項目式創新教學賦能新工科高水平人才培養
——以IGBT散熱基板優化項目為例

程東霽,陳三明,林雄萍,楊 琳

(集美大學誠毅學院,福建 廈門 361021)

教育部提出建設和發展新工科是為了應對新的科技革命和產業變革及新經濟發展對工程教育的改革與發展提出的挑戰。目的是培養出滿足未來新產業需要的,具有創新創業能力、動態適應能力、高素質的各類交叉復合型卓越工程科技人才[1]。高等院校、專家學者積極探索與實踐新工科建設的人才培養模式。2019年10月,教育部出臺了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》,明確提出關于本科人才培養應“推動科研反哺教學,強化科研育人功能”。鼓勵教師在教學過程中,及時把高?；蚱髽I最新科研成果轉化為教學內容,提升工科專業教學內容的時代性,激發學生對專業的學習興趣,全面提升學生的綜合能力及素養[2,3]。

目前,人才供需兩側高校與企業之間關于新工科人才培養的矛盾依然突出。通過走訪企業調查畢業生就業情況,與企業人力資源及技術部門深入交流了解到:科技革命、產業變革給企業生存與發展帶來巨大壓力與挑戰,企業需要創新速度快、產品迭代能力強。面對這種挑戰,對工程技術人才的跨學科交叉知識、工程實踐能力及職業素養要求日益提高。審視“以教為主”的傳統教學中存在以下不足:學生學習動力不足;跨學科知識學習及應用場合少;實踐環節的教學內容滯后行業應用;創新能力較弱,訓練機會少;學生溝通表達能力弱、協作分享意識不足、缺乏職業素養。

因此,如何彌補傳統教學方法的不足,更加高效地達到人才培養目標,是高校教學改革的重點,更是新工科建設的目標。林健在論述扎實推進新工科建設中強調注重發展多學科交叉知識的人才培養模式[4]。秦璐強調在教學內容上注重多學科交叉融合[5]。本文提出“項目式創新教學”新模式,兼顧企業技術需求和新工科人才培養目標,是一種強調讓學生主動積極探索問題,注重多學科交叉知識融合、注重實踐能力的培養、注重核心素養達成的人才培養模式。

一、項目式創新教學的內涵

(一)項目式教學的起源與發展

項目式教學起源于16世紀的歐洲建筑學校和工程教育運動,是一種以學生為主體,由教師精心設計項目實施的各個環節,讓學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方法。1918年,在《項目教學法》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”的概念,將項目的概念擴展到教學領域[6]。此后,各國開啟了研究項目式教學的熱潮。美國Sally Berman(薩利·伯曼)根據加德納的多元智能理論撰寫了《多元智能與項目學習——活動設計指導》,為推行項目式教學提供策略,并指明項目式教學對學生多元智能的發展有積極作用[7]。美國巴克教育研究所認為,“(項目式學習)是一種有系統的教學方法,學生面臨問題和挑戰時,經由對問題的深入探討及互動交流,透過討論復雜議題、精心規劃任務及解決問題的過程,學習到知識及技能”。巴克教育研究所與美國博伊西州立大學等高校合作創建免費的項目式教學網站,提供豐富的項目資源、指導建議、資料以及教師專業發展的相關培訓課程[8]。

項目式教學于20世紀90年代引入國內,德國安內莉澤·波拉克女士在1995《科學課》雜志上介紹了項目教學法的價值及其在德國基礎教育教學中的應用[9]。此后,項目式教學逐漸滲透到基礎教育、職業教育、高等教育等各類教育領域,項目式教學模式得到了充分的肯定與發展。

(二)項目式教學的特點

項目式教學相比傳統教學,具有學生主體、注重應用、成果導向等特征,是一種打破學科邏輯結構、圍繞項目來組織課程的教學模式,更是一種能夠有效促進學生自我建構活動、發展學生高級能力的學習方式。在教學過程中,學生的參與感較強,學習知識有用、有趣、有效,學習主動性提升。

項目式教學與傳統教學兩者之間是相互輔助、交叉滲透的關系。高等教育教學過程遵循通識課、專業基礎課、專業課的教學順序,層層推進。這種方式具備嚴謹的科學性及邏輯性,但因“學”與“用”之間時間跨度較長,學完的知識較長時間得不到應用導致遺忘率增加、學習目的性不強、學習主動性不足。項目式教學專注于“以用促學”“學以致用”,縮短學與用的時間周期,增強學習動力、提高學習效率、提升學習效果。

(三)項目式創新教學的優勢

項目式學習對教學效果及能力的培養具有一定的促進作用,但現在項目式學習存在以下問題:項目課題陳舊,涉及交叉學科知識少,滯后企業應用,評價標準單一等。楊明全指出:“重建項目式學習的時代價值意味著以新的思路去破解傳統教育的沉病和痼疾;重建其方法論價值,為素質教育發展提供育人方式的選擇?！盵10]針對傳統項目式教學的不足,本文對傳統項目式教學進行創新升級。與傳統項目式教學相比,項目式創新教學具有以下四個創新點:

(1)課題來源由教師設計轉變為企業研究項目。項目式創新教學以解決企業實際工程問題為導向,以學生為中心,強調學生對知識的主動探索。

(2)教師的職責由設計指導轉變為共同探索并指導。同步提升教師的參與度,對師資力量的提升與專業建設有促進作用。

(3)評價標準由學校評價轉變為學校和企業聯合評價。項目式創新教學強調多維度、過程性評價,有助于更合理地對學生綜合素質進行培養。

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

綜上所述,項目式創新教學具備以下優勢:

(1)項目課題來自企業的實際需求,緊跟行業前沿,縮小學校教學內容與行業應用之間的差距。

(2)綜合交叉學科的知識與能力,讓學生更全面理解知識體系。

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

(4)培養學生創新意識;提升協作交流能力、社會責任感等綜合素質,促進學生全面發展。

(5)同步提高教師實踐與科研能力,使其具備企業思維與實戰經驗。

二、項目式創新教學在新工科人才培養中的作用

新工科人才應具備知識、能力、社會合作及終身學習四個維度十一項核心能力及素養。如圖1所示。

圖1 新工科人才核心能力及素養

項目式創新教學基于未經簡化和抽象的企業前沿工程問題,必然涉及多學科交叉融合的知識學習與運用,對知識的學習與運用的時效性有助于提升學生的學習主動性;通過工程實踐,解決企業的新技術問題產出新成果,在鍛煉學生實踐能力、創新能力的同時,提升學生的自信與成就感。以下分別闡述項目式創新教學在新工科人才培養中的作用。

(一)項目式創新教學注重與學生交叉知識應用相聯系

企業的工程項目歸屬某些特定行業領域,會涉及材料、力學、機械、制造技術、熱力學、電學、自動控制、工業軟件應用等多方面知識交叉與綜合。在思考解決問題的過程中,學生需要全面了解項目課題涉及的知識,促使學生習得多學科交叉知識,并進一步理解各科專業知識之間的聯系及應用。

(二)項目式創新教學注重與學生實踐能力培養相聯系

在項目推進過程中,由于項目內容并無標準答案,需要學生通過深度學習和探索發現問題、分析問題和解決問題。教學活動的分解,包括課題背景調研、原理分析、確定方案、因材施教的進行分向教學。在解決問題的過程中,引導學生進行頭腦風暴,綜合所學知識,主動探求新知識、習得新能力,促進實踐能力全面提升的目標達成。

(三)項目式創新教學注重與學生創新思維訓練相聯系

新工科建設不僅要培養學生解決復雜工程問題的能力,還要培養學生的創新思維、創新精神和創新能力,使學生既具有工程實踐能力又具備科學探索精神。項目式創新教學通過學生完成一個或多個子任務的過程,逐步養成創新思維、積極思維。

(四)項目式創新教學注重與學生核心素養達成相聯系

項目式創新教學不是簡單地把專業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計和實施,將各科專業知識、技術技能、創新精神、綜合素質有機地融合在一起,通過項目實踐過程中的細節,浸潤正確積極的價值觀,使知識傳授、能力培養和價值塑造同向同行,有效促進核心素養的達成。

三、項目式創新教學思路設計及實例實施

項目式創新教學從培養目標、教學活動、教學評價和預期成果四個維度以知識應用、能力培養、思維訓練和素養達成為目標,通過項目選題、任務分解、師資適配、流程管理四個方面推進教學活動,形成過程性評價,對項目式創新教學進行闡述,探索新工科高水平人才培養教學模式。教學思路如圖2所示。研究項目選題、進行任務分解、精心挑選對應的指導教師組建導師組、分解項目推進過程中每個環節任務匹配的知識、能力、素養圖譜,有步驟有計劃地進行教學流程管理。最后根據多維評價體系對項目做出合理有效的評估,最終實現學生核心能力及素養的目標。

圖2 項目式創新教學思路

以IGBT散熱基板優化項目為例,對機械工程專業的本科生開展的創新的項目式教學設計圍繞以下三個宗旨:選題方向與產業發展、企業需求相耦合;項目開展與新工科人才培養目標相融合;效果評價與培養目標、企業需求相契合,如圖3所示。

圖3 項目式創新教學設計的三個宗旨

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

(一)企業研究前沿的選題導向

項目式創新教學在選題研究方面具備以下四個特點:

專業性:即涵括專業知識與技能。

應用性:即貼近社會和企業實際工作的應用,有助于激發學生觀察、分析和思考現實的興趣,培養學生的探索能力。

創造性:即挑選企業迫切需要的基礎理論難題或具體工作上的新難題開展探討,爭取在本技術專業的科學研究或業務工作中有探索與發現和新造就,實現企業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研究工作能力、選擇教師熟悉或感興趣的商業領域的課題。

以企業前沿“IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)散熱基板優化”項目為例,IGBT散熱基板如圖4所示。該項目的選題具備專業性,內容涵蓋材料、工藝、結構設計、流體仿真、熱力學等專業知識。具備應用性,IGBT國產替代,需要研究其散熱性能,幫助企業進行仿真分析與實驗。具備創造性,研究成果是企業所需,校企合作雙贏模式。具備可行性,無論是專業知識、工業軟件的應用、實驗條件學校皆可為課題研究提供有力支持。

圖4 IGBT散熱基板

(二)學生深度參與的開展活動

IGBT散熱基板優化項目,通過將學生分組,分別承擔不同的項目任務,比如將學生分為材料小組、工藝小組、仿真小組和實驗小組等。每個小組分別承擔相應的任務,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學生解決問題。學生在實踐過程中遇到困難時,教師提出思路與方向,激發學生思考,提供有效的幫助,但不直接幫忙解決問題,以學生高度參與為宗旨。

首先研究技術需求,根據芯片發熱功率及許可工作溫度范圍,設計冷卻方案。解決問題的過程,導師引導學生進行調研、查閱文獻資料、學習材料、加工工藝等知識,分析眾多影響因素對目標變量的影響。充分調動學生主觀能動性,探索各學科知識內在的聯系。在尋求滿足多目標的設計方案過程中,學會解決多學科間的沖突,尋找平衡點即最佳方案。

(三)學科交叉融合的知識架構

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的核心功率器件,廣泛應用于航空航天、智能電網、軌道交通、新能源等國家戰略性產業。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襯板因熱膨脹系數差異經多次熱循環后破壞引發芯片傳熱失效問題,研究用鋁碳化硅(AlSiC)基板替代銅基板,內容包括高體份AlSiC性能的提升、AlSiC材質IGBT基板的結構設計、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、工藝、制造技術等知識體系。

(四)多元綜合反饋的過程評價

項目式創新教學的評價方式,從工程教育專業認證的角度出發,采用多元化評價體系對學生的學習成果進行評價。通過對學生學習成果的綜合評價,引導學生樹立正確的工程觀念,培養其解決復雜工程問題的能力,提升其社會責任感和職業素養。

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

表1 項目式創新教學考核內容及占比

(五)核心素養全面提升的育人宗旨

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

“IGBT散熱基板優化”項目式創新教學匹配新工科高水平人才能力圖譜如圖5所示。從圖中可見,對項目進行任務分解,每一項任務在知識應用、能力培養、素質提升和價值塑造四個方面都對應了新工科人才培養目標的內容。通過完成 IGBT散熱基板優化項目,機械工程專業學生具備了交叉學科的知識、工程實踐技能、創新能力、核心素養,進一步完成價值觀的塑造。

圖5 “IGBT散熱基板優化”項目式創新教學 匹配新工科高水平人才能力圖譜

四、結論與展望

本文圍繞新工科核心能力與素養的提升,針對傳統教學與傳統項目式教學的不足,從四個方面對項目式教學進行創新,闡述其在人才培養中的作用,并以“IGBT散熱基板優化”項目為例,闡明展開項目式創新教學活動的設計思路與實施宗旨,分解任務,匹配新工科高水平人才能力圖譜。通過實施項目式創新教學,打通相關專業課程之間的壁壘,探索工程教育的內在規律,培養學生具有寬厚扎實的基礎知識和自主學習能力,高效學習、獨立思考、獲取新知識、解決問題的能力,學以致用,培養嚴謹治學的專業態度和精益求精的工匠精神,為社會及企業輸送具備扎實基礎、知識面廣、素質全面、創新能力強的新工科高水平人才。

未來,項目式創新教學需要不斷完善與發展。首先,需要進一步完善項目式創新教學相關制度,保障項目式創新教學的順利實施。其次,需要不斷完善課程體系建設,構建更加完善的理論與實踐相結合的課程體系,深入挖掘項目之外的隱性知識,實現課程知識之間柔性對接,完善學生的專業知識體系。再次,需要建立更加科學、合理、高效的評價機制,實施以學生為中心的創新教育,建立“知識生成-應用實現-價值產出”的過程性評價體系,在項目式創新教學中充分體現學生的學習主動性、創造性和創新意識。最后,需要適時對項目進行總結和反思,不斷復盤、不斷對項目進行延伸、拓展和沉淀,實現學習有效積累和可持續發展,形成良性循環,同時加強對教師項目式創新教學能力的培訓和提升。

隨著新工科建設的持續推進,項目式創新教學模式的特點高度契合人才培養目標,助力工程教育的創新發展。相信項目式創新教學模式會受到更多教育工作者的肯定,助力新工科高素質人才的培養。