程東霽,陳三明,林雄萍,楊 琳

(集美大學(xué)誠毅學(xué)院,福建 廈門 361021)

教育部提出建設(shè)和發(fā)展新工科是為了應(yīng)對新的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革及新經(jīng)濟發(fā)展對工程教育的改革與發(fā)展提出的挑戰(zhàn)。目的是培養(yǎng)出滿足未來新產(chǎn)業(yè)需要的,具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、動態(tài)適應(yīng)能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才[1]。高等院校、專家學(xué)者積極探索與實踐新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)模式。2019年10月,教育部出臺了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》,明確提出關(guān)于本科人才培養(yǎng)應(yīng)“推動科研反哺教學(xué),強化科研育人功能”。鼓勵教師在教學(xué)過程中,及時把高校或企業(yè)最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容,提升工科專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的時代性,激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣,全面提升學(xué)生的綜合能力及素養(yǎng)[2,3]。

目前,人才供需兩側(cè)高校與企業(yè)之間關(guān)于新工科人才培養(yǎng)的矛盾依然突出。通過走訪企業(yè)調(diào)查畢業(yè)生就業(yè)情況,與企業(yè)人力資源及技術(shù)部門深入交流了解到:科技革命、產(chǎn)業(yè)變革給企業(yè)生存與發(fā)展帶來巨大壓力與挑戰(zhàn),企業(yè)需要創(chuàng)新速度快、產(chǎn)品迭代能力強。面對這種挑戰(zhàn),對工程技術(shù)人才的跨學(xué)科交叉知識、工程實踐能力及職業(yè)素養(yǎng)要求日益提高。審視“以教為主”的傳統(tǒng)教學(xué)中存在以下不足:學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足;跨學(xué)科知識學(xué)習(xí)及應(yīng)用場合少;實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容滯后行業(yè)應(yīng)用;創(chuàng)新能力較弱,訓(xùn)練機會少;學(xué)生溝通表達能力弱、協(xié)作分享意識不足、缺乏職業(yè)素養(yǎng)。

因此,如何彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足,更加高效地達到人才培養(yǎng)目標(biāo),是高校教學(xué)改革的重點,更是新工科建設(shè)的目標(biāo)。林健在論述扎實推進新工科建設(shè)中強調(diào)注重發(fā)展多學(xué)科交叉知識的人才培養(yǎng)模式[4]。秦璐強調(diào)在教學(xué)內(nèi)容上注重多學(xué)科交叉融合[5]。本文提出“項目式創(chuàng)新教學(xué)”新模式,兼顧企業(yè)技術(shù)需求和新工科人才培養(yǎng)目標(biāo),是一種強調(diào)讓學(xué)生主動積極探索問題,注重多學(xué)科交叉知識融合、注重實踐能力的培養(yǎng)、注重核心素養(yǎng)達成的人才培養(yǎng)模式。

一、項目式創(chuàng)新教學(xué)的內(nèi)涵

(一)項目式教學(xué)的起源與發(fā)展

項目式教學(xué)起源于16世紀的歐洲建筑學(xué)校和工程教育運動,是一種以學(xué)生為主體,由教師精心設(shè)計項目實施的各個環(huán)節(jié),讓學(xué)生通過積極探索并解決實際存在的問題來獲取知識與技能的教學(xué)方法。1918年,在《項目教學(xué)法》一書中,William Heard Kilpatrick(威廉·赫德·克伯屈)首次提出并定義了“項目式教學(xué)”的概念,將項目的概念擴展到教學(xué)領(lǐng)域[6]。此后,各國開啟了研究項目式教學(xué)的熱潮。美國Sally Berman(薩利·伯曼)根據(jù)加德納的多元智能理論撰寫了《多元智能與項目學(xué)習(xí)——活動設(shè)計指導(dǎo)》,為推行項目式教學(xué)提供策略,并指明項目式教學(xué)對學(xué)生多元智能的發(fā)展有積極作用[7]。美國巴克教育研究所認為,“(項目式學(xué)習(xí))是一種有系統(tǒng)的教學(xué)方法,學(xué)生面臨問題和挑戰(zhàn)時,經(jīng)由對問題的深入探討及互動交流,透過討論復(fù)雜議題、精心規(guī)劃任務(wù)及解決問題的過程,學(xué)習(xí)到知識及技能”。巴克教育研究所與美國博伊西州立大學(xué)等高校合作創(chuàng)建免費的項目式教學(xué)網(wǎng)站,提供豐富的項目資源、指導(dǎo)建議、資料以及教師專業(yè)發(fā)展的相關(guān)培訓(xùn)課程[8]。

項目式教學(xué)于20世紀90年代引入國內(nèi),德國安內(nèi)莉澤·波拉克女士在1995《科學(xué)課》雜志上介紹了項目教學(xué)法的價值及其在德國基礎(chǔ)教育教學(xué)中的應(yīng)用[9]。此后,項目式教學(xué)逐漸滲透到基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育等各類教育領(lǐng)域,項目式教學(xué)模式得到了充分的肯定與發(fā)展。

(二)項目式教學(xué)的特點

項目式教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué),具有學(xué)生主體、注重應(yīng)用、成果導(dǎo)向等特征,是一種打破學(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)、圍繞項目來組織課程的教學(xué)模式,更是一種能夠有效促進學(xué)生自我建構(gòu)活動、發(fā)展學(xué)生高級能力的學(xué)習(xí)方式。在教學(xué)過程中,學(xué)生的參與感較強,學(xué)習(xí)知識有用、有趣、有效,學(xué)習(xí)主動性提升。

項目式教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)兩者之間是相互輔助、交叉滲透的關(guān)系。高等教育教學(xué)過程遵循通識課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的教學(xué)順序,層層推進。這種方式具備嚴謹?shù)目茖W(xué)性及邏輯性,但因“學(xué)”與“用”之間時間跨度較長,學(xué)完的知識較長時間得不到應(yīng)用導(dǎo)致遺忘率增加、學(xué)習(xí)目的性不強、學(xué)習(xí)主動性不足。項目式教學(xué)專注于“以用促學(xué)”“學(xué)以致用”,縮短學(xué)與用的時間周期,增強學(xué)習(xí)動力、提高學(xué)習(xí)效率、提升學(xué)習(xí)效果。

(三)項目式創(chuàng)新教學(xué)的優(yōu)勢

項目式學(xué)習(xí)對教學(xué)效果及能力的培養(yǎng)具有一定的促進作用,但現(xiàn)在項目式學(xué)習(xí)存在以下問題:項目課題陳舊,涉及交叉學(xué)科知識少,滯后企業(yè)應(yīng)用,評價標(biāo)準(zhǔn)單一等。楊明全指出:“重建項目式學(xué)習(xí)的時代價值意味著以新的思路去破解傳統(tǒng)教育的沉病和痼疾;重建其方法論價值,為素質(zhì)教育發(fā)展提供育人方式的選擇?！盵10]針對傳統(tǒng)項目式教學(xué)的不足,本文對傳統(tǒng)項目式教學(xué)進行創(chuàng)新升級。與傳統(tǒng)項目式教學(xué)相比,項目式創(chuàng)新教學(xué)具有以下四個創(chuàng)新點:

(1)課題來源由教師設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)研究項目。項目式創(chuàng)新教學(xué)以解決企業(yè)實際工程問題為導(dǎo)向,以學(xué)生為中心,強調(diào)學(xué)生對知識的主動探索。

(2)教師的職責(zé)由設(shè)計指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣餐剿鞑⒅笇?dǎo)。同步提升教師的參與度,對師資力量的提升與專業(yè)建設(shè)有促進作用。

(3)評價標(biāo)準(zhǔn)由學(xué)校評價轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)校和企業(yè)聯(lián)合評價。項目式創(chuàng)新教學(xué)強調(diào)多維度、過程性評價,有助于更合理地對學(xué)生綜合素質(zhì)進行培養(yǎng)。

(4)提升項目式教學(xué)的價值。新工科知識與技能的應(yīng)用與新技術(shù)交叉融合產(chǎn)出新成果,校企雙方皆受益,促進校企合作的良性循環(huán)。

綜上所述,項目式創(chuàng)新教學(xué)具備以下優(yōu)勢:

(1)項目課題來自企業(yè)的實際需求,緊跟行業(yè)前沿,縮小學(xué)校教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)應(yīng)用之間的差距。

(2)綜合交叉學(xué)科的知識與能力,讓學(xué)生更全面理解知識體系。

(3)項目式創(chuàng)新教學(xué)“以用促學(xué)”“學(xué)以致用”,激發(fā)學(xué)生求知欲,變被動接受知識為主動探索。

(4)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識;提升協(xié)作交流能力、社會責(zé)任感等綜合素質(zhì),促進學(xué)生全面發(fā)展。

(5)同步提高教師實踐與科研能力,使其具備企業(yè)思維與實戰(zhàn)經(jīng)驗。

二、項目式創(chuàng)新教學(xué)在新工科人才培養(yǎng)中的作用

新工科人才應(yīng)具備知識、能力、社會合作及終身學(xué)習(xí)四個維度十一項核心能力及素養(yǎng)。如圖1所示。

圖1 新工科人才核心能力及素養(yǎng)

項目式創(chuàng)新教學(xué)基于未經(jīng)簡化和抽象的企業(yè)前沿工程問題,必然涉及多學(xué)科交叉融合的知識學(xué)習(xí)與運用,對知識的學(xué)習(xí)與運用的時效性有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性;通過工程實踐,解決企業(yè)的新技術(shù)問題產(chǎn)出新成果,在鍛煉學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的同時,提升學(xué)生的自信與成就感。以下分別闡述項目式創(chuàng)新教學(xué)在新工科人才培養(yǎng)中的作用。

(一)項目式創(chuàng)新教學(xué)注重與學(xué)生交叉知識應(yīng)用相聯(lián)系

企業(yè)的工程項目歸屬某些特定行業(yè)領(lǐng)域,會涉及材料、力學(xué)、機械、制造技術(shù)、熱力學(xué)、電學(xué)、自動控制、工業(yè)軟件應(yīng)用等多方面知識交叉與綜合。在思考解決問題的過程中,學(xué)生需要全面了解項目課題涉及的知識,促使學(xué)生習(xí)得多學(xué)科交叉知識,并進一步理解各科專業(yè)知識之間的聯(lián)系及應(yīng)用。

(二)項目式創(chuàng)新教學(xué)注重與學(xué)生實踐能力培養(yǎng)相聯(lián)系

在項目推進過程中,由于項目內(nèi)容并無標(biāo)準(zhǔn)答案,需要學(xué)生通過深度學(xué)習(xí)和探索發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。教學(xué)活動的分解,包括課題背景調(diào)研、原理分析、確定方案、因材施教的進行分向教學(xué)。在解決問題的過程中,引導(dǎo)學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴,綜合所學(xué)知識,主動探求新知識、習(xí)得新能力,促進實踐能力全面提升的目標(biāo)達成。

(三)項目式創(chuàng)新教學(xué)注重與學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練相聯(lián)系

新工科建設(shè)不僅要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,還要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力,使學(xué)生既具有工程實踐能力又具備科學(xué)探索精神。項目式創(chuàng)新教學(xué)通過學(xué)生完成一個或多個子任務(wù)的過程,逐步養(yǎng)成創(chuàng)新思維、積極思維。

(四)項目式創(chuàng)新教學(xué)注重與學(xué)生核心素養(yǎng)達成相聯(lián)系

項目式創(chuàng)新教學(xué)不是簡單地把專業(yè)課程變成一個個獨立的知識點,而是通過實際工程項目的設(shè)計和實施,將各科專業(yè)知識、技術(shù)技能、創(chuàng)新精神、綜合素質(zhì)有機地融合在一起,通過項目實踐過程中的細節(jié),浸潤正確積極的價值觀,使知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造同向同行,有效促進核心素養(yǎng)的達成。

三、項目式創(chuàng)新教學(xué)思路設(shè)計及實例實施

項目式創(chuàng)新教學(xué)從培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)活動、教學(xué)評價和預(yù)期成果四個維度以知識應(yīng)用、能力培養(yǎng)、思維訓(xùn)練和素養(yǎng)達成為目標(biāo),通過項目選題、任務(wù)分解、師資適配、流程管理四個方面推進教學(xué)活動,形成過程性評價,對項目式創(chuàng)新教學(xué)進行闡述,探索新工科高水平人才培養(yǎng)教學(xué)模式。教學(xué)思路如圖2所示。研究項目選題、進行任務(wù)分解、精心挑選對應(yīng)的指導(dǎo)教師組建導(dǎo)師組、分解項目推進過程中每個環(huán)節(jié)任務(wù)匹配的知識、能力、素養(yǎng)圖譜,有步驟有計劃地進行教學(xué)流程管理。最后根據(jù)多維評價體系對項目做出合理有效的評估,最終實現(xiàn)學(xué)生核心能力及素養(yǎng)的目標(biāo)。

圖2 項目式創(chuàng)新教學(xué)思路

以IGBT散熱基板優(yōu)化項目為例,對機械工程專業(yè)的本科生開展的創(chuàng)新的項目式教學(xué)設(shè)計圍繞以下三個宗旨:選題方向與產(chǎn)業(yè)發(fā)展、企業(yè)需求相耦合;項目開展與新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)相融合;效果評價與培養(yǎng)目標(biāo)、企業(yè)需求相契合,如圖3所示。

圖3 項目式創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計的三個宗旨

以下將分別從選題導(dǎo)向、活動展開、知識架構(gòu)、過程評價和育人宗旨五個方面闡述項目的開展情況。

(一)企業(yè)研究前沿的選題導(dǎo)向

項目式創(chuàng)新教學(xué)在選題研究方面具備以下四個特點:

專業(yè)性:即涵括專業(yè)知識與技能。

應(yīng)用性:即貼近社會和企業(yè)實際工作的應(yīng)用,有助于激發(fā)學(xué)生觀察、分析和思考現(xiàn)實的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的探索能力。

創(chuàng)造性:即挑選企業(yè)迫切需要的基礎(chǔ)理論難題或具體工作上的新難題開展探討,爭取在本技術(shù)專業(yè)的科學(xué)研究或業(yè)務(wù)工作中有探索與發(fā)現(xiàn)和新造就,實現(xiàn)企業(yè)與高校在合作中皆受益。

可行性:綜合考慮教師團隊具體科學(xué)研究工作能力、選擇教師熟悉或感興趣的商業(yè)領(lǐng)域的課題。

以企業(yè)前沿“IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)散熱基板優(yōu)化”項目為例,IGBT散熱基板如圖4所示。該項目的選題具備專業(yè)性,內(nèi)容涵蓋材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體仿真、熱力學(xué)等專業(yè)知識。具備應(yīng)用性,IGBT國產(chǎn)替代,需要研究其散熱性能,幫助企業(yè)進行仿真分析與實驗。具備創(chuàng)造性,研究成果是企業(yè)所需,校企合作雙贏模式。具備可行性,無論是專業(yè)知識、工業(yè)軟件的應(yīng)用、實驗條件學(xué)校皆可為課題研究提供有力支持。

圖4 IGBT散熱基板

(二)學(xué)生深度參與的開展活動

IGBT散熱基板優(yōu)化項目,通過將學(xué)生分組,分別承擔(dān)不同的項目任務(wù),比如將學(xué)生分為材料小組、工藝小組、仿真小組和實驗小組等。每個小組分別承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù),共同完成項目。在項目的實施過程中,教師分析問題并及時引導(dǎo)學(xué)生解決問題。學(xué)生在實踐過程中遇到困難時,教師提出思路與方向,激發(fā)學(xué)生思考,提供有效的幫助,但不直接幫忙解決問題,以學(xué)生高度參與為宗旨。

首先研究技術(shù)需求,根據(jù)芯片發(fā)熱功率及許可工作溫度范圍,設(shè)計冷卻方案。解決問題的過程,導(dǎo)師引導(dǎo)學(xué)生進行調(diào)研、查閱文獻資料、學(xué)習(xí)材料、加工工藝等知識,分析眾多影響因素對目標(biāo)變量的影響。充分調(diào)動學(xué)生主觀能動性,探索各學(xué)科知識內(nèi)在的聯(lián)系。在尋求滿足多目標(biāo)的設(shè)計方案過程中,學(xué)會解決多學(xué)科間的沖突,尋找平衡點即最佳方案。

(三)學(xué)科交叉融合的知識架構(gòu)

IGBT是各類高壓大容量電力換流和控制裝備中能源變換與傳輸?shù)暮诵墓β势骷?廣泛應(yīng)用于航空航天、智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源等國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。項目針對提高IGBT模塊散熱效率,降低IGBT封裝熱阻的需求,并解決銅基板與DBC襯板因熱膨脹系數(shù)差異經(jīng)多次熱循環(huán)后破壞引發(fā)芯片傳熱失效問題,研究用鋁碳化硅(AlSiC)基板替代銅基板,內(nèi)容包括高體份AlSiC性能的提升、AlSiC材質(zhì)IGBT基板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備和散熱性能研究。該項目的研究涵蓋了材料、仿真、流體、控制、熱力學(xué)、工藝、制造技術(shù)等知識體系。

(四)多元綜合反饋的過程評價

項目式創(chuàng)新教學(xué)的評價方式,從工程教育專業(yè)認證的角度出發(fā),采用多元化評價體系對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進行評價。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的綜合評價,引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的工程觀念,培養(yǎng)其解決復(fù)雜工程問題的能力,提升其社會責(zé)任感和職業(yè)素養(yǎng)。

在項目式創(chuàng)新教學(xué)中,學(xué)生的成績由三部分組成:個人成績(占比50%)、團隊成績(占比30%)和結(jié)題報告(占比20%)。其中,個人成績主要由學(xué)生在項目過程中完成的階段性研究報告、PPT匯報、項目結(jié)題報告組成;團隊成績由學(xué)生在項目過程中所做的方案設(shè)計、團隊協(xié)作能力和實踐操作等方面組成;結(jié)題報告則主要由學(xué)生撰寫的論文等形式來反映。每一項分數(shù)由學(xué)生自評、小組互評、教師評價和企業(yè)評價組成,考核內(nèi)容及占比如表1所示。

表1 項目式創(chuàng)新教學(xué)考核內(nèi)容及占比

(五)核心素養(yǎng)全面提升的育人宗旨

在項目推進的過程中,面對未知領(lǐng)域,學(xué)生主動提出問題和分析問題,利用豐富的數(shù)字資源,通過查閱文獻學(xué)習(xí)新知識、新技能,不斷促進自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)思維方式的養(yǎng)成。與課題組成員及企業(yè)方協(xié)同工作過程中,分工合作、交流表達,提升應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力的同時不斷增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同學(xué)們通過對項目的研究探索與落地實施,堅定專業(yè)信心、感悟國家制造業(yè)高速發(fā)展,并以此不斷樹立報效祖國的家國情懷,這就是“項目式創(chuàng)新教學(xué)”多角度、多方位育人的“入微滲透”。

“IGBT散熱基板優(yōu)化”項目式創(chuàng)新教學(xué)匹配新工科高水平人才能力圖譜如圖5所示。從圖中可見,對項目進行任務(wù)分解,每一項任務(wù)在知識應(yīng)用、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提升和價值塑造四個方面都對應(yīng)了新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的內(nèi)容。通過完成 IGBT散熱基板優(yōu)化項目,機械工程專業(yè)學(xué)生具備了交叉學(xué)科的知識、工程實踐技能、創(chuàng)新能力、核心素養(yǎng),進一步完成價值觀的塑造。

圖5 “IGBT散熱基板優(yōu)化”項目式創(chuàng)新教學(xué) 匹配新工科高水平人才能力圖譜

四、結(jié)論與展望

本文圍繞新工科核心能力與素養(yǎng)的提升,針對傳統(tǒng)教學(xué)與傳統(tǒng)項目式教學(xué)的不足,從四個方面對項目式教學(xué)進行創(chuàng)新,闡述其在人才培養(yǎng)中的作用,并以“IGBT散熱基板優(yōu)化”項目為例,闡明展開項目式創(chuàng)新教學(xué)活動的設(shè)計思路與實施宗旨,分解任務(wù),匹配新工科高水平人才能力圖譜。通過實施項目式創(chuàng)新教學(xué),打通相關(guān)專業(yè)課程之間的壁壘,探索工程教育的內(nèi)在規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生具有寬厚扎實的基礎(chǔ)知識和自主學(xué)習(xí)能力,高效學(xué)習(xí)、獨立思考、獲取新知識、解決問題的能力,學(xué)以致用,培養(yǎng)嚴謹治學(xué)的專業(yè)態(tài)度和精益求精的工匠精神,為社會及企業(yè)輸送具備扎實基礎(chǔ)、知識面廣、素質(zhì)全面、創(chuàng)新能力強的新工科高水平人才。

未來,項目式創(chuàng)新教學(xué)需要不斷完善與發(fā)展。首先,需要進一步完善項目式創(chuàng)新教學(xué)相關(guān)制度,保障項目式創(chuàng)新教學(xué)的順利實施。其次,需要不斷完善課程體系建設(shè),構(gòu)建更加完善的理論與實踐相結(jié)合的課程體系,深入挖掘項目之外的隱性知識,實現(xiàn)課程知識之間柔性對接,完善學(xué)生的專業(yè)知識體系。再次,需要建立更加科學(xué)、合理、高效的評價機制,實施以學(xué)生為中心的創(chuàng)新教育,建立“知識生成-應(yīng)用實現(xiàn)-價值產(chǎn)出”的過程性評價體系,在項目式創(chuàng)新教學(xué)中充分體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、創(chuàng)造性和創(chuàng)新意識。最后,需要適時對項目進行總結(jié)和反思,不斷復(fù)盤、不斷對項目進行延伸、拓展和沉淀,實現(xiàn)學(xué)習(xí)有效積累和可持續(xù)發(fā)展,形成良性循環(huán),同時加強對教師項目式創(chuàng)新教學(xué)能力的培訓(xùn)和提升。

隨著新工科建設(shè)的持續(xù)推進,項目式創(chuàng)新教學(xué)模式的特點高度契合人才培養(yǎng)目標(biāo),助力工程教育的創(chuàng)新發(fā)展。相信項目式創(chuàng)新教學(xué)模式會受到更多教育工作者的肯定,助力新工科高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。