新工科视阈下知识体系的过程性评价模式探索

张新宇 杨盛超

摘  要：新工科教學要注重对知识体系的过程性评价，文章构建了以知识体系的过程性评价为主的课程作业，侧重培养学生解决具体问题的能力。通过分析应用场景，把问题分解成完整的逻辑链，运用具体的材料物理知识逐一解决，具有实用性和推广意义。

关键词：新工科;知识体系;过程性评价

中图分类号：G420     文献标识码：A     文章编号：1673-7164（2022）02-0051-04

为培养服务国家社会需求的高质量的创新人才，教育部要求推进新工科建设[1]，以应对新一轮技术革命和产业升级中的挑战与机遇[2]。新工科建设为了适应新产业、新技术、新理念，需要形成系统的教育模式和领跑全球工程教育的中国模式[3]。新工科建设是系统工程，人文社会的发展与科技的变革在新工科这里形成交汇，培养出大批具有跨专业、实践创新思维、批判性思维的创新人才[4]。

将工科知识体系的构建和运用作为课程目标，以实际案例为载体融入教学，在实践应用中开展设计和讨论是新工科建设的一种思路。课程建设中很容易忽视作业，其可以体现出学生的直接想法和认识，可以作为知识体系搭建的重要评价结果。教师应在完成作业中的思考过程去把控和分析，有针对性地设计课程作业，探索未知问题和解决方案，结合实际案例。思维能力的培养从三个维度开展：首先，对知识的理解和渗透表现为计算能力检测;其次，对知识的延伸和升华表现为实际运用检测;最后，面对实际产品和具体问题有关联知识体系联想和知识体系构建的实践能力。本文旨在以材料物理课程作业为例，从三个维度全方面地分析如何搭建新知识体系并产生设计理念。

一、新工科的教育重点

新工科教育需要注重知识体系的培养，相比于传统授课，对知识点的把控更在意的是解决问题的实际思路和创新解决思路能力的培养。新工科下的知识体系搭建需要完整清晰的思路，应围绕主体研究方向融入多个学科思想去建设。如材料科学，需要从物理角度、力学角度、化学角度去分析材料应如何去选择并对实际应用的场景进行多维度的分析和评估。应适当更新教育理念中的硬性考察方式，将教学的重点置于创新思维能力的培养上，而不仅限于知识点的掌握。教师在知识点的搭建中起到引领作用，需要给出大框架，让学生自己来填充内容。学生在这一阶段刚开始接触新知识，会有一些新的想法和思路，教育者要着重注意对知识进行剖析，将这一过程融入其他学科，形成新工科模式，在这种模式下，教育者和受教者都需要将知识搭建成为一个利于自身理解的框架体系。

二、工科知识体系的搭建

教育理念转变对传统的高校教育来说，是一个重大的挑战[5]，以往都是教师要求学生进行创新，而现在变成学生个体自主去接触、融合、再创新;这个过程在转变时需要加入一个参考模式，由单纯的创新环节变成三个维度的知识体系构建，难点不仅限于将一个环节扩充成为多个环节，而是如何将创新这一个环节完全打破，变成为何创、如何创、构建创;培养新技巧与思维;这种知识体系构建本身就是一种参考探索和设计评价的过程。所以新工科下对知识体系的搭建主要面临如何选择知识、如何有针对性地展开评价、如何合理反馈三大问题。

知识体系搭建过程中，需要结合案例进行分析，以知识点和案例结合的思路融合设计进课程作业以培养工科思维。但知识点过多或者过少，会导致学生无法接受或是没有达到系统思维和知识体系培养的目的。太多了会杂，没有重点;太少了会缺，无法达到培养目标。这对于教师来说是一个需要不断探索的难点。

教育开展的地点多在课堂，会忽略学生在课下自主学习的过程，硬性的课后作业只能证明学生对于知识点单纯的掌握情况，并不能体现他们自身的创新意识和思维。因而，对于课后作业的类型不能局限于死板的公式套用，应结合课程去开展实际应用设计，在这个过程中展现学生自己的设计思想和创新能力;应结合作业搭建和评判知识体系，积极引导学生在教师指导下基于学业要求进行创新。结合课程设计的评判和每位学生的设计理念去搭建知识框架。在搭建知识框架的过程中保持大体本质不变，并尝试理解他人在设计过程中的思路和方法，不歧视任何一种思路，不泯灭任何一种设计。但如何让学生去主动展示自己则是一大难点，需要考虑学生不愿主动展示自己的原因，考虑是否有必要多加入课程设计和主课相结合的应用型课堂。而这些课程设计应参照怎样一个模板也需要在今后的尝试中逐渐成形。

三、课程作业为基础的知识体系过程性评价

（一）课程设计思路

本文设计了一种基于知识体系培养和其过程性评价的“材料物理”课程作业，搭建材料物理的知识框架并探析其背后的设计思路和创新方式（图1）。主要不在于课程设计的本身，而是学习在设计时如何从不同角度去理解，其设计结合了哪些其他学科的知识并且怎样联系实际去整理做出选择和产品的。

（二）知识应用转化

本文通过材料物理课程设计，提出新工科视阈下对于知识体系搭建和创新思路的建设模式;通过课后学科设计来培养学生的新工科意识，让学生在熟悉型工科的过程中逐渐理清思路、适应变化、形成意识、搭建框架、填充创新、分析评估、综合提升。以切割机刀片为设计目标，通过结合实际应用考虑刀片的材料约束属性，进而结合机械组装、物理计算等多学科理论参考实现刀片材料的选择和特制;在合理的属性范围内考虑经济成本进而设计得出产品;最后对产品进行系统评估（图2）。

（三）案例明确分析

1. 如图3所示，案例主题明确，对切割机刀片进行选择探索，找出合适的材料;简单介绍工作原理及环境，提升效率的关键是切割机刀片材料的好坏。

2. 选择切割机刀片为案例符合课程章节内容，刀片材料多数为合金，且刀片决定了切割机工作效率，只要优化刀片便可以提升切割机工作效率;只需要考虑刀片的选择，范围不会太大，因此适合作为课程设计。

3. 從设计的理念去分析，旨在提升切割机的工作效率，节约时间节省消耗;切割机工作时刀片的运作需要足够的强度，热稳定性，耐腐蚀性，较好的切割能力等，需要交叉学科全面展开，不断强化知识体系。

4. 搭建知识体系以合金材料为主题，参考市场生产中切割机刀片的材料确定限制刀片应用的因素，其中机械组装中的磨损、环境不可抗力、物理应力因素都是亟待解决的难点（图4）。

5. 关键分析在于刀片的优化，各项物理属性的分析和精确的计算给出到刀片所要满足的要求（图5）。其中指标一确保足够屈服应力克服离心，计算刀片尺寸估计应力大小，选择合适材料;指标二包含叶片刚度及厚度的计算，材料体积越大，叶片越薄，计算抗弯曲强度，选择合适材料;指标三计算寻求材料耐磨性、韧性和成本之间的关系，提高耐磨性往往以牺牲太多韧性为代价，需要计算平衡两者关系;指标四数值越高越能确定韧性准确度。

6. 设计要考虑实际成本价值和消耗，尽可能选择低成本、高性能的刀片材料，符合大众使用的经济水平。

首先，案例围绕合金材料展开知识点的框架搭建。熟悉合金材料的概念及分类，从这一角度出发，考虑切割机核心技术在于刀片的综合能力提升，满足切割草坪时所需要满足的各项要求。

其次，完成理解延伸与学科交叉。在熟悉知识的基础上对知识进行着重划分和深究，参考合金学习，金属材料的各项属性是判断合金好坏的重要参考标志，其中从设计的角度提出在切割机工作时，刀片需要满足的条件：1. 环境约束，雨水的侵蚀等;2. 材料本身约束，强度、硬度、韧性、热稳定性等;3. 机械约束，旋转产生的离心力、机械组装产生零件相互作用力、摩擦产生的磨损等。这些约束是对刀片材料的要求，各项属性决定了材料选择的范围。分析如何满足这些约束，就确定了材料选择的范围。设计要克服各项约束进而实现对材料的最优选择，各项约束融合其他学科知识进行交叉。如机械约束中切割机的刀片组装涉及机械组装原理，在运作时有障碍物切割震荡产生机械磨损;刀片在高速离心旋转下产生集中应力断裂，环境限制条件要考虑发生腐蚀的可能性。

最后，结合实际评估。通过对材料指标的把控，挑选出符合各项约束要求的合金材料，选择合金的条件并不是指标最优，而是最适，因此，在设计产品的同时需要考虑到在应用过程中外界条件对于产品的限制，设计的本质是提供应用，满足需求，学生在尽可能贴合实际的基础上提高属性来实现创新。精准的计算是控制变量的前提，生产需要参考标准，一切设计的检验都要经建模后的实体测评，精确的计算离不开扎实的理论基础和清晰理性逻辑的培养。在考虑技术的同时也要结合成本去做预算，一个好的设计产品既创造了全新的价值又不会有过高的生产消耗，最终更好地适应新挑战[6]。

参考文献：

[1] 梅瑞斌，包立，王晓强，等. 塑性力学类课程思政改革与实践[J]. 机械设计，2020，37（S2）：281-285.

[2] 孙英浩，谢慧. 新工科理念基本内涵及其特征[J]. 黑龙江教育（理论与实践），2019（Z2）：11-15.

[3] 王轶卿，张翔. 新工科建设中实施课程思政的理论与实践[J]. 河北师范大学学报（教育科学版），2020，22（06）：59-62.

[4] 汪霞. 研究生创新型人才培养研究[M]. 南京：南京大学出版社，2018.

[5] 徐莉. 基于终身教育体系构建的可持续变革研究[D]. 上海：华中师范大学，2017.

[6] 封志明，郑亮，费凌，等. 新工科背景下地方高校智能制造人才培养改革探索[J]. 实验技术与管理，2021，38（07）：23-29+35.

（责任编辑：罗欣）