项目式创新教学赋能新工科高水平人才培养——以IGBT散热基板优化项目为例

程东霁,陈三明,林雄萍,杨 琳

(集美大学诚毅学院,福建 厦门 361021)

教育部提出建设和发展新工科是为了应对新的科技革命和产业变革及新经济发展对工程教育的改革与发展提出的挑战。目的是培养出满足未来新产业需要的,具有创新创业能力、动态适应能力、高素质的各类交叉复合型卓越工程科技人才[1]。高等院校、专家学者积极探索与实践新工科建设的人才培养模式。2019年10月,教育部出台了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》,明确提出关于本科人才培养应“推动科研反哺教学,强化科研育人功能”。鼓励教师在教学过程中,及时把高校或企业最新科研成果转化为教学内容,提升工科专业教学内容的时代性,激发学生对专业的学习兴趣,全面提升学生的综合能力及素养[2,3]。

目前,人才供需两侧高校与企业之间关于新工科人才培养的矛盾依然突出。通过走访企业调查毕业生就业情况,与企业人力资源及技术部门深入交流了解到:科技革命、产业变革给企业生存与发展带来巨大压力与挑战,企业需要创新速度快、产品迭代能力强。面对这种挑战,对工程技术人才的跨学科交叉知识、工程实践能力及职业素养要求日益提高。审视“以教为主”的传统教学中存在以下不足:学生学习动力不足;跨学科知识学习及应用场合少;实践环节的教学内容滞后行业应用;创新能力较弱,训练机会少;学生沟通表达能力弱、协作分享意识不足、缺乏职业素养。

因此,如何弥补传统教学方法的不足,更加高效地达到人才培养目标,是高校教学改革的重点,更是新工科建设的目标。林健在论述扎实推进新工科建设中强调注重发展多学科交叉知识的人才培养模式[4]。秦璐强调在教学内容上注重多学科交叉融合[5]。本文提出“项目式创新教学”新模式,兼顾企业技术需求和新工科人才培养目标,是一种强调让学生主动积极探索问题,注重多学科交叉知识融合、注重实践能力的培养、注重核心素养达成的人才培养模式。

一、项目式创新教学的内涵

(一)项目式教学的起源与发展

项目式教学起源于16世纪的欧洲建筑学校和工程教育运动,是一种以学生为主体,由教师精心设计项目实施的各个环节,让学生通过积极探索并解决实际存在的问题来获取知识与技能的教学方法。1918年,在《项目教学法》一书中,William Heard Kilpatrick(威廉·赫德·克伯屈)首次提出并定义了“项目式教学”的概念,将项目的概念扩展到教学领域[6]。此后,各国开启了研究项目式教学的热潮。美国Sally Berman(萨利·伯曼)根据加德纳的多元智能理论撰写了《多元智能与项目学习——活动设计指导》,为推行项目式教学提供策略,并指明项目式教学对学生多元智能的发展有积极作用[7]。美国巴克教育研究所认为,“(项目式学习)是一种有系统的教学方法,学生面临问题和挑战时,经由对问题的深入探讨及互动交流,透过讨论复杂议题、精心规划任务及解决问题的过程,学习到知识及技能”。巴克教育研究所与美国博伊西州立大学等高校合作创建免费的项目式教学网站,提供丰富的项目资源、指导建议、资料以及教师专业发展的相关培训课程[8]。

项目式教学于20世纪90年代引入国内,德国安内莉泽·波拉克女士在1995《科学课》杂志上介绍了项目教学法的价值及其在德国基础教育教学中的应用[9]。此后,项目式教学逐渐渗透到基础教育、职业教育、高等教育等各类教育领域,项目式教学模式得到了充分的肯定与发展。

(二)项目式教学的特点

项目式教学相比传统教学,具有学生主体、注重应用、成果导向等特征,是一种打破学科逻辑结构、围绕项目来组织课程的教学模式,更是一种能够有效促进学生自我建构活动、发展学生高级能力的学习方式。在教学过程中,学生的参与感较强,学习知识有用、有趣、有效,学习主动性提升。

项目式教学与传统教学两者之间是相互辅助、交叉渗透的关系。高等教育教学过程遵循通识课、专业基础课、专业课的教学顺序,层层推进。这种方式具备严谨的科学性及逻辑性,但因“学”与“用”之间时间跨度较长,学完的知识较长时间得不到应用导致遗忘率增加、学习目的性不强、学习主动性不足。项目式教学专注于“以用促学”“学以致用”,缩短学与用的时间周期,增强学习动力、提高学习效率、提升学习效果。

(三)项目式创新教学的优势

项目式学习对教学效果及能力的培养具有一定的促进作用,但现在项目式学习存在以下问题:项目课题陈旧,涉及交叉学科知识少,滞后企业应用,评价标准单一等。杨明全指出:“重建项目式学习的时代价值意味着以新的思路去破解传统教育的沉病和痼疾;重建其方法论价值,为素质教育发展提供育人方式的选择。”[10]针对传统项目式教学的不足,本文对传统项目式教学进行创新升级。与传统项目式教学相比,项目式创新教学具有以下四个创新点:

(1)课题来源由教师设计转变为企业研究项目。项目式创新教学以解决企业实际工程问题为导向,以学生为中心,强调学生对知识的主动探索。

(2)教师的职责由设计指导转变为共同探索并指导。同步提升教师的参与度,对师资力量的提升与专业建设有促进作用。

(3)评价标准由学校评价转变为学校和企业联合评价。项目式创新教学强调多维度、过程性评价,有助于更合理地对学生综合素质进行培养。

(4)提升项目式教学的价值。新工科知识与技能的应用与新技术交叉融合产出新成果,校企双方皆受益,促进校企合作的良性循环。

综上所述,项目式创新教学具备以下优势:

(1)项目课题来自企业的实际需求,紧跟行业前沿,缩小学校教学内容与行业应用之间的差距。

(2)综合交叉学科的知识与能力,让学生更全面理解知识体系。

(3)项目式创新教学“以用促学”“学以致用”,激发学生求知欲,变被动接受知识为主动探索。

(4)培养学生创新意识;提升协作交流能力、社会责任感等综合素质,促进学生全面发展。

(5)同步提高教师实践与科研能力,使其具备企业思维与实战经验。

二、项目式创新教学在新工科人才培养中的作用

新工科人才应具备知识、能力、社会合作及终身学习四个维度十一项核心能力及素养。如图1所示。

图1 新工科人才核心能力及素养

项目式创新教学基于未经简化和抽象的企业前沿工程问题,必然涉及多学科交叉融合的知识学习与运用,对知识的学习与运用的时效性有助于提升学生的学习主动性;通过工程实践,解决企业的新技术问题产出新成果,在锻炼学生实践能力、创新能力的同时,提升学生的自信与成就感。以下分别阐述项目式创新教学在新工科人才培养中的作用。

(一)项目式创新教学注重与学生交叉知识应用相联系

企业的工程项目归属某些特定行业领域,会涉及材料、力学、机械、制造技术、热力学、电学、自动控制、工业软件应用等多方面知识交叉与综合。在思考解决问题的过程中,学生需要全面了解项目课题涉及的知识,促使学生习得多学科交叉知识,并进一步理解各科专业知识之间的联系及应用。

(二)项目式创新教学注重与学生实践能力培养相联系

在项目推进过程中,由于项目内容并无标准答案,需要学生通过深度学习和探索发现问题、分析问题和解决问题。教学活动的分解,包括课题背景调研、原理分析、确定方案、因材施教的进行分向教学。在解决问题的过程中,引导学生进行头脑风暴,综合所学知识,主动探求新知识、习得新能力,促进实践能力全面提升的目标达成。

(三)项目式创新教学注重与学生创新思维训练相联系

新工科建设不仅要培养学生解决复杂工程问题的能力,还要培养学生的创新思维、创新精神和创新能力,使学生既具有工程实践能力又具备科学探索精神。项目式创新教学通过学生完成一个或多个子任务的过程,逐步养成创新思维、积极思维。

(四)项目式创新教学注重与学生核心素养达成相联系

项目式创新教学不是简单地把专业课程变成一个个独立的知识点,而是通过实际工程项目的设计和实施,将各科专业知识、技术技能、创新精神、综合素质有机地融合在一起,通过项目实践过程中的细节,浸润正确积极的价值观,使知识传授、能力培养和价值塑造同向同行,有效促进核心素养的达成。

三、项目式创新教学思路设计及实例实施

项目式创新教学从培养目标、教学活动、教学评价和预期成果四个维度以知识应用、能力培养、思维训练和素养达成为目标,通过项目选题、任务分解、师资适配、流程管理四个方面推进教学活动,形成过程性评价,对项目式创新教学进行阐述,探索新工科高水平人才培养教学模式。教学思路如图2所示。研究项目选题、进行任务分解、精心挑选对应的指导教师组建导师组、分解项目推进过程中每个环节任务匹配的知识、能力、素养图谱,有步骤有计划地进行教学流程管理。最后根据多维评价体系对项目做出合理有效的评估,最终实现学生核心能力及素养的目标。

图2 项目式创新教学思路

以IGBT散热基板优化项目为例,对机械工程专业的本科生开展的创新的项目式教学设计围绕以下三个宗旨:选题方向与产业发展、企业需求相耦合;项目开展与新工科人才培养目标相融合;效果评价与培养目标、企业需求相契合,如图3所示。

图3 项目式创新教学设计的三个宗旨

以下将分别从选题导向、活动展开、知识架构、过程评价和育人宗旨五个方面阐述项目的开展情况。

(一)企业研究前沿的选题导向

项目式创新教学在选题研究方面具备以下四个特点:

专业性:即涵括专业知识与技能。

应用性:即贴近社会和企业实际工作的应用,有助于激发学生观察、分析和思考现实的兴趣,培养学生的探索能力。

创造性:即挑选企业迫切需要的基础理论难题或具体工作上的新难题开展探讨,争取在本技术专业的科学研究或业务工作中有探索与发现和新造就,实现企业与高校在合作中皆受益。

可行性:综合考虑教师团队具体科学研究工作能力、选择教师熟悉或感兴趣的商业领域的课题。

以企业前沿“IGBT(绝缘栅双极型晶体管)散热基板优化”项目为例,IGBT散热基板如图4所示。该项目的选题具备专业性,内容涵盖材料、工艺、结构设计、流体仿真、热力学等专业知识。具备应用性,IGBT国产替代,需要研究其散热性能,帮助企业进行仿真分析与实验。具备创造性,研究成果是企业所需,校企合作双赢模式。具备可行性,无论是专业知识、工业软件的应用、实验条件学校皆可为课题研究提供有力支持。

图4 IGBT散热基板

(二)学生深度参与的开展活动

IGBT散热基板优化项目,通过将学生分组,分别承担不同的项目任务,比如将学生分为材料小组、工艺小组、仿真小组和实验小组等。每个小组分别承担相应的任务,共同完成项目。在项目的实施过程中,教师分析问题并及时引导学生解决问题。学生在实践过程中遇到困难时,教师提出思路与方向,激发学生思考,提供有效的帮助,但不直接帮忙解决问题,以学生高度参与为宗旨。

首先研究技术需求,根据芯片发热功率及许可工作温度范围,设计冷却方案。解决问题的过程,导师引导学生进行调研、查阅文献资料、学习材料、加工工艺等知识,分析众多影响因素对目标变量的影响。充分调动学生主观能动性,探索各学科知识内在的联系。在寻求满足多目标的设计方案过程中,学会解决多学科间的冲突,寻找平衡点即最佳方案。

(三)学科交叉融合的知识架构

IGBT是各类高压大容量电力换流和控制装备中能源变换与传输的核心功率器件,广泛应用于航空航天、智能电网、轨道交通、新能源等国家战略性产业。项目针对提高IGBT模块散热效率,降低IGBT封装热阻的需求,并解决铜基板与DBC衬板因热膨胀系数差异经多次热循环后破坏引发芯片传热失效问题,研究用铝碳化硅(AlSiC)基板替代铜基板,内容包括高体份AlSiC性能的提升、AlSiC材质IGBT基板的结构设计、制备和散热性能研究。该项目的研究涵盖了材料、仿真、流体、控制、热力学、工艺、制造技术等知识体系。

(四)多元综合反馈的过程评价

项目式创新教学的评价方式,从工程教育专业认证的角度出发,采用多元化评价体系对学生的学习成果进行评价。通过对学生学习成果的综合评价,引导学生树立正确的工程观念,培养其解决复杂工程问题的能力,提升其社会责任感和职业素养。

在项目式创新教学中,学生的成绩由三部分组成:个人成绩(占比50%)、团队成绩(占比30%)和结题报告(占比20%)。其中,个人成绩主要由学生在项目过程中完成的阶段性研究报告、PPT汇报、项目结题报告组成;团队成绩由学生在项目过程中所做的方案设计、团队协作能力和实践操作等方面组成;结题报告则主要由学生撰写的论文等形式来反映。每一项分数由学生自评、小组互评、教师评价和企业评价组成,考核内容及占比如表1所示。

表1 项目式创新教学考核内容及占比

(五)核心素养全面提升的育人宗旨

在项目推进的过程中,面对未知领域,学生主动提出问题和分析问题,利用丰富的数字资源,通过查阅文献学习新知识、新技能,不断促进自主学习、终身学习思维方式的养成。与课题组成员及企业方协同工作过程中,分工合作、交流表达,提升应用能力、创新能力的同时不断增强学生的学习兴趣。同学们通过对项目的研究探索与落地实施,坚定专业信心、感悟国家制造业高速发展,并以此不断树立报效祖国的家国情怀,这就是“项目式创新教学”多角度、多方位育人的“入微渗透”。

“IGBT散热基板优化”项目式创新教学匹配新工科高水平人才能力图谱如图5所示。从图中可见,对项目进行任务分解,每一项任务在知识应用、能力培养、素质提升和价值塑造四个方面都对应了新工科人才培养目标的内容。通过完成 IGBT散热基板优化项目,机械工程专业学生具备了交叉学科的知识、工程实践技能、创新能力、核心素养,进一步完成价值观的塑造。

图5 “IGBT散热基板优化”项目式创新教学 匹配新工科高水平人才能力图谱

四、结论与展望

本文围绕新工科核心能力与素养的提升,针对传统教学与传统项目式教学的不足,从四个方面对项目式教学进行创新,阐述其在人才培养中的作用,并以“IGBT散热基板优化”项目为例,阐明展开项目式创新教学活动的设计思路与实施宗旨,分解任务,匹配新工科高水平人才能力图谱。通过实施项目式创新教学,打通相关专业课程之间的壁垒,探索工程教育的内在规律,培养学生具有宽厚扎实的基础知识和自主学习能力,高效学习、独立思考、获取新知识、解决问题的能力,学以致用,培养严谨治学的专业态度和精益求精的工匠精神,为社会及企业输送具备扎实基础、知识面广、素质全面、创新能力强的新工科高水平人才。

未来,项目式创新教学需要不断完善与发展。首先,需要进一步完善项目式创新教学相关制度,保障项目式创新教学的顺利实施。其次,需要不断完善课程体系建设,构建更加完善的理论与实践相结合的课程体系,深入挖掘项目之外的隐性知识,实现课程知识之间柔性对接,完善学生的专业知识体系。再次,需要建立更加科学、合理、高效的评价机制,实施以学生为中心的创新教育,建立“知识生成-应用实现-价值产出”的过程性评价体系,在项目式创新教学中充分体现学生的学习主动性、创造性和创新意识。最后,需要适时对项目进行总结和反思,不断复盘、不断对项目进行延伸、拓展和沉淀,实现学习有效积累和可持续发展,形成良性循环,同时加强对教师项目式创新教学能力的培训和提升。

随着新工科建设的持续推进,项目式创新教学模式的特点高度契合人才培养目标,助力工程教育的创新发展。相信项目式创新教学模式会受到更多教育工作者的肯定,助力新工科高素质人才的培养。