材料专业的就业前景【材料科学与工程专业综合性实验的PBL教学】
时间：2019-04-29 03:17:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：PBL是以问题为核心，让学生围绕问题展开知识建构过程，藉此过程使学生发展高层次的思维技能、解决问题能力及自主学习能力的教学模式，正越来越多地被各学科的教学所重视。问题的设置是教学中最关键的环节，本文给出了材料专业二维材料合成制备及性能测试综合性实验的问题设置，阐述了问题的解决过程与知识建构的联系。
关键词：材料科学与工程专业；综合性实验；PBL教学；
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0145-02
PBL是以问题为核心，让学生围绕问题展开知识建构的过程，藉此过程使学生发展高层次的思维技能、解决问题能力及自主学习能力的教学模式[1]，正越来越多地被各学科的教学所重视，但其应用还存在许多问题。笔者曾撰文对该教学模式在材料科学与工程专业实验教学中的适用性进行了陈述，也讨论了在材料科学与工程专业实验教学中应用该教学模式需要研究的问题[2，3]。其中，问题的设置是教学中最关键的环节，也是非常需要研究的课题。本文给出材料科学与工程专业二维材料合成制备及性能测试综合性实验的问题设置，阐述了问题的解决过程与知识建构的关系，以明晰问题设置的合理性。PBL教学模式中问题的设置原则主要是：设置的问题既要与生活中真实情景有一定联系，又要使学生能激活或引出所学的概念原理，问题还要有一定的复杂性、动态性，包含多个概念及相互作用。好的问题还能随着问题的解决的同时自然地给学生提供反馈，让他们很好地对知识、学习策略进行评价，并能促进他们的预测和判断。根据以上原则，将材料科学与工程专业实验教学中的材料合成与制备部分和材料的性能测试部分综合起来，设计综合的专业实验。由于通常按材料的维度来划分材料科学与工程专业的实验教学体系，因此设计了二维材料的合成、制备与性能测试实验，将实验的问题设置为：在某种基片上用指定的材料和指定的方法制备出均匀致密的、具有一定性能指标的膜。
一、问题的情景
教师在启动这个问题时，需要把问题与生活中真实情景的联系明确化，如选择手表大小的便携式薄膜发光器件中的发光层或载流子注入层作为问题的载体或依托。这些器件是生活中常见和常用的，构造和发光原理等背景知识可以利用具体的器件进行非常具体明确的讲解，讲解不必非常深入，但器件中的膜所存在或需要解决的问题要讲解得非常具体，制膜达到的指标也要明确，要使学生在已有知识基础上感觉非常容易理解，能快速对目标形成统一认识，并激发学生解决问题的兴趣。指定基片和材料的种类以及制膜的方法，既是处于真实情景的需要，也是出于教学资源配置及学时数限制的考虑。如果不做限定，这个问题实质上会演变成基于项目的学习过程，工作量会过大而无法实施。但教师应该在启动问题时清楚地告知学生基片、材料种类和制膜方法选择的原因。制得符合要求的膜是实验教学顺利实施的关键。基片的处理工艺、膜材料的合成工艺和制膜的工艺参数都将明显地影响膜的质量，没有唯一正确的合成及制膜工艺参数的选择，因此评价的标准也不是单一的。但教师应该针对具体器件的要求设定具体的膜质量指标，以便学生顺利的内化问题和对问题解决的结果进行评价。
二、问题的复杂性与动态性
围绕以上问题的解决，需要涉及多个概念、原理及相互作用：学生需要从了解膜发光器件的构造及发光原理开始，了解所制备的膜在器件中所起的作用、膜的制备方法及性能表征手段、膜质量的评价方法等问题。随着学生的问题内化过程的进行，新的问题自然而然被引发出来，而且问题是多方面的、变化的：为制备出高质量的膜如何选择膜材料的合成方法、如何得到最佳的合成工艺、如何处理基片和选择膜制备中的工艺参数等。学生要讨论并制定非常具体的实验方案，制定方案的过程中必须形成对实验结果的预期或假设，以此为依据假定和选择实验中的变量，并讨论如何在实验技术上控制这些变量，因此设计实验方案时不断有新的问题产生，变量的选择与控制也要根据实验结果而改变，直到能够制备出所期望的膜，即问题的最终解决。全过程中，问题是多层次的、复杂的、动态的，重要的是，内化问题的过程中和解决问题的过程中，第二层次乃至更高层次的很多问题是由第一层次的问题自然引发而又需要学生自己提出的，所需学习的新知识也要学生自己来确定。但所有问题的提出及解决方案的制定是由第一层次的问题来指引方向的，学生也在这样的过程中不断思考各个问题之间的关联，以此促进他们对下一次实验实施后所得结果的预测与判断力。
三、问题的解决过程与知识建构
事实上，对专业实验教学来说，问题最终是否得以完美的解决不是最重要的，最重要的是学生思维技能、解决问题能力及自主学习能力的培养和提高。因此，实验教学过程中，教师可以根据教学资源配备的具体情况和学时数的限制调整问题解决的难度和学生的工作量，同时，针对问题的需要，学习如何自己提出问题、如何确定所需的新知识、如何与小组成员合作、如何分享他人的观点或信息、如何灵活应用所学知识等，从而逐渐形成解决问题的图式，这也是问题的知识建构意义所在。在比较粗浅的程度上，膜制备、发光器件、发光原理等背景知识学生已有接触，此时所学习的内容大部分用教科书为载体，学生较容易确定到哪里寻找合适的书本，也有相应的自学能力自己学习。针对某具体器件时，这部分知识需要进一步深入学习，而问题具体到器件中具体的膜材料、具体的膜制备方法及调控、膜的具体性能指标时，教科书已经不能提供足够的信息供他们较好地内化问题。他们还无法将这些需要选择的参量与最终的制膜目标直接关联起来，此时就需要开始借助数据库等信息支持系统，要查找相关资料，阅读和分析这些资料。收集信息过程中首先遇到的问题就是在大量的信息中如何取舍，这里，激活和调动他们头脑里已有的知识存贮的过程就开始了。在所有这些知识中建立关联的最关键步骤之一是实验中变量的确定或选择。这在一开始也是困难的，学生通常应该被告知关联的大的范畴，如膜的性能与结构关联，结构与制备工艺关联。但由于膜的性能与膜结构、膜结构与膜制备工艺之间的关联是复杂的，是非常典型的结构不良的问题，这也是教师在此过程中要更多地给予学生辅助，有时应该给予非常具体的指导的原因。在知识中建立关联的最关键步骤之二是反馈和问题的动态变化及解决过程，即在按实验方案制得膜之后，如何对膜进行评价，并在评价之后如何调整实验方案。这里膜的评价包括如何选择膜结构和膜性能的表征方法、对实验结果的分析及根据这些分析如何调整变量的控制。虽然学生在专业实验教学之前学习过很多有关结构和性能表征的课程，但由于是传统教学模式下的学习，这些知识还只是学生头脑中的记忆碎片，他们还没有能力判断在什么条件下要启用哪一个碎片以及实验结果如何指导下一步的实验。此时教师也要更多辅助学生，帮助他们启用记忆碎片，并在运用实验结果指导下一步实验方案制定的过程中真正把这些碎片关联起来。这样的过程反复后，学生就能将一个膜产品从原料配置、材料的合成和膜制备的工艺控制到结构表征与性能测试全过程中涉及到的所有知识联系起来，构建成一个以问题解决为目的的、逻辑而系统的体系。最重要的是，他们开始学会针对问题，自主作出假设和灵活运用所学知识判断所需控制的变量，在实验中大胆尝试，并学会分析尝试的结果和利用这些结果对自己的实验方案进行批判性思维过程，逐步寻找和摸索解决问题的正确方向，因此逐渐形成解决问题的图式。
当然，需要补充说明的是，按PBL教学模式，由于设置的问题里包含的工作量和时间的限制，以上实验目标不可能由独立个体单独作业来完成，学生要组成小组并分工合作和相互交流。小组中的每个人可以负责完成一个变量控制的实验，如果实验量大，教师还可以统筹安排几个组之间的合作，每个组完成某方面变量的控制实验，然后各组间相互交流，分享实验结果，这有利于节省时间，使学生更快地解决问题。但作为学习的个体，对所启用的知识和学习的新知识的理解是独特的，因为实验全过程都不存在一个唯一正确的答案，而且由于实验中的很多问题是结构不良的，比如微观结构的解读和结构—性能关联的解读，每个学生完全可以有自己的独特理解，他们也在相互交流中分享小组成员对同一个问题的独特理解，因此，学生个体是自己知识的建构者，他通过主动参与真实情景的实验活动，学习何时以及如何应用知识，学习高层次思维技能和终身学习技能，问题的解决过程充分体现了知识建构的意义。
参考文献：
[1]刘儒德.问题式学习：一条集中体现建构主义思想的教学改革思路[J].教育理论与实践，2001（Vol.21，No.5）：53-56.
[2]郭丽玲，顾少轩，张枫，黄学辉.PBL教学模式在材料学专业实验教学中的适用性[J].中国成人教育，2008（4）：151-152.
[3]郭丽玲，顾少轩，张枫，黄学辉.应用PBL教学模式进行材料学科专业综合性实验教学的思考[J].中国成人教育，2008（3）：161-162.
作者简介：顾少轩（1967-），女，吉林人，博士，副教授，主要从事材料化学、材料物理、材料科学的教学和教学管理工作以及玻璃及光电功能材料研究；郭丽玲（1964-），女，湖北人，博士，教授，主要从事材料化学专业的教学和材料的设计、计算的研究；雷丽文（1976-），女，湖北人，博士，副教授，主要从事材料化学专业的教学及巨磁材料的研究；张枫（1971-），女，湖北人，硕士，副教授，主要从事材料科学专业的教学及铁电陶瓷材料的研究；黄学辉（1963-），男，陕西人，教授，主要从事材料科学与工程专业的教学和教学管理工作及声学材料的研究。
