四位一体研究型教学创新模式探索与实践

来源：论文查重 时间：2019-12-17 15:16:55

〔摘要〕 文章针对高等学校理工科本科生专业课研究型教学中面临的问题，结合生物材料导论课程的特点， 提出“以基础与科研结合的课堂讲授为引领，以拓展互动的专题研讨为核心，以自主学习、网络平台和分组研讨总结 为辅助，以过程成绩、论文成绩评价体系为抓手”，进行“四位一体”研究型教学创新模式的探索与实践。 该项教学 改革的开展既夯实了学生的专业基础，又引导学生跟踪学术前沿、主动探索思考，提升了其运用专业知识分析解决 问题的能力。
关键词〕 “四位一体”，课堂讲授，专题研讨，网络平台
一、 研究型教学面临的困境
为了在国际竞争中赢得主动，依靠科技创新提 升国家的综合国力和核心竞争力，建立国家创新体 系，走创新型国家之路，已成为世界许多国家和地区 的共同选择。 高校则在科技创新和人才培养中肩负 着重要使命。 纵观世界上那些科技发达、引领技术 创新的国家，往往也是名校林立、创新人才汇聚的国 家。 正是哈佛、普林斯顿、斯坦福、MIT 等著名院校 的蓬勃发展为美国科技创新提供了强大动力，清华、 北大等知名院校也是我国许多新技术和人才培养的 摇篮。 由此，摆在当前大学理工科教学中一个值得 深入思考、探索的问题是:高校如何有效培养大学生 创新能力? 如何适应新兴交叉学科快速发展趋势?
为了解决这一问题，国内许多高校将研究型大学作 为办学目标，将研究型教学作为教学改革的重要方向。
围绕如何开展研究型教学，国内高校已经开展 了一些有益尝试。 如清华大学电机系以电路原理课 对教学方法、教学手段和教学组织的改革为例，讨论 了在科技迅猛发展和培养创新型人才前提下基础课 和专业基础课进行研究型教学的可行思路[1]。 电 子科技大学数学科学学院提出了教学方法改革和学 生考核考试方法改革的具体思路和做法，注重在探 索和研究的过程中激发学生的求知欲、好奇心和学 习兴趣，培养创新意识与创新能力[2]。 广西大学化 学化工学院结合无机固体材料化学课程的特点进行 改革和探索，构建了以学生为主体的研究型实验教 学体系[3]。 此外，内蒙古民族大学开展了“RTM(研 究型教学模式)在生物技术专业分子生物学实验教 学中的应用研究”教育教学研究课题[4]。 江苏师范 大学也探索提出了“互联网＋”下电子信息类专业基 础课研究型教学改革思路[5]。 但总体上看，目前研 究型教学理论方面仍缺乏系统深入的总结思考，实际开展过程中也面临不少困境。 如科研与教学相脱 节，教学内容更新不及时；照本宣科、“ 满堂灌”，让 授课成了主讲老师独角戏；考试方式重在死记硬背， 难以有效反映学生的知识理解运用能力等。 此外， 研究型教学的理论支撑何在? 有限课时如何兼顾好 基础知识讲授和学科前沿探讨? 选课人数众多的情 况下如何有效开展互动探讨? 信息化迅猛发展的背 景下如何与时俱进建设网络课堂平台? 如何有效检 验研究型教学开展效果? 这都需要进一步深入探讨 与研究。
针对研究型教学面临的前述困境，本文作者及其 教学团队对此进行了持续关注和系统思考。 在前期 研究中，我们创新性地对课堂教学引导、大学生创新 训练和科研活动的教学模式进行了探索和实践，为切 实提高理工科大学生的科学创新意识和创新实践能 力、培养具有优异综合素质的拔尖创新人才建立了良 好的培养机制[6]。 本文在前期研究基础上，结合作者 开展研究型教学示范课程建设实践，进一步就“以基 础与科研结合的课堂讲授为引领，以拓展互动的专题 研讨为核心，以自主学习、网络平台和分组研讨总结 为辅助，以过程成绩和论文成绩评价体系为抓手”的 “四位一体” 教学改革进行了有益探索和实践，为有 效提升大学生专业学习的主动性、有效性和前瞻性， 夯实学科基础、瞄准专业前沿，培养创新能力提供了 有力的教学机制保障。
二、 “四位一体”教学改革的理论与实践
(一) “四位一体”教学改革的理论建立
围绕如何培养创新能力，清华大学教授钱颖一提 出，教育的价值不仅体现在学生的知识掌握上，更体 现在学生的思维发展上，其中的核心是批判性思维与 创造性思维教育。 在理念上，批判性思维可分为能力 (skillsets)和心智模式(mindsets)两个层次，而创造性 思维可看作由知识、好奇心和想象力、价值取向三个 因素决定[7]。 美国知名心理学家斯登伯格教授也曾 提出“创造力三维模型理论”，该理论认为创造力取 决于三个维度的平衡，一是动力维度，即指创新精神； 二是智力维度，即指创造性思维；三是人格维度，即指 个性创造品质[8][9]。 尽管表述方式有所不同，但上述 两种理论都提出了创新思维能力培养过程中的核心 要素，即智力层面的基础知识储备和思维层面的探索 精神。
事实上，早在 20 世纪 20 年代，中国著名的教育 家核科学家吴有训就提出“建立由高水平科学研究支 撑的高质量大学教育”，也就是把教学与科研结合起 来，办研究型大学。 吴有训认为，教师要“成就有意义 的研究，结果为国际同行所公认”；在教学上，推行 “重基础、重质量、重因材施教”的教育方针，“理论知 识与实验能力并重”，养成严谨科学、自由探究的学 风。[10]吴有训的教育思想在清华物理系的成功实践， 开启了中国研究型大学的发展道路。 吴老的教育理 念要求高质量教学与高质量研究的互促互进，契合新 型交叉科学快速发展的现实，也符合创新思维培养的 内在规律。
根据上述有关创新思维能力培养和教学科研思 想，我们在实践的基础上提出了“四位一体” 教学改 革模式(详见图 1)。 根据“创造力三维模型理论”，为 了激发创新动力、鼓励创新精神，我们的课程设计中 鼓励学生走上讲台、展示小组研究成果；为了培养创 造性思维、夯实知识基础，我们的课程教学团队改革 了“满堂灌”的教学模式，既注重讲授学科核心内容， 又重视及时融入学科前沿，为学生创新思考提供知识 基础；为了培养创新品质，课程教学中特别注重教学 互动、教学相长，课程倡导自主研究、分组讨论并将其 作为考核中过程成绩评价标准之一。 此外，材料科学 是笔者所在高校的优势学科，专业基础扎实、科研实 力雄厚，按照前述吴老“高水平科研为高水平教学提 供支撑”的思路，在研究型示范课程建设中，特别注重 将科研优势转化为教学成果。 基于以上理论上的指 引，基础与前沿兼顾、教学与科研互促、专题讲授与互 动探讨等精神内涵贯穿了“四位一体”教学改革实践 的方方面面。
(二) “四位一体”教学改革的实践
本文作者及其教学团队在 2016、2017 和 2018 学 年秋季学期生物材料导论课程中进行了“四位一体” 的研究型教学模式初步探索与应用。 该课程为专业 选修课，总共 16 个学时，分 8 周完成，每周 2 个学时。 选修该课程的主要是材料科学与工程学院材料科学 与工程专业本科大二和大三的学生。 每年选修该课 程的人数大约为 250 人。 2016 和 2017 学年只有一个 班级，2018 学年我们将 250 名同学分成了两个班级， 分别授课。
1. 以基础与科研结合的课堂讲授为引领
当前，一些新兴交叉学科(如生物材料领域) 发 展迅猛，学科本身所涉及内容庞杂，在学时有限的课 堂教学中很难面面俱到；而且作为发展中的科学领域，随着研究的不断深入，相关知识也在随之更新，很 多最新的研究进展没有包含在传统教科书里，必须通 过研究型的文献阅读和梳理归纳，以便于学生吸收掌 握。 面对新的教学形势任务，很有必要更新教学理 念，探索实施研究型教学模式。 以生物材料导论课程 为例，主讲老师在生物材料领域均有长期积累和持续 研究，充分的知识储备为研究型教学夯实了基础。 在 研究型教学模式探索中，我们强调充分发挥教师的引 领作用和学生的积极性，通过专题研讨和课题研究进 行专业知识学习，着力推动培养基础扎实、视野开阔、 学习探索能力强的创新型人才。 与此同时，研究型教 学摒弃了传统教学中“照本宣科”“满堂灌”的教学方 式，要求主讲老师具备较好的学科把握能力和教学能 力，选课学生进行充分的课前预习准备、课中互动参 与、课后巩固提升。

2. 以拓展互动的专题研讨为核心
在有限的课时内，如何合理平衡讲授与研讨的时 间比例，对于传道授业、启发创新具有重要意义。 这 就要求，根据教学大纲和学科发展动态，结合主讲老 师在相关领域的科研成果和新近热点研究，及时更新 教学内容，并对教学内容进行精心分解和设计。 对于 学科基础概念、基本知识体系、前沿动态，安排适当课 时进行深入浅出的系统讲授，对于重点专题、前沿热 点问题则进行专题探讨。
以生物材料导论课程为例，三分之一课时作为提 纲挈领的基础知识概括和总结，三分之二时间进行研 究型教学讨论。 课程内容根据教学内容和课时进行 分解如下:第一讲生物材料的基本概念，国内外研究 发展现状；第二讲天然生物材料；第三讲材料与组织 相互作用；第四讲生物材料的医学应用；第五讲生物 医用金属无机材料；第六讲生物医用高分子材料；第 七讲生物医用无机材料；第八讲组织工程和药物控释材料。 其中前三讲以课堂讲授为主，系统介绍生物材 料的概念和基本核心问题:如生物相容性、生物衍生 物、人体组织的材料特性等。 第四讲，邀请国内外著 名的从事生物材料研究的专家进行课题汇报，使学生 初步了解生物材料的前沿研究。 从第五讲开始，在讲 授生物材料相关思路、重点和难点的基础上，设计教 学研究专题，引导学生主动思考和探索性学习。 此 外，根据生物材料学科特点和教学内容确定研究性教 学的专题研讨题目，选定 4 个研讨专题。 专题一是生 物医用金属材料，包括:生物医用金属材料的种类、结 构性能，可降解金属(镁合金)的结构、性能及生物医 学应用( 如金属材料在体内的腐蚀行为及相关研 究)，先进制备技术在生物材料制备上的应用与研究 进展(3D 打印，微流体)。 专题二是生物医用高分子 材料，包括:多糖(壳聚糖、纤维素、透明质酸等)的制 备、结构、改性与生物医学应用，胶原、明胶等蛋白类 天然生物材料的制备、结构、改性与生物医学应用研 究进展，生物医用可降解高分子的制备、结构、改性与 医学应用研究，水凝胶的种类、结构和生物医学应用 (研究举例)。 专题三是无机生物材料，心血管支架 及生物材料改性，包括生物活性无机材料的种类、结 构性能特点和研究进展，无机纳米生物材料的种类、 特性和在医学领域的研究应用(碳纳米管，磁性纳米 材料，纳米银等)，心血管支架的种类/ 结构与性能以 及研究进展，提高生物材料表面生物相容性的方法及 相关研究举例。 专题四是组织工程和药物控释材料， 包括组织工程的基本概念和主要问题(支架材料、细 胞、体外培养等)及研究进展，组织工程骨、软骨或皮 肤及其相关支架材料的性能特点和研究进展，神经修 复材料与神经组织工程的特点、性能及应用；靶向药 物控释材料的种类、控释机理及研究举例。
3. 以自主学习、网络平台和分组讨论总结为辅助
武汉理工大学张安富老师在“改革教学方法 探索 研究型教学”一文中深刻指出:改革教学方法，推进研 究型教学，必须注重在研究型教学过程中激发学生的 求知欲、好奇心和学习兴趣，这是培养学生的创新意识 和创新能力，造就创新型人才的关键环节[11]。 事实上， 教学理念的更新、教学内容的调整，势必要求教学方法 进行相应的探索。 在教学方法上，研讨互动是研究型 教学的灵魂，注重研讨式、互动式、案例式教学相结合。 为了确保研讨、互动的有效进行，合理的课程分组和科 学的教学流程十分重要。 因此，可以根据选课人数，针 对研讨专题成立若干个研究小组。 每次课堂上先由主 讲老师进行提纲挈领的引导，然后由同学进行研究专 题的报告和讲解，最后在教师的引导下进行课堂讨论。 此外，针对学科领域快速发展的特点和高水平研讨的 实际需要，可以探索开放型教学思路，邀请本领域国内 外知名专家进行课题汇报，使学生初步了解生物材料 的前沿研究；同时，加强网络教学资源建设，及时将教 学内容、参考文献、研讨专题及分组研讨、答疑讨论、课 程邮箱等在网上公布，形成相关的教学资源，建立主讲 教师、助教与选课学生在网上进行沟通和交流互动的 方法和模式，进一步巩固教学效果。
以生物材料导论课程为例，在 2016 年和 2017 年 两个学年，在后四节专题研讨课中，针对 250 人左右 的课堂，我们采用指定分组和自愿组合的方式，针对 研讨专题成立 16 个研究小组，每组 5 人左右。 每次 课堂上先由主讲老师进行提纲挈领的引导，再分别由 四组同学进行研究专题的讲解和展示，每组 15 分钟 左右。 最后在组长的主持和教师的引导下进行两种 形式的课堂讨论:(1) 教师和同学提问，指定专题汇 报小组成员回答；(2) 小组成员和教师提问，上课同 学回答。 教师和助教根据研究小组的讲解内容、深 度，提问和回答问题的综合情况，对学生进行研讨部 分成绩评定。 其余未参与专题展示的学生根据专题 展示和研讨提出的问题，就自己感兴趣的专题写一个 专题报告。 还在学校课程中心相关研究教学网页上 建立了学习群，提前设立了专题讨论题目，通过组长 组织小组成员在课后研讨学习后，在课堂上进行展示 和讨论学。 此外，我们还邀请了生物材料领域的专家 和教学名师、督导等共同参与教学讨论和学生成绩评 定。 由于课堂人数众多，报名参与专题展示的同学远 超过预期人数(几乎所有同学都想参与展示)。 限于 选课人数多，课时有限，专题展示并未覆盖全体同学。 同学们也反馈，课程人数过多，时间有限，目前只有一 部分同学参与到研究型教学之中，希望未来能够让所有同学都参与专题研讨。
为了将研究型教学的模式和参与学生数覆盖全体 选课学生，2018 年，我们对课堂进行了调整，将选课的 250 名同学分成两个课堂，分别授课。 同时将每班 120 多名学生分为 16 个专题学习小组，每组 8 人左右(每 组推荐 3 名同学课堂答辩，其他同学共同完成专题学 习报告)。 并在学校课程中心相关研究教学网页上建 立了学习群，提前设立了专题讨论题目，通过组长组织 小组成员在课后研讨学习后，在课堂上进行展示和讨 论学习。 我们还先后邀请了来自于清华大学和北京化 工大学等高校和研究院所的生物材料领域知名专家教 授给同学们作报告，受到了同学们的欢迎和好评。 参 与专题研讨的同学反馈，在拿到小组研究课题后，组长 首先进行了任务分工，并给小组成员一周的时间对相 关知识进行学习和资料收集。 资料收集完成后，组长 组织小组成员开展了分享讨论会，并设定特定组员进 行最终的资料整合、论文撰写和 PPT 的制作，最终完成 了本次小组展示。 通过自行搜集资料学习相关知识和 小组讨论的方法，同学们对相关课题有了由浅入深的 认识，加强了对生物材料的认识，拓展了知识面。 在这 个过程中，同学们也体会到团队精神合作的重要性。 为了更好地进行研究型学习，团队分工有着重要的作 用。 通过分工合作，大家共同完成了展示和学习，达到 了事半功倍的效果。 另外，同学们反馈非常喜欢其中 专家讲座的部分。 作为本科生，同学们大部分时间都 在学习课本上的知识，对于当前先进的研究技术和成 果了解甚少。 而通过专家讲座，同学们对当前生物医 用材料领域先进的研究成果有了初步的了解，更激发 了他们投身于科研事业的信心和决心。
4. 以过程成绩和论文成绩评价体系为抓手
考核是手段，不是目的。 然而，课程考核是课程 学习的指挥棒，科学合理的考核方式，对于巩固教学 成果、引导学生自主学习思考具有重要意义。 研究型 教学模式要求考核不仅要重视结果，还要重视过程； 不仅要重视书面报告，还要重视课堂展示；不仅要重 视理论知识，还要重视实验能力和拓展思考能力。
在生物材料导论教学示范课中，考虑到研究型教 学中学生的互动参与十分重要，且研究成果、研究素 养需要通过合适的方式予以检测，我们对考核方式进 行了认真研究和调整。 课程最终成绩由三部分组成。 (1)平时成绩(占 20％)，评定标准为 8 次课程签到情 况，要求学生按时上课，三次及以上缺席将不通过课 程考核。 (2)过程考核(占 40％):1)参加研究型专题 展示的同学该部分成绩由专题展示成绩决定；2)其他同学撰写三个专题学习报告，每个报告回答 3-5 个问 题，并可写专题研讨学习体会。 (3) 总结论文( 占 40％)，所有同学撰写不少于 2000 字的总结论文。 我 们就论文撰写内容提出了明确要求:阐述生物材料的 生物相容性和生物学评价的基本问题及方法，教学研 讨总结，研究型教学的体会、收获和建议等。 在 2018 学年，由于分为了两个课堂，相应地，我们对成绩的评 定和考核要求也进行了调整，主要是提高了过程考核 所占总成绩的比例(占 50％)，要求参加研究型专题 展示的同学在专题学习报告中准确把握相关题目的 基本概念、原理、机理、结构式、反应式等；分析归纳国 内外研究情况和存在问题，目前研究热点等。 其中， 参考文献不少于 15 篇，国外文献 3 篇以上，最新参考 文献 3 篇以上。 此外，专题学习报告还包括小组讨论 情况和学习报告分工情况(如何进行研究讨论和完成 学习报告)等。 考核方式改革后，选课同学们更重平 时而非期末，更重视研究分析而非死记硬背，更好展 示并发挥了个人学术潜力。
三、 “四位一体”研究型教学模式 的配套支撑
时代的迅猛发展和创新型国家战略部署对创新 型人才培养提出了新的更高要求，客观上也需要教学 方式进行与时俱进的改革和完善。 “四位一体”研究 型教学模式创新是这方面新的有益探索，连续几年来 的教学实践表明，“四位一体” 研究型教学模式创新 是行之有效、值得推广的。
与此同时，需要强调的是，新的研究型教学模式 对于配套保障条件也提出了更高要求:
首先，研究型教学应以高水平的科研为基础。 如 前所述，高水平的科研是高质量教学的源头活水，是 启发创新思维的实践基础。 在生物材料导论课程中， 我们也深切感到创新型科研与创新型教学相伴相生， 创新型的教学模式以高水平科研为依托，高水平科研 为创新型教学提供基础。 正是基于生物材料导论教 学团队在生物材料领域的前瞻性是深入研究，在课堂 教学过程中，才能以通俗易懂、理论联系实际的方式 将前沿科技成果引入课堂、引发思考。
其次，根据课堂规模，分小班或大班开展研究型 教学模式保证学生参与度。 从国外研究型大学教学 方式考察来看，课堂班级一般较小，大部分课程的班 级人数在 20 人左右，以有利于教师和学生之间的深入交流和讨论。 本科生都有参与教授科研的机会，这 样不仅能提高学生的实践能力和创新意识，还能培养 学生的团队合作精神[12]。 考虑到生物材料是当前健 康领域的热点研究方向，生物材料导论课程选课人数 多，课堂大，本文提出了针对大班进行研究型学习讨 论的教学模式和方法，并进行了教学实践，取得了良 好的教学效果。 在课程中，我们也感受到分台教学对 于培养创新思维的重要性。 唯有保证所有选课同学 都参与专题展示和资料收集，才能确保互动、探讨和 针对性指导更为有效。
再次，真正重视教学工作，促进研究型教学的推 广和评价。 国外著名研究型大学的建设经验表明，人 才培养和教学工作在高校的全部工作中占据了极其 重要的地位，研究型大学的教授一般每学期教授 1~2 门课程，大多数教授一半以上的教学时间花在本科教 学上，诺贝尔奖获得者、院士等大牌教授也不例外。 教学质量不好的教师将无法得到晋升或获得终身教 授职位[12]。 教学是大学育人的基础环节，高质量的 教学对于创新型人才培养的重要性不言而喻，但的确 也耗费大量时间、精力。 在现行的科研绩效考评体系 下，就要求更加重视教学工作，确保授课教师能够投 入足够的时间精力，用心设计和准备创新型教学的各 个环节。 同时，为确保研究型教学模式取得预期效 果，需要同学们主动参与、认真准备、有效互动。
最后，充足的科研经费保障。 事实上，美国、加拿 大等国家研究型大学的办学经费投入巨大，年度经费 一般在数亿至 10 多亿美元左右，其中社会各界及校 友捐赠占据较大比例。 一流的图书、博物中心和丰富 的馆藏资料，为师生提供良好的工作和学习环境，学 校也有足够的财力支持杰出科学家及优秀学生的发 展[12]。 作为研究型大学的重要部分，研究型教学模 式同样需要良好的硬件、软件支持和经费保障。 为提 升“四位一体” 研究型教学模式效果，有必要开辟网 络课堂，并根据教学进展安排实验操作，在理论与实 践的互动中激发创新思维，提高实际操作能力。 同 时，教学成果的展示、孵化也需要经费支持。
四、 “四位一体”教学改革的初步效果
在作者所在的北京科技大学材料科学与工程学 院，每年有约 250 名大二、大三的学生选修研究型教 学示范课程生物材料导论。 通过这次教学改革，我们 进一步加强了研究型大学的创新拔尖人才培养机制探索，取得了较好的成效。 第一，“四位一体”教学改 革倒逼主讲老师提升科研水平，真正实现教学与科研 良性互促、教学相长。 第二，“四位一体”教学改革通 过“课堂讲授” 与“专题研讨” 的合理配置，一方面通 过系统的知识梳理、重点讲解，夯实学生的专业基础 知识，另一方面有助于学生在研讨性、互动性、案例性 教学中跟踪学术前沿热点、主动探索思考，提升学生 运用专业知识分析问题、解决问题的能力。 第三，分 组讨论的引入也有效解决了选课人数多与深入探讨 之间的矛盾。 相比于传统“满堂灌” 的方式，互动探 讨式教学充分调动了本科生学习的主动性、积极性和 探索热情，课堂参与率更高。 第四，通过网络教学资 源平台建设，用信息化手段巩固了课堂教学效果。 专 题展示成绩与课程论文成绩相结合的考核方式也能 实事求是反映出学生的基础知识与思考深度。 最后， 从教学效果看，“四位一体” 教学改革的开展既夯实 了选课学生的专业基础，又引导学生对生物医用材料 领域前瞻性、应用型科研成果的关注，我们汇编了生 物材料导论研究型教学优秀学习论文集，取得了很好 的教学效果，在师生中获得了较好的反响。

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