基于科教融合的“材料的力学性能”课程教学模式改革研究

孔志刚，李金泉

（北京邮电大学现代邮政学院 北京 100876）

“科教融合”是指在教学过程中，将“科研”与“教学”紧密融合起来，实现两者有效互补，从而达到培养创新人才的目标[1]。如何提高学生的实践应用能力，一直以来是高等教育发展中的重点问题[2]。在19世纪，丹尼尔·吉尔曼就首先提出了“教学科研结合”的理念，为高等教育的发展和创新指出了发展方向[3]。近些年我国发布的《国家中长期教育改革与发展规划纲要》也指出，高等教育“要倡导学生参与科学研究，促进科研与教学互动，强化实践教学环节”[4]。

但是长期以来，研究生专业课程教学侧重于对理论知识的讲解，而忽略了学生实践能力的培养。随着社会经济的发展，这种传统教育方式已经远远不能满足要求[5]。因此，国家及教育部不断提出推动高校研究生教育改革，倡导教学和科研紧密结合，科研要反向支撑教学，鼓励在教学中融入科研从而提升研究生科研创新能力[6]。“材料的力学性能”属于机械工程研究生的专业课程之一，与后续专业课程学习和科学研究有着紧密联系。在该课程的教学过程中，如果能将教材理论知识和科研有效结合，则有助于学生牢固掌握理论知识，有效地提高学生的专业兴趣和学习能力[7]。

本文针对课程“材料的力学性能”提出基于“科教融合”的科研项目案例分析教学模式，目的即在于通过课程的科教融合，将教学与科研有机、高效地结合起来，利用“教学”环节教授课程的基本知识，利用“科研”促进学生应用课程中学到的知识解决工程领域中的实际问题，从而培养学生独立探索、研究和创新实践的综合能力。

1 教学改革思路和方法

课程改革的总体思路是将研究生课程的理论教学环节与工程实践紧密对接，将工程项目有效融入教学中，教学改革的整体思路和过程如图1所示（p112）。

图1 基于科教融合的科研项目案例教学流程图

首先，在教师对课程理论和工程实际有深刻的理解和把握的前提下，从所经历的科研项目中，提炼项目案例，加入教学环节中。在案例设计环节，密切结合教材课程理论知识，同时兼顾理论知识的学习，帮助学生掌握利用理论知识分析实际工程应用问题的方法。

例如，教师承担了国家重点研发计划项目中的一项子课题“宽频带同轴步进衰减器工程化和产业化开发”，该项目的研究对象宽频带同轴步进衰减器广泛应用于频谱仪、矢量网络分析仪等测试设备中。宽频带同轴程控步进衰减执行机构材料为铜合金，其性能、可靠性的提高往往受制于铜合金的性能。因此结合该机械执行结构，将其涉及的力学性能问题及解决方案设计为课程教学的一项案例，案例包括的内容有：①宽频带同轴步进衰减器的结构、功能及其应用。②宽频带同轴步进衰减器的材料及其性能。③衰减器的材料在应用过程中出现的力学失效现象。④力学失效现象与教材理论知识的结合分析。⑤衰减器材料力学性能的改善措施及方案。

案例设计完成后，教师在上课前先通过线上方式发给学生，要求学生提前根据资料预习案例内容，并结合教材理论知识对案例进行分析。通过线上线下教学互相衔接，可以利用二者的优势提高教学效率[8]。在学生充分了解案例及其背景知识的前提下，教师和学生一起在课堂上对科研项目案例进行分析。帮助学生掌握案例的内容及与案例相关的理论知识，并且对案例的工程应用情况进行介绍和分析，使得学生不仅仅获得了理论知识，而且明白这些知识的工程应用情况，增强了学生对知识学习和掌握的成就感。

在充分了解学生专业背景、研究方向的前提下，将不同学生优化组合后分成若干个研学小组。课堂上教师组织学生围绕一定教学内容及科研项目案例展开探讨研究，促使每个小组成员参与分析案例，踊跃发言，达到学生之间、师生之间高效互动的学习状态。课后，学生再以小组为单位，查阅文献，并对已给的案例问题进行扩展分析，撰写案例分析报告和多媒体课件。下次上课时，学生采用翻转课堂方式对科研项目案例学习情况进行总结汇报。翻转课堂是让学生课下完成部分知识的学习，课堂上学生通过多媒体课件来对教学内容进行讲解，教师和其他学生对其汇报的内容及形式进行评价，将课堂变成师生之间以及学生之间互动的场所[9-10]。在汇报结束后，教师指导学生进行互评，评价内容包括报告内容、多媒体课件制作水平、汇报语言的逻辑性等。

另外，在教学过程中，教师应根据教学内容及学生意愿，安排学生参与科研项目，在实际项目过程中培养学生的科研能力及熟练应用和掌握课程理论教学内容。

例如在教授教材第五章《疲劳》时，由于金属材料疲劳的现象及其概念比较复杂抽象，同时理论教学部分包含大量复杂数学和力学公式，学生对疲劳裂纹的生成、扩展和断裂过程缺乏直观和具体的理解，因此引入了同一时期教师正在主持的一项关于材料抗疲劳性能的科研项目，该课题的研究内容之一是研究变动载荷对动簧片抗疲劳性能的影响规律。在项目执行过程中，结合该金属材料构件在振动环境中产生的失效机理，让学生参与项目的研讨和方案设计，制订具体的研究方案，参与振动实验，并对振动实验后的样品进行了电镜能谱分析。在课堂上，教师以该项目为例，结合教材相关内容进行讲解，使得学生进一步掌握了这一章的理论知识。

采取多样化考核方式。课程考核改变以往只注重书面考试的单一形式而采用了过程考核方式。在整个教学过程中，全面考核学生在整个教学环节的表现，包括对案例的分析讨论、案例分析报告、多媒体课件制作及汇报等。对学生的学习态度、研究能力等多方面进行综合评价并给出最终成绩，全面评价学生的学习效果。在期末还采取科研项目答辩、翻转课堂的形式对学生进行评估。这种以过程考核为主的考核方式极大地促进了学生的自主学习，培养了学生思考和解决问题的能力。经过课后的研究报告及多媒体课件的撰写以及后续的翻转课堂，同学们进一步扩展了相关知识，获得了良好的学习效果，同时对科研项目的研究过程和项目报告的总结方法也有了深刻的认知和体会。

2 教学改革取得的成效

在“材料的力学性能”研究生课程教学过程中，教师融入了科教融合的理念，把最新的科研成果融入教学内容中，以科学研究促进了教学，同时提高了学生的创新和实践能力，具体成效为：

2.1 提高了学生的学习兴趣

通过将工程材料力学性能领域前沿问题有机教师融合到课程教学中，增加了教学的广度和深度，将该领域前沿问题和课程中的理论知识相结合，使学生深入了解相关科研或实践的动态，从而提高了学生对课程学习的兴趣与积极性，促进学生对于目前工程领域技术前沿问题等的讨论与探究。

2.2 显著提高了课堂教学水平

针对“材料的力学性能”教学中的内容，从教师的科研项目中提炼出优秀的教学案例，引入理论教学中，将比较抽象的理论知识与实际工程问题紧密结合。通过科研项目案例分析，实现了教学方式和方法的多样化，教与学有机结合，在教学过程中加强课堂讨论，改善并提高了课程教学效果。

2.3 教学反向也促进了科研，提高了教师和学生的科研水平

通过该课程的科教融合和科研项目案例分析，达到教研相长的目的，培养了学生的创新能力，使学生能主动提出问题，独立思考，帮助研究生尽快进入科研项目和课题研究的状态。

2.4 促进了学生综合素质和能力的提高

课程改革不仅帮助学生掌握自然科学理论知识，而且还通过小组讨论和翻转课堂的形式，让学生大胆地进行自我表达，培养了学生良好的表达能力和组织能力，这些综合素质能力的培养和提高将使研究生在课题研究及今后的工作过程中获益匪浅。

3 结语

本项课程改革基于科教融合的原则，将教学与科研在内容和形式上有机融合和相互渗透。教师在教授知识的同时，注重引导学生参与科研项目和掌握相关理论知识的应用。通过课程改革，不仅提高了学生学习的主动性和积极性，而且促进学生熟悉和掌握目前相关工程领域的技术前沿问题。在今后的课程教学中，可以进一步以科研项目为引领，指导学生进实验室，参与更多的科学研究与探索，培养学生创新意识，提高学生实践能力。