新工科背景下传统工科课程教学模式的创新与实践

［摘 要］ 当前新一轮科技革命和产业变革推动知识更新，新知识产生的速度不断加快，由此对现代工程技术人才的知识、能力和素质都提出了新要求，在此背景下新工科教育理念应运而生。传统工科专业如何创新教学模式以适应新工科建设的要求是值得深入探讨的问题。以传统工科专业木材科学与工程的核心必修课程“人造板工艺学”为例，从教学面临的痛点出发，秉承成果导向教育（OBE）理念，以学生发展为中心，通过教学内容、教学资源、教学过程、教学方式和教学评价五个方面的根本转变开展教学改革，创新了“大课程小项目，层层递进”的教学模式，着重培养学生的自主学习能力、解决复杂工程问题的实践能力和创新思维，使其树立远大的职业理想，实现了知识、能力、素质“三位一体”的教学目标。

［关键词］ 新工科；教学模式；人造板工艺学

［基金项目］ 2019年度江苏省高等教育教改研究重点课题“从‘精’向‘金’升级的高校专业课程教学质量保障研究——以南京林业大学国家精品课程《人造板工艺学》为例”（2019JSJG083）

［作者简介］ 周晓燕（1970—），女，江苏常州人，博士，南京林业大学材料科学与工程学院教授，主要从事人造板制造技术研究；杨 培（1990—），男，陕西延安人，博士，南京林业大学材料科学与工程学院助理研究员，主要从事木质复合材料研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）21-0111-05 ［收稿日期］ 2023-01-30

进入新世纪以来，世界新一轮科技革命和产业变革风起云涌，大国之间的科技创新竞争日趋激烈，服务于传统行业的工科专业迫切需要抓住工科教育的改革机遇，应对全局性挑战。2017年以来教育部积极推进的新工科建设，就是主动应对新一轮科技革命和产业变革的战略行动，是新时代工程教育改革的新方向［1］。新工科建设最为核心的任务是培养能够满足行业和产业发展需求的人才，即人才培养是新工科建设和发展的落脚点［2］。

随着社会经济的快速发展，人们对美好生活越来越向往，而拥有健康舒适的居住环境是追求美好生活的前提，营造这样的环境离不开木材和人造板产品。我国人造板总产量超3万亿m3，占世界总产量的60%以上，已成为世界人造板生产、消费和进出口贸易第一大国，但尚不是强国［3-4］。当前人造板工业正处于由高速增长向高质量发展的转型升级时期。随着绿色发展理念的深入实践，人民对健康生活的高要求及产业高速增长向高质量发展的转型，对行业人才的知识、能力和素质均提出了更高的要求，对人才的需求已由技能型工程人才转向创新型工程人才。

“人造板工艺学”是一门涉及广泛应用于建筑、家具、装修等领域的人造板产品的制造原理、生产工艺、质量控制及应用技术等方面基础理论和实践技能的综合性课程，是木材科学与工程专业的核心必修课程。在新工科背景下，面对本行业培养具有融会贯通的多学科知识体系、解决复杂工程问题的实践能力和创新思维及善于沟通交流合作的综合素质的创新型工程人才的迫切需求，笔者带领教学团队以立德树人为根本任务，从立体化资源建设、智慧化内容创新、融合化方式探索、多元化环境营造及国际化服务拓展等五个维度不断进行改革创新和迭代实践，着重培养了学生的自主学习能力、解决复杂工程问题的实践能力和创新思维，使学生树立远大的职业理想，实现了知识、能力、素质“三位一体”的教学目标。

一、课程教学面临的痛点

当前，我国人造板产品品种繁多（如胶合板、刨花板、纤维板等），人造板工业正处于高质量发展时期，新产品层出不穷，且人造板产品生产工序复杂，在有限的教学课时里无法将每种产品的制造原理和生产工艺传授给学生，需要学生自主学习、自主建构知识体系和举一反三，才能适应人造板工业产品日新月异、技术推陈出新、装备更新迭代的发展趋势。因此，如何让学生学会将物理、化学、力学和木材学等基础知识与专业知识融会贯通，自主建构知识体系，是教学面临的第一个痛点。

人造板产品制造从原料分离到重新组合历经几十道工序，工序间关联紧密，涉及的控制因素众多，要获得性能优良的产品需要解决许多复杂的工程问题。传统灌输式教学模式无法培养学生对知识的有效应用能力，导致学生缺乏运用理论知识解决复杂工程问题的实践能力，不能适应人造板工业的生产绿色化、产品高值化、制造智能化的发展需求，这是教学面临的第二个痛点。

进入新世纪以来，人工智能、纳米技术等新技术浪潮推动了各类产业的深刻变革，人造板工业也不例外，比如纳米技术对功能人造板产品的制备、3D打印技术对人造板产品的表面装饰、信息技术对人造板产品的智能制造等都将带来革命性的变化。在教学过程中如何让学生拓宽视野，培养其创新思维和对知识的再创造能力是第三个痛点。

二、课程教学改革的创新与实践

20世纪90年代，美国著名教育学家Spady首次提出了OBE教学理念，即OBE（Outcome-based Education）成果导向，这种理念强调教育系统的一切要素都要围绕学生在学习结束时，确保能实现所期望的学习成果来组织［5］。秉承这一理念，针对上述教学痛点，以学生发展为中心，将理论知识融合科研创新成果和先进生产技术，以人造板实际生产问题为引导，设计了课程教学项目库，创新了“大课程小项目，层层递进”的教学模式，以课程教学“工作坊”形式实施，着重培养学生自主学习能力、解决复杂工程问题的实践能力和创新思维，树立远大的职业理想，实现知识、能力、素质“三位一体”的教学目标。具体通过教学内容、教学资源、教学过程、教学方式和教学评价五个方面的根本转变开展教学改革的创新与实践。

（一）教学内容由“知识点”向“智慧点”转变

信息时代新工科教育改革对以知识点传授为要点的传统授课方式提出了挑战，而聚焦知识点的发现逻辑、关联机理和思维导引的“智慧点”可创新授课要点，达到授之以渔的目的［6-7］。通过融合众多人造板产品的共性制造原理和个性生产工艺，构建了生产概况、生产原料、制造原理、典型人造板生产工艺、特殊人造板生产工艺、深度加工等6大知识模块，以人造板生产实际问题为引导，设计了“热压鼓泡缺陷控制方法”等15个初级探索任务和“人造板产品结构优化设计”等10个高阶探究项目，变“知识点”为“智慧点”，拓展了知识的广度和深度，促使学生在不断反思的过程中自主架构知识体系。以产品鼓泡问题为例，将与之关联的干燥、施胶、热压等工序的原理，相关工艺因子的调控及控制鼓泡产生的方法融合，同时融入鼓泡在线监测的先进技术及利用等离子体活化木材表面，提高胶合强度防止鼓泡产生的科研创新成果，以项目学习的方式，促进学生在理论与实践融合的学习中将专业知识融会贯通，自主建构知识体系。

（二）教学资源由“平面化”向“立体化”转变

鉴于人造板产品品种众多，工序复杂，随着产业快速发展，新产品层出不穷，技术日新月异，为利于学生自主学习，我们以国家级规划教材《人造板工艺学》为核心，构建了“一核三维”教材体系。“人造板工艺学”核心教材融合了各类产品共性制造原理和个性生产工艺，知识结构更加系统和科学，利于学生融会贯通，举一反三。同时，以此教材为核心，编写了《胶合板制造学》《人造板工艺学实验》《人造板生产管理与质量检验》等理论、实践和拓展三个维度的配套教材11部，知识体系更加完善和全面。此外，建成了线上和虚拟仿真实验教学国家一流课程，将纸质教材上的知识以图、文、声、像并茂的形式展示，用三维动画课件讲述深奥的理论知识，用仿真技术呈现实际生产的实践知识，用“互联网+”的信息获取模式补充专业前沿知识，形成了立体化的教学资源，丰富了知识的表现形式，充分激发了学生的学习兴趣，拓宽了专业视野。

（三）教学过程由“灌输式教学”向“体验式学习”转变

为促进学生对知识的有效应用和再创造，创新设计了“问题—任务—项目挑战”层层递进的体验式学习环节，引导学生在体验、观察、思考、探究、归纳等过程中深度学习。课前学生通过中国大学MOOC平台线上课程自主学习知识点，完成自测题，还设计了情境式在线讨论题，增强了学生学习的体验感。课中首先围绕线上学习的易错点、疑点和难点，开展知识竞赛，边练边讲，巩固基本知识点。在掌握人造板制造基本原理的基础上，围绕生产工艺和产品质量管控基本技能，以生产问题为引导设计了初级探索任务；以产品变形问题为例，引导学生通过小组讨论分析产品变形的内在机理及主要影响因素，开展实验，探索解决方法。在此过程中采用了延时评价策略，即对学生提出的方案不即刻给予评价，而是开展小组方案比选，鼓励学生畅所欲言，促进其在反思过程中深入学习，之后开展更高阶探究，围绕人造板的技术革新、新品试研等设计挑战项目。例如针对产品甲醛释放问题，设计了甲醛释放治理探究项目。学生在掌握甲醛释放来源和释放机理的基础上，从胶黏剂、生产工艺和后期处理等不同角度提出了创新思路。通过研讨、试验、总结等教学活动，培养了学生面对复杂工程问题形成系统性和创新性思维，以及善于沟通合作的良好综合素质。课后通过练习巩固知识点，通过阅读参考资料和聆听专题讲座拓宽视野，让学生充分了解行业发展趋势，助力其树立职业理想。

（四）教学方式由“单一讲授”向“多元融合”转变

为充分发挥学生的主观能动性，运用互联网技术，通过中国大学MOOC、实验空间等平台及雨课堂等智慧教学工具，改革单一的课堂教学方式，营造了多元融合情境式的教学环境。运用中国大学MOOC平台实施线上线下混合教学，线上学生自主学习，教师实时在线辅导，线下学生探究合作学习，教师镶嵌式差异化辅导（见图1）。

同时，开发了虚拟仿真实验系统，突破了时空限制，使生产的整个流程及真实的复杂工程问题在课堂上得以再现。虚实结合，让学生身临其境，开展产品结构设计、工艺调控和性能预测，结合现实实验，通过自主设计、自主分析解决复杂工程问题（见图2）。

此外，汇聚我校林业工程国家“双一流”建设学科、德华集团等行业龙头企业和加拿大不列颠哥伦比亚大学等国外合作基地的优势资源，构建了教学平台联合体，校内外联合开展教学。师生组成学习共同体，以“工作坊”形式开展挑战项目的探究，促进了学生解决复杂工程问题能力及综合素质的提升。

为达成素质与知识和能力同步提升的教学目标，组建了专业教师、思政教师和产业教授融合的教学团队，结合学校特色，紧紧围绕“发扬红色传统，践行绿色使命”这一主线，共同深度挖掘知识体系中的思政要点，共建了“红绿交融”的课程思政矩阵图及“四大发明——造纸术的启示”等15个思政案例库，将绿色发展理念、鲁班精神等思政元素有机融入课程教学。专业教学与思政教育有机融合，授业解惑的同时传道育人。

（五）教学评价由“注重结果”向“注重过程”转变

为了实时掌握学生的学习效果并持续改进教师的教学成效，紧扣课程三层递进教学环节，将学生自主学习情况、课堂互动表现、挑战任务完成情况及团队合作表现与理论知识考核相结合，基于学习过程创建了“诊断性—形成性—总结性”梯阶评价体系，在对学生进行知识、能力和素质全方位考核的同时，促使教师不断完善教学计划，改进教学设计，直至实现教学目标。同时，将定量与定性评价相结合，实现对学生知识、能力及情感、态度、价值等非智力因素的同步评价和激励；将即时与延时评价相结合，鼓励学生畅所欲言，引导学生主动发现探究，在反思的过程中深入学习；将单向（教师评价）与互动（学生互评）评价相结合，引入组间完成度和组内贡献率竞争评价机制，多角度对个人和团体进行评价，激发学生的学习兴趣，促进合作学习。

三、课程教学改革的成效

（一）教与学协同融合，教师与学生共同成长

通过教学改革，学生由“要我学”转变为“我要学”，最大限度地发挥了主观能动性。对比分析近5届学生的调研结果可知，100%的学生学习兴趣、学习主动性、自主学习能力和知识理解能力显著提升，90%以上的学生解决问题能力及沟通表达、获取信息和团队协作能力显著增强。学生的知识、能力、素质水平同步持续提升，对理论知识的理解更加深入全面，改革班理论考核成绩优良率较普通班平均提升30%以上。

通过教学改革，教学团队的教学能力和水平显著提升。团队系统掌握了以学生发展为中心的教学内容组织、教学策略设计、教学方式创新和教学评价创建的方法，课程教学受到师生一致好评，近年学生评教名列全校前1%。团队建成了国家一流线上和虚拟仿真实验教学课程及省级一流线上线下混合课程，主编了本课程国家级规划教材和省级重点教材。团队教师获省教师教学创新大赛一等奖，以及全国林业教学名师和省教学名师称号。

（二）学与用紧密结合，知识与能力共同提升