跨学科联结的高校实验教学模式研究与实践.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 跨学科联结的高校实验教学模式研究与实践李国城,李伟林,莫伟健,李 佳(中山大学 新华学院 FabLab 创新中心,广东 广州 523000)摘 要:依托 Fab Lab XH 实验教学中心,结合学科特色,引入跨学科交叉融合学习理念,建立了大学生创新实验室;以培养学生创新能力和挑战性思维为导向,突破学科分科禁锢,提高学生自身学习能动性;构建跨学科工程联结的本科实验教学模式,建立了较完善的跨学科教育体系和创新实验室管理模式。经过实践,取得了阶段性的教学成果,并成为 MIT 麻省理工学院认证实验室之一。关键词:跨学科;创新实验室;教育体系中图分类号:G642 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.026Research and practice of interdisciplinary connection in college experimental teaching modeLI Guocheng,LI Weilin,MO Weijian,LI Jia(FabLab XH of Xinhua College,Sun Yat-sen University,Guangzhou 523000,China)Abstract:This article relies on the Fab Lab XH experimental teaching center,combines the charac-teristics of the disciplines,introduces the interdisciplinary cross-fusion learning concept,and establi-shes an innovation laboratory for college students;guided by cultivating students innovative ability and challenging thinking,breaking through the imprisonment of disciplines and disciplines,and impro-ving students own initiative to learn;construct an interdisciplinary engineering-linked undergraduate experimental teaching model,and establish a relatively complete interdisciplinary education system and innovative laboratory management model.After practice,it has achieved staged teaching results and has become one of the MIT Massachusetts Institute of Technology accredited laboratories.Key words:interdisciplinary;innovation laboratory;education system 收稿日期:2021-05-24 修改日期:2022-05-06作者简介:李国城,学士,工程师,主要研究方向为物联网、实验室教学管理。E-mail:lgc_0969 通讯作者:李伟林,硕士,副教授,主要从事网络与系统安全、图像处理、数据挖掘。E-mail:1430781734 基金项目:教育部高等教育司产学合作协同育人平台重点研究项目(项目编号:2015XT002);广东省高校高等教育教学改革项目(项目编号:2018J039;2020J055)。习近平总书记北京大学师生座谈会上强调:“高等教育是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志。今天,党和国家事业发展对高等教育的需要,对科学知识和优秀人才的需要,比以往任何时候都更为迫切。”党的十九大报告中更是提出要加快一流大学和一流学科建设,实现高等教育内涵式发展。在国务院办公厅印发了 关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见中提出推进“万众创新”的任务和探求创新教育模式等文件精神,积极开展我国创新教育、培养高端创新人才,期中包括培育大学生在内的各类青年创新人才和创新团队,实现创新与创业1。创新是教育现代化建设中的重要改革内容,对于本科高校而言,高校实验室是培养学生创新意识和创新实践的重要依托平台2-3,为学生进行科技创新性活动提供基础保障4。近年来,各大高校积极落实新时代全国高等院校本科教育工作,在推动创新实验室建设中做出了大量的研究与探索5-6。FabLabXH 创新实验室遵循教育规律,坚持改革创李国城,等:跨学科联结的高校实验教学模式研究与实践新,并借鉴了国内外高校在建设创新实验室中的探索与建设中的成果7。通过探索研究,实验室教学模式旨在研究基于学生兴趣,以项目学习的方式,使用数字化等工具,倡导造物,鼓励分享,培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力,在教育跨学科之实践经验作出了探索。1 建设高等院校跨学科教育的必要性科学是人对客观世界的认识和反映客观事实与规律的知识。高等院校尤其肩负着培养紧缺、应用型人才,为国家建设输送优秀人才的重任8-9。而在分学科教育模式所学的知识和所培养的人才正逐渐无法适应当下的“互联网+”新经济、新产业时代10。高等教育院校势在突破传统的分学科教育的阻碍,跨越学科和专业划分体系的固有界限,打破“学科-学院-学位教育”教育模式。根据当代社会发展趋势和科学技术变革的需要,积极探索和培养创新综合应用新型人才的跨学科教育模式11。跨学科(Transdisciplinary)教育的目的主要在于超越传统分学科学习的教育模式,走出单一学科领域,通过不同专业的学生,从不同的角度获取和加工信息,进而提出一种综合性、整合性的解决方案,协作完成预期计划的任务12-13。2 实验教学中心环境建设微观装配实验室(FABLAB)最初源自美国麻省理工学院比特与原子研究中心,中山大学 Fab Lab XH 实验教学中心(以下简称:中心)参考了麻省理工学院 CBA 官网提供的建设方案,中心根据学校实验室的教学环境,按照实验基础平台进行统筹规划,组建了电子信息实验区、计算机仿真实验区、外观设计实验区、木工制造实验区、数字化制造实验区等,涵盖了基本学科应用到的基础实验设备,逐渐形成以跨学科联合实验教学的创新实验室。中心的各设备旁都贴有二维码,学生可以通过移动终端设备扫描二维码了解设备的规范使用说明和安全注意事项等。中心实验室管理采用“互联网+”的信息化、智能化管理,构建成一个开放性模式的探索实验室14。3 实验室跨学科联合的课程教学模式3.1 依托实验中心,构建信息化教学平台,形成资源共享课单一的课程教学模式、传统的课程教学,教师所需达到的标准是问题解决方式以“1 对 1”的定向思维方式,也就是问题是固定的,教师只需备课设定特定的问题,明确的答案便可,课程教学情况的良好与否,都取决于备课。传统传授型为主的教学方式使得学生感觉枯燥知识难学,会影响其学习积极性和实践动手能力培养。作为以教育为主的高等院校,应考虑着如何构建面向大学生、成年人教育的培养模式,基于跨学科联合的课程,是一门跨学科、跨领域的教育教学课程,所包括的课程知识包括科学、技术、工程、艺术、机械、结构、材料等众多门学科知识。所涉及到的知识面较为广泛,跨越的学科较多,联合所构成的区域网络较为复杂,崇尚“天马行空”的创新创意制作方式。课程是个开放的,主要教导学生如何认识材料,如何利用身边的工具与设备,采用适当的方法实现项目制造,完成自己的创意。跨学科课程向学生提出的第一要义“不是要求我,是我要求”,每个学生所主导的项目不一样,所选择的方向也不一样,涉及到的知识领域也会不一样,可能是物理学,结构学,工程学,材料学等。因此,学生提出来的问题也会各不相同,传统的教学方法无法满足此教育的要求;针对问题提出,构建“多对多”的课程教学模式,就要求跨学科课程教学需要的不是一位教师,而是教师团队,主导教师团队教学模式,借助“互联网+”信息技术,开发自主学习平台,构建跨学科联结的信息教学系统平台。如图 1 所示,在跨学科教育新概念为指导理论的基础上,信息教学平台的总体框架整合为三大板块:跨学科联合的教学模式,线上的信息交流平台和线下的创新实验室;构建面向高校大学生的自主学习网络信息平台;实现学生从“要我学”到“我要学”的过渡。3.2 跨学科联结教育教学中心思想传统的课程教育方式,一位教师在课堂上给学生进行板书教学,再通过课后布置相关作业巩固教学内容,最终学生考试合格便可获得这门课程的学分,这样的课程往往是比较被动地被教师“导学”。而跨学科联合的课程理念则是把“想法变成现实才有意义”,鼓励学生结合各自学科研究方向,学生不仅是教学活动的主体,也是积极的传播者和“联络者”。不同专业、学科背景的学生通过项目协作,实现“学科交叉”,亲自发现问题、亲手解决问题或是在这个过程中找到自己的不足,从而更主动、更有针对性地去学习,目标是让学生学会如何利用实验设备制造自己想要制作的东西,实现个人制造。充分做到学生在学习过程中做到主体地位,教师做到引导指导的辅导作用。从“要我学”到“我要学”甚至501还有“我们一起学”和“我们互相学”,增强课堂教学的生动性和启发性,提高学生的自学能力和创造能力,从而提高教学质量和教学效果。如果单一地将传统的课程教育方式直接应用在跨学科教育上,会发生什么事情呢?跨学科联合教育是跨学科、跨领域的一种教育教学模式,1 个班级学生 60 人,学生们提出来的问题可能包括机械、结构、材料、工程、艺术等,那么我们就需要一位万能的教师。图 1 信息化教学系统平台总构建框架 因此,中心提出的跨学科联合教育新概念,在我们的信息教育系统里面不存在一位正式的教师,整个教育教学主要是以一种特殊的咨询与反馈方式进行,如图 2 所示。跨学科联合的教学中心思想概念说明:当一个学生在制作过程中咨询问题,先向历届学生提出问题,如果无法解决,那么该问题就会层层递进,可以向学生社团、业界支持服务、高校专家组,甚至向我们的合作单位MIT 麻省理工学院申请援助。图 2 跨学科联结教育教学中心思想3.3 跨学科联合教育教学过程目标模型信息化跨学科联合教育的教学非常注重学习的过程,围绕着教学三维目标来制定整个教学过程,分别 是:分 别 包 括 知 识 与 技 能 目 标(Knowledge&skills)、情感态度与价值观目标(Atti-tude)、过程与方法目标(Process&Method),加上一个学习事件(Occurrence)就是 KAPO 模型,如图 3所示。三维的课程目标是一个整体,知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面互相联系,融为一体。在教学中,既没有离开情感态度与价值观、过程与方法的知识与技能的学习,也没有离开知识与技能的情感态度与价值观、过程与方法的学习。图 3 KAPO 教学模型知识与技能目标:核心知识和学科基本知识;基本能力获取、收集、处理、运用信息的能力;创新精601 李国城,等:跨学科联结的高校实验教学模式研究与实践神和实践能力、终身学习的愿望和能力。过程与方法目标:过程指应答性学习环境和交往、体验;方法包括基本的学习方式(自主学习、合作学习、探究学习)和具体的学习方式(发现式学习、小组式学习、交往式学习等)。情感态度与价值观:情感不仅指学习兴趣、学习责任,更重要的是乐观的生活态度、求实的科学态度、宽容的人生态度。价值观不仅强调个人的价值,更强调个人价值和社会价值的统一;不仅强调科学的价值,更强调科学的价值和人文价值的统一。4 教学实践阶段成果中心主要针对跨学科联合教育进行试验与实施发展,中心筹建和课程建设至今,利用信息化教育系统平台进行授课的学生共有 6 届,受众人数达 800余人。中心荣获成为 MIT 麻省理工学院 Fab Lab 之一,也是 Fab Academy 全球授课点之一。依托中心以“学习、制作、分享”为主题的教育培养模式,跨学科联合,追寻创新创意制作,旨在引导学生以“兴趣”为导向,利用中心实验设备进行辅助设计和制造,通过创新创意项目制作方式来培养学生的综合能力。中心教学实践至今,学生在发表学术论文、科研立项、申请发明专利、软件著作权申请等方面的数量逐年增加,取得了较好的教学成果。学生在参加科学竞赛获得的数量和质量同样不断提升:获得全国信息技术应用水平大赛国家二等奖 5 项,三等奖3 项;获得全国高校物联网应用创新大赛二等奖 3项,三等奖 3 项;“挑战杯”全国大学生课外学术作品竞赛获得国家二等奖 1 项,省奖多项。5 结语Fab Lab XH 实验教学中心探索实践的跨学科联合实验教学模式,高度契合了教育部为深入贯彻落实关于“十四五”期间构建释放数字生产力的创新发展体系工作的指点意见与教育信息化“十四五”规划中关于“通过科技赋能教育,推动人才培养模式变革,提升教育质量”的文件精神,取得了显著的阶段性教学成果,发挥了跨学科联和的实验教学模式对我国开展创新教育、培养高端创新人才的积极作用。参考文献(References):1 国务院办公厅.关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见:国办发20159 号Z.2015.2 樊华,李苏杰,方曼,等.依托“新工科”建设培养创新引领性人才J.实验技术与管理,2019,36(10):23-27.3 卢孔宝.以创新人才培养为核心的实验室开放模式研究与探索J.实验技术与管理,2020,37(1):257-259.4 张志宾,刘云海,谢宗波,等.“新工科”建设背景下地方普通高校化工虚拟仿真实验教学体系的探讨J.教育现代化,2019,6(55):97-98.5 赵小明,刘宝,姜飞,等.“新工科”背景下大学生创新实验室软环境建设J.实验技术与管理,2020,37(2):240-244.6 云中华,李勇峰,姜志峰,等.信息技术开放实验室建设与大学生创新能力培养研究J.实验技术与管理,2017,34(3):28-31.7 沈中辉.高校重点实验室建设与创新型人才队伍建设研究J.实验技术与管理,2019,36(2):283-284,288.8 胡蔓,朱德建,冉栋刚.面向创新人才培养的高校实验室建设改革J.实验技术与管理,2019,36(4):9-12.9 Adriano D,Pila.How a Fab Lab Can Drive Ordinary People to Be-come Engineering Enthusiasts and Help to Make a Better SocietyJ.Advances in Intelligent Systems and Computing,2017(6):355-364.10 Katja Fleischmann,Sabine Hielscher,Timothy Merritt.Making things in Fab Labs:a case study on sustainability and co-crea-tionJ.Digital 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