前沿科技在高校教学中的导向性

任玉坤，李姗姗，姜洪源

（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

高等教育的普及，关系着国家民族的整体人口素质，是政府和社会各界共同关注的热点话题。大学教学不是即席演讲，而是一种有目的、有计划的教学活动科学，合理地组织教学是大学教师进行有效教学的前提条件[1]。高校教材的更新远远比不上科技前沿发展的速度，教材的相对滞后给合理组织教学内容和备课提出了更高的挑战。高校教师应当是在某专业领域学识广博，学有所成，具有较深厚的理论功底和知识体系的教学科研并重型人才[2]。本文结合哈尔滨工业大学工科机电专业基础课程《机械设计基础》教学中的实例，在工科类学生教学过程中引入大量的先进工业技术应用实例和科技发展前沿动态，教学效果和师生互动得到了明显的加强，极大促进了学生课堂和课外学习的主动性，激发了学生开展积极课外科技拓展实践活动的自觉性，有利于教学科研的相得益彰。同时，还促进了高校教师追踪科技发展动态，并将其融入课堂教学的主动性，有效避免了现实生活与教材的“剥离”。将科研动态与课堂教学相结合，是国内科研型高校提高教学质量，创建世界一流大学的初步尝试。

一、充分备课是合理组织教学的前提

在目前展开的实际教学活动中，工科的教学依然以教材为主，以工科实验、参观认识实习和金工电子实习作为辅助。作为教学主要环节的课堂教学采用的教材，普遍存在滞后于社会经济发展的情况[3]。教材类专著的编写，大多基于存世数百年的经典理论和实践经验，经过领域内多名专家学者的反复论证和修改编写而成，大部分学生在教材中获取的书本知识，在走入社会后往往已经过时。这一现象对于学生和高校而言，是一种时间和教育资源的浪费；对于用人单位而言，新入职员工不能胜任岗位工作，需要经过专门培训才能顺利工作，培训的时间成本、财力和机会成本徒增。针对现有教材相对滞后的缺点，不少教师尝试在高校教学中引入最新科技发展动态和前沿科技应用的展示。一方面，高校教师大多承担一定的科研任务，对于行业内新技术的发展脉络具有很好把握，同时熟悉业内主流科技期刊，可以及时追踪当前行业内部的科技发展动态。这为将前沿科技引入课堂创造了得天独厚的条件。国家级省级著名教学名师们的授课效果深受不同知识基础和学习能力学生群体的广泛认可，他们的教学风格也有很大差异，大体上有两种风格。一种是严格按照教学大纲，教师课前备课充分，在课堂上完全不看讲稿就能用严谨的语言出口成章，学生只需要做好笔记，也能很好地掌握课程内容。另一种风格是在教学大纲的框架内，老师凭借自己宽广的知识面自由发挥，讲得生动活泼，趣味横生，但学生课后复习要花很多时间翻阅教材才能掌握课程的基本内容。这两种授课方式孰优孰劣颇受争议，一时间很难评出高下，因为这要看课程性质和授课对象。大多数学者和教师认为对于低年级的基础理论课，应该采用第一种方式，而给高年级（特别是研究生）讲课，可能第二种方式更好。前者备教材，后者需具有宽厚的知识储备。无论采用何种教学风格，都离不开课前的充分备课。充分的备课不仅要求要求教师对授课内容和知识点烂熟于心，还要求具有较为有效的教学策略，掌握学生的学习心理，对课堂讲学的顺利有效有良好的把握。

二、引入科技前沿发展动态是充分备课的有效形式

传统的备课方式要求做到备教材、备学生、备方法[4]。从备课的流程来看，教学设计必须源于对教材的正确理解和把握。教师只有认真细致的研究教材，对教材有一个全面的、正确的理解和把握，才能设计一个比较合理的教学设计。教师在备课过程中，采用好的教学方法，可以充分调动发挥学生学习的主动性，从而创造出高效率的课堂教学。将前沿科技成果引入到课堂中，对教师的备课提出了很高的要求。从上世纪50年代开始，美国的科学教育杂志就不时发表一些相关的研究报告。例如，采用科幻进行公民教育、阅读教育、物理化学生物天文学教学等[5]。上述实践不但在大学进行，也在中小学进行。多数研究积累了经验，获得了不同程度的第一手信息，也发现了科幻教学中的不足。科幻教学以生动有趣故事作为引子，启发学生开始自我探索，自我寻找和学习，这使他们学会了探究科学问题的方法。其不足之处就是没有深厚的科学理论和较为严谨的学术证明。相比之下，发表在学术期刊上的科研发展动态则是经过学者审慎严格的论证而得出，具有相当强的学术性、逻辑性和理论基础，更适合作为高校研究生和本科生课堂内容。将科研成果融入到传统教材进行备课，对高校教学质量的提升尤为重要。在新形势下，以社会需求为导向，培养具有创新思维和工程实践能力，能深入一线进行新技术、新产品和新工艺研究的新型工程技术人才，是当前国际上高等工程教育的基本走向[6]。在教材备课的同时，引入科研发展动态，是充分备课的有效形式。这样可以充分调动学生学习的积极性，加强课堂授课效果，同时也能提高教师的科研和教学水平。国内许多高校和学者对此做出了努力和尝试，受到广大学生的认可。以复旦大学杨玉良担任校长面向全校本科生开设公开选修课为例，作为我国第一代高分子专业博士、中科院院士、多项“863”、“973”重大科研计划负责人和复旦大学校长，他本身也是一名教师，杨玉良院士在备课过程中几易其稿，课上播放的PPT多达154页。来自软件工程的2012级本科生方家婧就感言听校长上课“和老师平时上课一样亲近，校长讲的许多东西很前沿，给了我一些新的视角，虽然与我的专业关联性不大，但是依然感觉很有收获”[7]。值得指出，杨院士将科技前沿发展动态引入到课堂，为青年教师提高自身科研教学相结合的能力提供了参考。

三、引入科技动态在机电专业教学中的应用效果

作为传统的工科专业，机电一体化专业培养具有必备基础理论知识、专门知识和较强的从事本专业领域实际工作的能力，适应生产建设、管理、服务第一线需要的，德、智、体、美等方面全面发展的高级应用型、技术型人才。机电专业历经几百年的发展，已经形成非常成熟的理论体系和实践经验。现代机电设备朝着两个大方向发展，一是大型化综合化，二是微型化和智能化。随着器件微型化的发展，微机电系统已经成为当今科技发展的热点。本课题组承担的科研任务之一是针对微机电系统中微流体驱动和微纳粒子操控机理及应用的研究，因此，也对校内研究生开展了相关的选修课程《微机电系统设计与制造》。实践证明，在实际教学中，关注和引进最新的科技发展动态，取得了良好的教学效果。下面以微机电系统中微流控芯片技术的发展动态为例说明。微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。直至今日，各国科学家在这一领域做出更加显著地成绩。微流控技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在研究与应用方面都取得了飞速的发展。在课堂中引入这一个具有明显学科交叉特点的新概念，可以开拓学生的视野。微流控芯片实验室，又称其为芯片实验室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片（Microfluidic Chip）。微流控芯片是微流控技术（Microfluidics）实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构（通道、反应室和其他某些功能部件）至少在一个维度上为微米级尺度，操控微小体积的流体在微小空间中的活动，在微小的芯片上构建化学或生物实验室，从而将多种化学和生物学的过程集成到快速和自动的微流控系统。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。随着微流控芯片的不断发展，科学家逐渐认识到微型全分析系统只是微流控芯片的一个类别。微型全分析系统是以样品分析为最终目的一类微流控芯片的统称。微型全分析系统的目的是通过分析设备的微型化与集成化，最大限度地将分析实验室的功能转移到便携的分析设备中。微型全分析系统将生化分析的许多过程与步骤，即生化分析实验室的“功能集成结构缩微”在几平方厘米左右或更小的芯片上，具有检测速度快、试样用量少、通量高等显著的特点。微流控分析芯片综合了MEMS技术与微流体力学、化学、生物学、医学、计算机、材料等多学科领域，可以实现多种分析功能，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统。这一技术具有相当明确的应用背景，可以激发学生的想象力。部分学生在听取本课程之后，积极的探索开发新型的全自动或者半自动的微流控芯片检测系统，真正做到了学以致用。另一方面，微流控芯片技术引入机电专业课堂，有利于启发学生探索机械加工新工艺。微流控分析芯片发源于MEMS技术，因此早期常用的材料是晶体硅和玻璃。高分子聚合物材料近年来己经成为微流控芯片加工的主导材料，它的种类繁多、价格便宜、绝缘性好，可施加高电场实现快速分离，加工成型方便，易于实现批量化生产。但是硅材料也具有本身的缺点，这些影响了硅的应用。玻璃己被广泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃材料上，它的优点是有一定的强度、散热性、透光性和绝缘性都比较好，很适合通常的样品分析。在学习机械加工工艺方法时，必须要充分考虑材料本身的特点。通过微流控芯片基底加工的实例，学生对于机械加工工艺和材料选择有了深刻的理解。目前，高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生产等优点，得到了越来越多的关注。例如PDMS芯片经软刻蚀加工技术，可以实现高精度微结构的生成。并且，由于这种材料的弹性，可以更好地与外界部件进行整合。PDMS芯片应用在某些生物实验中，可以形成足够稳定的温度梯度，便于反应的实现。除此之外，由于其对可见光与紫外光的可穿透性，使其得以与多种光学检测器实现联用。在细胞实验中，由于PDMS的无毒特征以及透气性，因此显现与出其他聚合物材料相比不可替代的地位。PDMS微通道的加工不是传统的去除式切削加工，而是类似软“铸造”的一种需要模具和流动性材料的工艺，开阔了学生在机械加工工艺手段领域的眼界。

总之，将科研成果融入到传统教材开展教学，对高校教学质量的提升尤为重要。可以培养出具有创新思维和工程实践能力，能深入一线进行新技术、新产品和新工艺研究的新型工程技术人才，同时还有利于教师队伍知识的更新和科研素质，应当大力提倡。

[1]朱栋.大学教师教学有效性研究[J].科技信息，2013：241-242.

[2]杨松山，高胜，贾光政，王金东.数控加工仿真课程行为艺术教学法探讨与研究[J].大学教育，2013：77-78.

[3]殷雁君.基于学科课程体系发展背景的计算机导论课程建设思考[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2013，26（7）.

[4]杨阳.有效备课构建高效课堂 [J].教育教学论坛，2013：199-200.

[5]韩天琪.科幻：科学教育方式新探索[N].中国科学报·思想周刊，2012-12-17（5）.

[6]万茂松，徐晓美，羊玢，郑燕萍，田杰，韩宝睿，俞进梅.工科专业本科生导师制的实施模式研究——以车辆工程专业为例[J].大学教育，2013：14-15.

[7]崔梦玲，卢晓璐，黄辛.中国科学报·大学周刊[N].2013-01-03（5）.