习、辩证思维、团队协作、总结归纳、表达交流等核心素养[7].

通过线上自主预习，学生完成学习任务才能进入实验室开展实验.实验前加入研讨课，8人一组，首先以组会的形式进行PPT展示，展示内容应主要包括两部分，第一部分为文献综述部分，介绍无铅压电陶瓷的概念、分类、发现、发展及应用，重点讲解最新一篇有关学科前沿的英文文献；第二部分为实验方案的设计，介绍选题背景、研究意义、实验方法，重点讲解铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的改性方法，并分析实验的可行性.结束课堂展示后，为进一步完善实验方案，师生将对实验细节展开讨论.在这个过程中，教师引入启发式教学手段，将实验难点和重点转化成思考题，学生将就问题各抒己见.研讨课的引入轻松扭转了课堂教学模式，学生一跃成为课堂教学的主体，不再被动接受，而是变为主动出击.这一转变促使课堂气氛活跃了，学生的学习积极性提高了，自主学习的意识增强了，课题设计、文献综述及论文写作等专业能力也得到了有效提升[8].

1.2.2 实验中先进仪器实训

创新实验将教师科研成果融入到实验中，即科研渗透教学，在实验制备、结果表征、性能检测等方面都要用到大型先进仪器.比如在改性铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的制备过程中要用到球磨机、电动压片机、高温箱式炉等；在结果表征步骤中要用到X-射线衍射仪；性能检测要用到温普测试仪、铁电测试仪、准静态压电常数测试仪.对于球磨机、电动压片机、高温箱式炉较便宜的仪器，学生在掌握使用方法后可独立操作使用.X-射线衍射仪、温普测试仪、铁电测试仪、准静态压电常数测试仪属于比较贵重的精密仪器，一般需要先经指导老师对仪器的使用原理、使用方法及使用注意事项进行讲解，然后在指导老师的陪同下独立完成仪器的使用.整个过程下来，学生对仪器的构造、原理、使用方法等都有了直观的认识和体会，对实验的前因后果有了更深刻的理解，也能够切身体会到先进仪器设备对科研成果的促进作用.

专业创新实验中穿插先进仪器实训在一定程度上提高了实验教学的含金量，提高了学生的参与度、积极性、主动性，动手操作能力也得到了有效提高；培养了学生的科研素养，为以后的毕业设计、考研与就业奠定了坚实的基础.

1.2.3 实验后数据分析方法

化学及材料类学生在本科阶段熟练掌握测试技术及相应的软件知识将对毕业设计、就业及研究生阶段的学习奠定良好的基础[9].创新实验将科研融入教学，实验后的数据分析必然要用到科研软件，将科研软件融入到专业创新实验中将会大大提高学生处理数据和解决问题的能力，激发了学生的主观能动性，拓宽了学生的学术视野.

在众多的实验数据分析处理软件中，Origin软件集数据分析和科技绘图于一体，利用该软件可以实现对各种数据快速分析处理，所得图形清晰美观，数据处理精度高，简单易操作，受到科研工作者的青睐，也非常适合大学生学习使用[10].铌酸钠钾基无铅压电陶瓷掺杂改性后样品的结构表征和性能分析，如XRD图谱分析、介电性能分析、压电性能分析、铁电性能分析等都要用到Origin作图软件处理数据.经过自主学习、分组讨论、教师引导，学生对这种功能强大、使用便捷的科研软件充满了好奇心和求知欲，熟练掌握了Origin软件的使用方法，懂得了规范作图、正确处理实验数据的方法，学生的科研素养得到了培养，主观能动性和解决问题的能力也得到了提高.

2 推行过程考核制度

客观公正合理的考核制度能够真正体现出学生的学业水平，及时发现学生的不足，便于查缺补漏，发现问题解决问题，更好地促进教师教学效果的提高[11].推行以学生为中心、符合工程认证标准的过程考核制度，在过程中、发展中对学生进行多元评价，重视评价学生的自主学习效果，强化对学生成绩、能力、综合素质的全面评价，不断完善过程考核方式和内容，力求实现评价模式从单一知识评价向以能力为主的多元化评价转变，引导学生在过程中自主学习、自我成长.

推行过程考核最明显的优势是能够消除个体差异带来的影响，为同学们营造一个公平公正的学习氛围.以学生的个体差异为前提，以工程认证的考核要求为标准，制定了富有弹性的过程考核制度.该考核制度分为三大部分(30%实验前、40%实验中、30%实验后)，每一部分又细化为多个分支，具体见表1所示.

表1 过程考核制度细化评分表

实践表明，这种贯穿整个实验教学过程的形成性评价模式避免了终结性评价的片面性，对于全面考查学生的综合实验素质、提高学生深入思考的积极性、培养创新意识及能力、锻炼沟通交流技能等方面均起到了积极的促进作用.

3 教学效果

(1)实验层面：铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的改性制备及性能研究为材料领域的前沿学科，整个实验过程囊括了无铅压电陶瓷材料的改性设计、制备、表征与性能研究，涉及多种大型先进仪器的使用，如X-射线多晶衍射仪、温谱测试仪、铁电测试仪、准静态压电常数测试仪，这些仪器分别测定陶瓷材料的晶体结构、介电性能、铁电性能、压电性能[11].该实验多维度多角度系统开拓了本科生对当今材料学前沿领域的认知.

(2)学生层面：通过线上自主预习，学生具备了文献检索、归纳总结、自主探究等能力，巩固了基础、提升了能力、拓展了视野；通过研讨课的陈述、交流与讨论，锻炼了学生的胆识与口才，培养了科研素养，激发了学习积极性；通过分组实验实训，学生掌握了改性制备无铅压电陶瓷的方法，熟悉了各类大型仪器的工作原理和使用方法，巩固了科研软件Origin的作图技巧[12].

(3)教师层面：本创新实验选材于教师的科研领域，将教学与科研有机结合，一方面有效提高了学生的科研兴趣、锻炼了综合能力，另一方面教师在指导实验的过程中结合学生的问题、疑问和想法可以迸出新的火花，进而促进了教师的科研进展，是一项教学相长的双赢过程.混合式教学模式在一定程度上解决了差异化教学难题，提升了预习效果和课堂效率，优化了人才培养机制.

4 小 结

在当前新工科教育的时代背景下，为顺应工程认证的专业需求，专业创新实验进行了“线上自主学习+线下翻转课堂”混合式教学模式改革，总结了实验教学实践的一些举措和思考，弥补了传统实验教学的不足.改革实施过程中将教学内容与专业知识相融合、科研成果向实验教学转化，有效补齐了基础知识差异、促进了学生的自主思考、锻炼了学生的实践能力、激发了学生的学习潜能.专业创新实验教学改革目标是为社会输出高质量、高要求的工程应用型人才，这是一个不断摸索、持续研究、努力创新的过程，需要师生之间密切配合，相互促进、共同进步.