“新工科”理念下项目化学习推动课堂教学实践

1、“新工科理念下项目化学习推动课堂教学实践摘 要】本文对“高等材料热力学的典型课例“表面与界面开展项目化学习教学#通过教学实践探究新工科理念下 项目化学习的课堂教学应用范式，实施结果显示项目化学习有助于提高学生的自主学习能力、专业研究能力和团队合作 能力#此外，通过教学的答疑解惑和示范演示，提升了教学成就感，对培养高效率的学习者和负责任的教师均有重要作 用#关键词】新工科 项目化学习 高等材料热力学 教学实践项目化学习作为一种新型的教学方式，在突 出学生学习主体地位，培养学生主动合作、探究获 取知识、解决问题、发展批判性思维和创新、沟通 交流技能等方面具有传统教学不可比拟的优 势。它打破了学科知

2、识结构单一现象，它的理念 与“新工科”理念和时代发展对人才培养的需要不 谋而合。申&笔者尝试在高校“高等材料热力学”的 教学中使用项目化学习的教学范式，初步创建学 习素养视角下包含核心知识、驱动性问题、高阶认 知、学习实践、公开成果和全程评价六个维度的项 目设计框架$经过几轮的尝试操作，笔者发现在 高校工科课堂使用项目化学习是可行的，且能更 充分地发挥学生主体性，培养学生的创新性思维， 提升学习能力$、“新工科”理念下项目化学习的应用价值为了应对新一轮的科技革命和产业变革新的 机遇与挑战,2017年2月，教育部发布关于开展 新工科研究与实践的通知，提出了“新工科”的建 设理念，推动高校加快体制

3、机制创新，做好未来科 技领军人才的前瞻性和战略性培养$高校作为国 家人才输出的第一线，更需要对创新人才培养模 式不断探索，并积极对人才培养方案进行改革，为 国家培养出更多创新能力强、实践能力强、素质高 的复合型人才$上海交通大学材料科学与工程专业作为首批 入选国家级一流专业建设点，拥有雄厚的师资和 科研实力$学院把人才培养作为办学根本，以“材 料+ ”生物应用、清洁能源、电子信息等学科交叉 平台，探索“新工科”理念下创新人才培养模式，为 国家培养大材料领域综合性人才$“高等材料热力学”是材料科学与工程专业研 究生的专业基础核心课程，旨在培养学生将热力 学基本原理应用于材料科研实践中的核心能力，

4、 在加深新工科实践中相关问题的认知的同时，体 现本专业特质和价值$作为当今全球教育领域的一个热点技术，项 目化学习（Project-based learning ,简称 P；L）是 高校培养多元化、创新型人才的有效载体，逐渐成 为提升“新工科”学生核心素养的重要方式之 一。5&基于项目化学习，改变传统单一、填鸭式的工 科教学方法，以教师讲授为主体转变为以学生自 主学习为主体，推动“高等材料热力学”教学模式 的改革$二、“新工科”理念下项目化学习的应用范式1=项目化学习应用范式项目化学习基于学科进行，通过解决学科中 的某个具体问题，产生可见的公开项目成果，引导 所有参与者对成果进行评论和分析，把

5、项目成果 的修订、完善、公开汇报的过程看作学生学习的重 要组成部分，能有效地提高学生的自主学习以及 创新实践能力$在总结“高等材料热力学”课堂教学实践基础 上，笔者形成了 “3 + 6”教学应用范式，3”指的是项目化学习实施的3个阶段（课前、课中和课后）， “6&指的是项目化学习实施的6个基本步骤（确立 分解一探究一产出一展示一拓展）（如图1所 示）:图1 项目化学习实施的基本步骤项目化学习的各个步骤存在内部逻辑关系又 相互作用，为实现学习目标服务。2.项目化学习应用案例随着计算机、智能手机在大学课堂上的广泛 应用，教师的多媒体教学容易让学生在学习过程 中无法投入到“高等材料热力学繁琐的公式推

6、导 和枯燥的理论讲解之中，极大地降低了师生之间 的问题讨论和互动效果。下面以“表面与界面章 节开展项目化学习的课堂教学模式实践为例阐述 相关项目化学习的过程和效果。（1）课前阶段：创设问题情境，激发学习动力项目化学习通过创设挑战性的问题创造高阶 思维的情境，激发学生学习的内在动力，明确对学 生提出带有问题解决、创造、系统推理分析等高阶 认知策略的项目任务，让学生在由强大的驱动性 问题所产生的内动力中创造一个真实的作品。课前，通过课程微信群和Canvas课程网站， 笔者发布课件和两篇和表面相关的研究论文发给 同学们预习，同时在讨论区提出开放性问题，如 “你觉得疏水表面的表面能高还是低好？。针对课

7、程主题最近几年发表的有趣新奇的文 章，如表面和界面问题，笔者选择了 Science和 Nature各一篇研究论文如下： Spontaneous droplet trampolining on rig id superhydrophobic surfaces （ doi: 10. 1038/na ture15738）:该论文阐述了通过改变环境压力使su超疏水表面液滴自发弹跳的现象和热力学原 理，有完整的热力学和物理推导，具有明显的理 工科交叉特质。su Improving surface-wetting characteriza- tion（doi ： 10. 1126/scionce. aav

8、5388）:该论文针对 传统定义的润湿角的测量方法提出了新的思 路运用图像识别和数学修正方法可激发同学 对计算方法的兴趣和与研究结合的创新思维。根据“表面与界面的教学目标（包括能力目 标、素质目标和知识目标），结合教学目标，教师确 立了项目目标24人一组，进行小组合作学习， 形成一篇关于超疏水表面的热力学原理相关的综 述报告。在教师的指导下，让学生独立分解项目， 形成若干个子项目：通过网络资源查找和专业 文献检索等多种途径查询关于超疏水、自清洁领 域的最新文献； 归纳整理最新文献，得到详实 清晰的数据、资料以及各方面成果； 撰写一篇 综述报告。（2）课中阶段：解决核心问题，建构认知体系 课程开

9、始给大家提出了一个问题，为什么荷 花会“出淤泥而不染呢？启发同学们思考这个问 题，很多同学从常识出发说荷叶不容易沾水，容易 被雨水清洗等。进一步提问，你觉得是什么因素 决定了荷叶的这一特性，做过课前预习就会有接 近表面和界面能的考虑。于是布置以下子项目， 让同学们分组讨论（如表1所示）:表1子项目分解表子项目内容子项目1荷叶的表面效应及原理子项目2超疏水表面的设计子项目3表面能的测定子项目4如何形成水滴的自发跳跃及其应用当不同小组的学生认领子项目，明确所需的 知识和技能后，教师呈现不同小组需要解决的问 题，布置具体的学习任务，同时提供解决问题所需 的资料或查询渠道，引导学生自主学习。+8,在小

10、组 合作学习的阶段，可以采用头脑风暴法，激发学生 动口、动手、动脑，找到解决问题的核心，并通过合 作探究完成小组任务。根据不同的子项目目标， 小组成员的人数不需要固定，这种形式能促进了 同学之间的沟通与了解，实现了共享与互补，提升 了学生团队协作和社会交往能力。教师根据学生 自主学习情况以及小组合作学习情况，引导思考， 及时反馈，答疑解惑，示范演示，鼓励学生自主解 决问题，提升学生学习的主动性和学业成就感。“表面与界面”课程教学时，首先让学生考虑 和解决这些问题需要什么样的知识点和热力学概 念，将过程描述科学定量化需要做什么样的假设 和逻辑推理，接着无缝衔接进入课堂授课环节$ 通过基本知识点的

11、学习和案例分析，学生基本掌 握这一章节的知识点和应用方法$从具体的问题 中抽象出物理模型，基于假设和逻辑推导得到相 关规律和性质关系，再通过实验验证所得公式，可 推广应用到实践的条件和范畴$(3)课后阶段内化提升能力，主动反思迁移 确定项目范围和考核评价标准后，同学们自 由组合选择课题进行自主学习，教师通过微信在 线答疑、当面讨论等方法指导他们高效高质量完 成报告$在考核评价课上，各组内任选一位学生 进行子项目成果展示，验证小组的方案，学生认真 听取汇报，并对本组和其他组的任务完成情况进 行互评和自评，提出评价和修改意见(如表2所 示)。最终，学生形成完整的项目结题综述报告$表2项目化学习评价

12、表指标评价点评价内容项目 确立15能力目标符合课程教学目标，能力目标明确、具体化、可实现、可检 验$知识目标以专业能力目标的需求为依据$素质目标符合专业培养目标要求，并根据教学目标和项目化学习 任务要求确定$项目 分解25能力培养教学内容选择突出新工科核心能力培养，符合课程整体 设计思路和学生的实际情况$项目驱动以子项目任务为主要载体，项目任务与项目目标联系密 切$过程完整具有完整的项目过程，按课前、课中、课后等步骤实施$充足练习项目内容安排充分，为不同的学习对象准备不同子项目， 供学生选择$项目 探究20教学方法灵活选用教学方法，建立适宜学习与思考的问题情境，激 发学生浓厚的学习兴趣和旺盛的

13、求知欲$教师素质专业知识扎实，讲解简练，指导到位，注意学习方法、学习 习惯的培养$过程控制教学活动体现双向互动，管教管导$ 教学过程组织有序，教学时间安排科学合理$学生 主体20独立学习学生有权选择子项目任务，能独立获取信息，制定和实施 计划，有充裕时间开展自主学习$学生想学学生学习兴趣得到有效激发，学习积极性高，参与意识 强，团结协作意识强$自我评价突出以学生为主体，评价标准突出学生能力提高目标，重 视学生自我评价$项目 成果20过程评价学生积极主动学习，师生良性互动，真正体现学为主体、 教为主导，教学效率高$目标评价形成公开的、有质量的、有意义的项目成果，实现课程教 学的能力目标、知识目标

14、和素质目标$通过“表面与界面”课程的项目化学习，学生 们完成了超疏水表面水滴“蹦床”的热力学原理 超疏水表面水滴“蹦床”的热力学原理从荷叶效应到水滴“蹦床”超疏水表面的自清洁效 应等论文，论文成果在一定程度上体现出学生的 设计思维与创造性能力$项目完成后，教师需要 提出一些拓展性的课外作业，帮助学生将知识迁 移和转化，构建一个完整的专业知识体系，进一步 提升学生科研能力$除了上述“表面与界面”章节，“高等材料热力 学”的其他课程内容都可以展开项目化学习$比 如，讲到热力学第二定律，同学们并不满足对书本 上几种理想实验如热传递等自发过程的热力学解 析，对“能否将热力学熵增定律推广到整个宇宙 这个

15、问题展开热烈讨论$对麦克斯韦提出的“这 个宇宙中可能存在着某种机制，在抵抗着熵的增 加”表现出极大的兴趣$课后，同学们自发组织学 习小组去搜集文献和研究资料，完成了从“麦克 斯韦妖”到分子机器的课程设计报告$在这一过 程中，学生通过自主学习和合作研究增加了熵增 原理的理解，了解到香农提出的信息熵概念和擦 除信息需要外界对系统做功的兰道尔原理，明白 了将信息和能量关联的“麦克斯韦妖”模型和“利 用信息将热源的热量转换为功”的分子机器发明$三、“新工科”理念下项目化学习的应用思考借助项目化学习应用实践，对“高等材料热力 学”课堂教学观念与模式的变革，通过教学的答疑 解惑和示范演示，提升了教学成就感

16、，对培养高效 率的学习者和负责任的教师均有重要作用$项目化学习的设计：需要教师将抽象的、 概念化的、枯燥的专业问题转化为具体的、有趣的 情境问题，激发学生对学科知识的探究兴趣，从而 驱动学生主动地参与项目化学习的过程$因此， 对教师的专业知识和综合能力提出了更高的要 求$项目化学习的实施对于项目化学习过程 中学生出现“懒政”导致学习效率低下的现象，需 要教师强调学生在项目化学习过程中的主导作 用，并根据学生的不同特质进行合理分工，确保人 人有事做，教师对学生的自主学习和小组合作学 习效果进行定期的督导与过程性评价，以掌握各 个学生的学习状态和效果$与课程教学内容相关 的研究有很多，鼓励学生们通过扩展热力学基本 知识点的连接网络，去发现许多前沿研究中的热 力学原理，重点激发他们对于科学探索和未知发 现的兴趣和原动力，通过学习过程能够应用所学 热力学知识去理解、传播和创造新的知识，达到“授人以渔”的教学效果#3.项目化学习的评价：项目化学习评价以能 力和素质为核心内容，评价方式以多元化为主，不 仅包括总结性评价，还要包括项目实施中的过程 性评价，评价者需要涵盖学生自己、教师、小组成 员等多个群体#由于每个项目有4位小组成 员，考虑及关注到学生的分工的合理性，做到“人 尽其才”，避免有个别学生“打擦边球”，最后提交