新工科視閾下知識體系的過程性評價(jià)模式探索

張新宇 楊盛超

摘 ?要：新工科教學(xué)要注重對知識體系的過程性評價(jià)，文章構(gòu)建了以知識體系的過程性評價(jià)為主的課程作業(yè)，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生解決具體問題的能力。通過分析應(yīng)用場景，把問題分解成完整的邏輯鏈，運(yùn)用具體的材料物理知識逐一解決，具有實(shí)用性和推廣意義。

關(guān)鍵詞：新工科;知識體系;過程性評價(jià)

中圖分類號：G420 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0051-04

為培養(yǎng)服務(wù)國家社會需求的高質(zhì)量的創(chuàng)新人才，教育部要求推進(jìn)新工科建設(shè)[1]，以應(yīng)對新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)升級中的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[2]。新工科建設(shè)為了適應(yīng)新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)、新理念，需要形成系統(tǒng)的教育模式和領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式[3]。新工科建設(shè)是系統(tǒng)工程，人文社會的發(fā)展與科技的變革在新工科這里形成交匯，培養(yǎng)出大批具有跨專業(yè)、實(shí)踐創(chuàng)新思維、批判性思維的創(chuàng)新人才[4]。

將工科知識體系的構(gòu)建和運(yùn)用作為課程目標(biāo)，以實(shí)際案例為載體融入教學(xué)，在實(shí)踐應(yīng)用中開展設(shè)計(jì)和討論是新工科建設(shè)的一種思路。課程建設(shè)中很容易忽視作業(yè)，其可以體現(xiàn)出學(xué)生的直接想法和認(rèn)識，可以作為知識體系搭建的重要評價(jià)結(jié)果。教師應(yīng)在完成作業(yè)中的思考過程去把控和分析，有針對性地設(shè)計(jì)課程作業(yè)，探索未知問題和解決方案，結(jié)合實(shí)際案例。思維能力的培養(yǎng)從三個維度開展：首先，對知識的理解和滲透表現(xiàn)為計(jì)算能力檢測;其次，對知識的延伸和升華表現(xiàn)為實(shí)際運(yùn)用檢測;最后，面對實(shí)際產(chǎn)品和具體問題有關(guān)聯(lián)知識體系聯(lián)想和知識體系構(gòu)建的實(shí)踐能力。本文旨在以材料物理課程作業(yè)為例，從三個維度全方面地分析如何搭建新知識體系并產(chǎn)生設(shè)計(jì)理念。

一、新工科的教育重點(diǎn)

新工科教育需要注重知識體系的培養(yǎng)，相比于傳統(tǒng)授課，對知識點(diǎn)的把控更在意的是解決問題的實(shí)際思路和創(chuàng)新解決思路能力的培養(yǎng)。新工科下的知識體系搭建需要完整清晰的思路，應(yīng)圍繞主體研究方向融入多個學(xué)科思想去建設(shè)。如材料科學(xué)，需要從物理角度、力學(xué)角度、化學(xué)角度去分析材料應(yīng)如何去選擇并對實(shí)際應(yīng)用的場景進(jìn)行多維度的分析和評估。應(yīng)適當(dāng)更新教育理念中的硬性考察方式，將教學(xué)的重點(diǎn)置于創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)上，而不僅限于知識點(diǎn)的掌握。教師在知識點(diǎn)的搭建中起到引領(lǐng)作用，需要給出大框架，讓學(xué)生自己來填充內(nèi)容。學(xué)生在這一階段剛開始接觸新知識，會有一些新的想法和思路，教育者要著重注意對知識進(jìn)行剖析，將這一過程融入其他學(xué)科，形成新工科模式，在這種模式下，教育者和受教者都需要將知識搭建成為一個利于自身理解的框架體系。

二、工科知識體系的搭建

教育理念轉(zhuǎn)變對傳統(tǒng)的高校教育來說，是一個重大的挑戰(zhàn)[5]，以往都是教師要求學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，而現(xiàn)在變成學(xué)生個體自主去接觸、融合、再創(chuàng)新;這個過程在轉(zhuǎn)變時(shí)需要加入一個參考模式，由單純的創(chuàng)新環(huán)節(jié)變成三個維度的知識體系構(gòu)建，難點(diǎn)不僅限于將一個環(huán)節(jié)擴(kuò)充成為多個環(huán)節(jié)，而是如何將創(chuàng)新這一個環(huán)節(jié)完全打破，變成為何創(chuàng)、如何創(chuàng)、構(gòu)建創(chuàng);培養(yǎng)新技巧與思維;這種知識體系構(gòu)建本身就是一種參考探索和設(shè)計(jì)評價(jià)的過程。所以新工科下對知識體系的搭建主要面臨如何選擇知識、如何有針對性地展開評價(jià)、如何合理反饋三大問題。

知識體系搭建過程中，需要結(jié)合案例進(jìn)行分析，以知識點(diǎn)和案例結(jié)合的思路融合設(shè)計(jì)進(jìn)課程作業(yè)以培養(yǎng)工科思維。但知識點(diǎn)過多或者過少，會導(dǎo)致學(xué)生無法接受或是沒有達(dá)到系統(tǒng)思維和知識體系培養(yǎng)的目的。太多了會雜，沒有重點(diǎn);太少了會缺，無法達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。這對于教師來說是一個需要不斷探索的難點(diǎn)。

教育開展的地點(diǎn)多在課堂，會忽略學(xué)生在課下自主學(xué)習(xí)的過程，硬性的課后作業(yè)只能證明學(xué)生對于知識點(diǎn)單純的掌握情況，并不能體現(xiàn)他們自身的創(chuàng)新意識和思維。因而，對于課后作業(yè)的類型不能局限于死板的公式套用，應(yīng)結(jié)合課程去開展實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，在這個過程中展現(xiàn)學(xué)生自己的設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新能力;應(yīng)結(jié)合作業(yè)搭建和評判知識體系，積極引導(dǎo)學(xué)生在教師指導(dǎo)下基于學(xué)業(yè)要求進(jìn)行創(chuàng)新。結(jié)合課程設(shè)計(jì)的評判和每位學(xué)生的設(shè)計(jì)理念去搭建知識框架。在搭建知識框架的過程中保持大體本質(zhì)不變，并嘗試?yán)斫馑嗽谠O(shè)計(jì)過程中的思路和方法，不歧視任何一種思路，不泯滅任何一種設(shè)計(jì)。但如何讓學(xué)生去主動展示自己則是一大難點(diǎn)，需要考慮學(xué)生不愿主動展示自己的原因，考慮是否有必要多加入課程設(shè)計(jì)和主課相結(jié)合的應(yīng)用型課堂。而這些課程設(shè)計(jì)應(yīng)參照怎樣一個模板也需要在今后的嘗試中逐漸成形。

三、課程作業(yè)為基礎(chǔ)的知識體系過程性評價(jià)

（一）課程設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)了一種基于知識體系培養(yǎng)和其過程性評價(jià)的“材料物理”課程作業(yè)，搭建材料物理的知識框架并探析其背后的設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新方式（圖1）。主要不在于課程設(shè)計(jì)的本身，而是學(xué)習(xí)在設(shè)計(jì)時(shí)如何從不同角度去理解，其設(shè)計(jì)結(jié)合了哪些其他學(xué)科的知識并且怎樣聯(lián)系實(shí)際去整理做出選擇和產(chǎn)品的。

（二）知識應(yīng)用轉(zhuǎn)化

本文通過材料物理課程設(shè)計(jì)，提出新工科視閾下對于知識體系搭建和創(chuàng)新思路的建設(shè)模式;通過課后學(xué)科設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生的新工科意識，讓學(xué)生在熟悉型工科的過程中逐漸理清思路、適應(yīng)變化、形成意識、搭建框架、填充創(chuàng)新、分析評估、綜合提升。以切割機(jī)刀片為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過結(jié)合實(shí)際應(yīng)用考慮刀片的材料約束屬性，進(jìn)而結(jié)合機(jī)械組裝、物理計(jì)算等多學(xué)科理論參考實(shí)現(xiàn)刀片材料的選擇和特制;在合理的屬性范圍內(nèi)考慮經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)而設(shè)計(jì)得出產(chǎn)品;最后對產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)評估（圖2）。

（三）案例明確分析

1. 如圖3所示，案例主題明確，對切割機(jī)刀片進(jìn)行選擇探索，找出合適的材料;簡單介紹工作原理及環(huán)境，提升效率的關(guān)鍵是切割機(jī)刀片材料的好壞。

2. 選擇切割機(jī)刀片為案例符合課程章節(jié)內(nèi)容，刀片材料多數(shù)為合金，且刀片決定了切割機(jī)工作效率，只要優(yōu)化刀片便可以提升切割機(jī)工作效率;只需要考慮刀片的選擇，范圍不會太大，因此適合作為課程設(shè)計(jì)。

3. 從設(shè)計(jì)的理念去分析，旨在提升切割機(jī)的工作效率，節(jié)約時(shí)間節(jié)省消耗;切割機(jī)工作時(shí)刀片的運(yùn)作需要足夠的強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性，耐腐蝕性，較好的切割能力等，需要交叉學(xué)科全面展開，不斷強(qiáng)化知識體系。

4. 搭建知識體系以合金材料為主題，參考市場生產(chǎn)中切割機(jī)刀片的材料確定限制刀片應(yīng)用的因素，其中機(jī)械組裝中的磨損、環(huán)境不可抗力、物理應(yīng)力因素都是亟待解決的難點(diǎn)（圖4）。

5. 關(guān)鍵分析在于刀片的優(yōu)化，各項(xiàng)物理屬性的分析和精確的計(jì)算給出到刀片所要滿足的要求（圖5）。其中指標(biāo)一確保足夠屈服應(yīng)力克服離心，計(jì)算刀片尺寸估計(jì)應(yīng)力大小，選擇合適材料;指標(biāo)二包含葉片剛度及厚度的計(jì)算，材料體積越大，葉片越薄，計(jì)算抗彎曲強(qiáng)度，選擇合適材料;指標(biāo)三計(jì)算尋求材料耐磨性、韌性和成本之間的關(guān)系，提高耐磨性往往以犧牲太多韌性為代價(jià)，需要計(jì)算平衡兩者關(guān)系;指標(biāo)四數(shù)值越高越能確定韌性準(zhǔn)確度。

6. 設(shè)計(jì)要考慮實(shí)際成本價(jià)值和消耗，盡可能選擇低成本、高性能的刀片材料，符合大眾使用的經(jīng)濟(jì)水平。

首先，案例圍繞合金材料展開知識點(diǎn)的框架搭建。熟悉合金材料的概念及分類，從這一角度出發(fā)，考慮切割機(jī)核心技術(shù)在于刀片的綜合能力提升，滿足切割草坪時(shí)所需要滿足的各項(xiàng)要求。

其次，完成理解延伸與學(xué)科交叉。在熟悉知識的基礎(chǔ)上對知識進(jìn)行著重劃分和深究，參考合金學(xué)習(xí)，金屬材料的各項(xiàng)屬性是判斷合金好壞的重要參考標(biāo)志，其中從設(shè)計(jì)的角度提出在切割機(jī)工作時(shí)，刀片需要滿足的條件：1. 環(huán)境約束，雨水的侵蝕等;2. 材料本身約束，強(qiáng)度、硬度、韌性、熱穩(wěn)定性等;3. 機(jī)械約束，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、機(jī)械組裝產(chǎn)生零件相互作用力、摩擦產(chǎn)生的磨損等。這些約束是對刀片材料的要求，各項(xiàng)屬性決定了材料選擇的范圍。分析如何滿足這些約束，就確定了材料選擇的范圍。設(shè)計(jì)要克服各項(xiàng)約束進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對材料的最優(yōu)選擇，各項(xiàng)約束融合其他學(xué)科知識進(jìn)行交叉。如機(jī)械約束中切割機(jī)的刀片組裝涉及機(jī)械組裝原理，在運(yùn)作時(shí)有障礙物切割震蕩產(chǎn)生機(jī)械磨損;刀片在高速離心旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生集中應(yīng)力斷裂，環(huán)境限制條件要考慮發(fā)生腐蝕的可能性。

最后，結(jié)合實(shí)際評估。通過對材料指標(biāo)的把控，挑選出符合各項(xiàng)約束要求的合金材料，選擇合金的條件并不是指標(biāo)最優(yōu)，而是最適，因此，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)需要考慮到在應(yīng)用過程中外界條件對于產(chǎn)品的限制，設(shè)計(jì)的本質(zhì)是提供應(yīng)用，滿足需求，學(xué)生在盡可能貼合實(shí)際的基礎(chǔ)上提高屬性來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。精準(zhǔn)的計(jì)算是控制變量的前提，生產(chǎn)需要參考標(biāo)準(zhǔn)，一切設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)都要經(jīng)建模后的實(shí)體測評，精確的計(jì)算離不開扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和清晰理性邏輯的培養(yǎng)。在考慮技術(shù)的同時(shí)也要結(jié)合成本去做預(yù)算，一個好的設(shè)計(jì)產(chǎn)品既創(chuàng)造了全新的價(jià)值又不會有過高的生產(chǎn)消耗，最終更好地適應(yīng)新挑戰(zhàn)[6]。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 封志明，鄭亮，費(fèi)凌，等. 新工科背景下地方高校智能制造人才培養(yǎng)改革探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（07）：23-29+35.

（責(zé)任編輯：羅欣）