新工科背景下“工业矿物与岩石”课程教学改革与研究

许江枫 白志民 周熠 闵鑫

摘 要：为适应新形势下国家人才培养需要，新工科建设势在必行。本研究基于科学范式教育现状及中国地质大学（北京）“工业矿物与岩石”课程特点，对课程理念、课程设置、教学内容、教学实施、教学评价及资源建设等课程要素开展教学改革与研究。课程以新工科理念、教育心理学理念、课程思政协同为先行，优化课程内容，建构以学为中心的教学实施方式，采用多元化评价方案，建设立体化“学材”资源，为高质量高等学校课程建设提供重要借鉴。

关键词：新工科；工业矿物与岩石；课程要素；改革与研究

当今世界，以信息技术为代表的新一轮科技革命和产业变革促使工程教育不断创新［1］。为主动布局未来战略必争领域的人才培养，教育部自2017年开始推进新工科建设，要求工科高校要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用，培养多样化、创新型卓越工程科技人才［2］。因而，新工科建设是主动适应工程教育全球趋势的中国实践，是中国特色工程教育范式变革的必然选择［3］。新工科大体上有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征［4］。

中国地质大学（北京）是我国最早开展矿物材料研究的重点大学之一［5］，材料学院本科专业坚持以无机非金属材料为主要方向，以矿物材料为特色的人才培养模式，并逐步形成了现今在国内该领域的优势学术地位［6］。“工业矿物与岩石”课程作为矿物材料特色课程体系主干课程之一，具有如下特点：课程以除金属矿石、矿物燃料、宝石以外的，其工艺技术特性可资工业利用且具有经济价值的，所有非金属矿物与岩石及硅酸盐固体废物为研究对象；主要聚焦于理化性质、工艺技术特性、工业应用及其内在联系；呈现了近10年工业矿物与岩石专业领域的研究新进展、工业应用现状及主要发展趋势［6］。课程经过持续建设，已取得诸多成果。其中，课程于2004年被评为北京市精品课程，课程建设成果于2005年获国家级优秀教学成果二等奖，对应教材遴选为北京市高等教育精品教材。在新工科背景下，为适应新形势下国家人才培养需要，对课程的课程设置、教学内容、教育教学方式、教学评价等课程要素开展改革与研究势在必行。

一、更新落实新工科理念，与课程思政协同并行

众多学者探索了新工科教育理念的内涵与外延［78］，新工科按照CDIO教育理念，以全生命周期为载体、产出为导向，使学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程［9］；新工科以人为本，强化育人功能，重点落实立德树人根本任务［10］，使所培养学生既具有解决复杂工程问题的专业知识与技术能力，又具有全球视野、人文精神及创新能力。

当前教育理念主要基于科学范式［11］，具体体现在教育实践中，虽注重知识传授与能力培养，但更注重知识的理论性、系统性和专业性，对于能力培养的重视仍有提升空间，且对于以知识为支撑的业务能力（硬实力）的重视高于对自我发展、社会适应等软实力的重视；虽注重理论联系实际，但对实验实践教学的重视仍有提升空间，且实践教学中，相对重操作、创新不够，重科学研究、工程实践不够；虽注重产学研结合，但在校企合作的深度融合、优势互补上仍有提升空间；虽注重人的全面发展，但在人文社科素质培养及多学科跨界融合上仍有提升空间。

“工业矿物与岩石”课程教学实践中，在尊重学校特有的建设基础和理念基础上，不断探索、树立新工科教育理念，以新工科理念为指导构建教学系统工程、开展教学实践，并依据教学实践反馈不断优化人才培养全过程，实现新工科理念与教育教学全过程有机结合。课程思政建设是全人培养的有力抓手，教学实践中，将理想信念、优秀传统文化、大国工匠精神、科技报国情怀、大工程观、可持续发展理念等有机融入专业教育中，将新工科理念与课程思政相结合，提升学生综合素养；通过展示科技成果对生活的影响、科技发展历程、科学家成长故事等，提升学生专业兴趣及思政教育效果。团队教师通过会议、讲座、课程、自修、研讨等多种形式持续学习党和国家相关政策以及豐富的人文知识，包括教育心理学在内的社科知识，开展专业学习与研讨、科学研究与工程实践，以使学生切实接受到前沿的专业训练，体验到专业特色的思政教育。

二、优化课程设置及课程内容，凝练课程特色

科学范式下，课程内容多以学科知识的系统性为主线，根据知识的逻辑演进和难易顺序设计课程体系［12］。教学过程中注重知识的传授并以学生对知识的理解和掌握为目标，对学生实践能力、批判精神和创新思维的培养有待提升，学生的学习更多的是被动地接受，缺乏学习的主动性和独立性。此外，教学理论与工程实际、行业发展结合性不强，学生工程能力较弱、深入参与科研工作不足。

“工业矿物与岩石”课程的主要研究对象为工业矿物、工业岩石、硅酸盐固体废物，其广泛应用于生产、生活各领域。基于此，课程本身具有多学科交叉、理论与实践结合、科学前缘与工程实践兼具的特点。在工程范式指导下，课程根据能力标准优化内容，基础理论部分加强深度与广度，提升学生基础研究能力；实践内容部分进一步强化工程生产实践、先进科技成果、最新发展动向等相关内容，特别在国家战略布局的重点领域，如新能源领域、环境领域增加内容，提升学生工程实践、科技转化及产业引领等方面能力；课程特别是在重点发展领域、最新科技前沿、重大工程领域所涉及工业矿物与岩石部分深入学习探讨，提升学生工程创新能力及解决复杂工程问题的能力。以滑石教学内容的改革为例，除与时俱进地新增最新发展动态，特别强化产、学、研、创融合，在产教融合端，滑石为我院实习基地企业生产的精细化工产品之一；在科教融合端，滑石可用于制备矿物基复合相变储能材料，该方向为我院“地质碳储与资源低碳利用教育部工程研究中心”重要研究方向之一。而上述均基于对滑石层状结构、理化性质、改性机理等的深入研究，此为理论深化部分。课程在教学实践探索过程中，形成了符合新工科理念并极具特色的教学理念，即注重晶体结构、晶体化学、晶体物理与材料属性的深入剖析，以提高学生综合分析工业矿物与岩石组成、结构、性能和应用内在逻辑关系的能力以及发掘工业矿物与岩石新属性、开发新材料的能力。

三、创新教学方法，加强线上线下资源建设

在新工科背景下，面对更高的工程实践与创新能力要求，面对从知识课堂向能力课堂转变的要求，对教学模式提出了新挑战。科学范式为指导的教学实施中，教学方式更多的是以教师讲授为主导，学生被动式接受，激发学生学习的积极性和主动性方面有待提升；教学方法大同小异，因材施教较难实施。此外，在原来教学情况下，就已面临着专业课程学时数压缩，知识点跨度大、衔接难等问题。在时代发展要求下，教学内容在广度、深度上大幅增加，教学内容在前沿性、工程性要求上大幅提升，要实现高创新能力、高素质人才培养的目标，教学模式的改变势在必行。

基于此，“工业矿物与岩石”课程贯彻实施了线上线下混合式教学，线下与线上教学学时比为3∶1（线下36学时，线上线下翻转课程12学时）。线下教学中主要深耕基本理论和基本方法，拓展科技与工程元素，探讨线上学习疑问；线下教学方法采用讲授、研讨、问答、课堂展示等灵活形式；线下教学实施中，以新工科理念、教育心理学理论等为指导，课程导入采用工程或科研实际问题，以问题为导向，使学思交融，教学工具充分利用岩矿标本、几何模型，先进教学平台辅助课堂师生互动，教学资料补充了丰富性、系统化的线上资源；线上教学以学生自学为主，教师引导为辅，可通过网络实时答疑，教学平台布置教学测试；教学内容安排以典型岩矿线下教授、类似岩矿课下小组研讨学习或调研学习结合翻转课堂（线上线下）、其他岩矿课下自学（线上）；教学全过程中注重课程内容与课程体系内外其他课程内容的联系。

此外，课程组根据教学模式需要建设相关资源，围绕数十种重要工业矿物、工业岩石和硅酸盐固体废物的组成、结构、工艺技术特性、深加工与工业应用等重点内容，制作了内容丰富的线上教学资源；录制了配套的线上教学慕课27讲，总时长约500分钟；积累形成了数百条思考题题库；收集或购置了工业矿物和工业岩石教学标本千余件套。上述资源全部用于课程教学，为材料科学与工程专业高素质人才培养发挥重要作用。

四、改革教学评价体系，实现教学效果多元化

质量评价是保证新工科人才培养质量的重要手段，工程范式的评价方式更多地采用过程考核、项目测试等多元考核方式，重点是考查学生运用所学知识解决实际问题的实践与创新能力［12］。

传统科学范式的课程考核一般是采用“期末成绩+平时成绩”的方式，重点考查学生对知识的理解和掌握。此考核方式难于帮助部分学生改变对平时学习重视不足的情况，难于调动学生对学习过程的参与积极性，难于激发学生开展更广泛课外自主学习动力，难于考查学生运用所学知识解决实际问题的实践与创新能力，难于对不同教学环节、不同教学目标进行差异化、全过程的评价。

“工业矿物与岩石”课程成绩基于对课堂教学环节和质量影响要素的分解，细化为考勤、听课状态、问答互动表现、现场测验、文献综述报告、课后作业、在线资源学习、期末考试、面试等环节综合评价。其中，前七项归为平时成绩，平时成绩、期末笔试成绩与线上面试成绩比为4∶5∶1。课堂互动及线上学习均可通过先进的课程平台实现，课堂互动的研讨与提问经过科学的课程设计实现。分组开展自选方向的综述报告，每次课程限时展示一组，可以进行10次以上汇报展示，这既拓展了课程内容，又锻炼了学生文献搜集、发现问题及解决问题、汇报展示等相关能力。线上学习包括翻转课堂的线上学习及选修内容的线上学习。翻转课堂的线上学习由线上测试考核，选修内容的考核综合学习时长及对应的作业成绩。期末笔试以简答、论述题为主，采用开卷考核方式，综合考查学生分析归纳总结能力、应用所学知识解决科学问题的能力。面试提供题库，采用随机抽题、口头答题、教师综合打分的方式进行，考查学生快速、灵活处理问题及沟通表达的能力，面试也可与报告展示相结合。通过上述实践，实施了过程评价与期末考试相结合、书面答卷与面试口答相结合、客观评分与主观评判相结合的考核方式，实现了以考促学、以考促教，形成具有借鉴意义的教学评价模式。

五、推進教材建设，构建“学材”新体系

“工业矿物与岩石”课程团队一贯高度重视并积极实施教材建设，且已取得有效成果。但基于新工科发展要求，正在对已出版教材开展修订工作。首先，在教材布局及内容中适时体现新工科建设中强调的跨学科、跨专业融合，交叉学科和复合专业等相关内容。其次，该课程教材也将与专业其他课程教材共同构成合理的教材知识体系矩阵。再次，教材内容中需增加项目教学、工程实践、系统集成等内容。

此外，在教材形式上从以学科知识为主要内容的传统教材转变成多元教学资源，以满足“大工程观”下的人才培养需要。以数字化、网络化教学平台为资源载体服务于学习者，使得学习内容更新，学习行为可记录。“工业矿物与岩石”课程将课程大纲、教学进度安排、教学视频、直播课程、讲义与课件、阅读材料、工程案例素材、课程思政资料集（未开放）、课程学习网站等多种学习材料和工具加载于网络课程中，形成一体化立体教材。因此，不仅便于学生开展课前预习、课后复习、翻转课堂、选修学习等，而且便于在授课过程中开展课堂讨论、小测验、考勤等多形式的互动或考核过程。此外，提供的补充资料可以拓展相关基础理论、最新研究进展、难于在实验室开展的其他相关工作等，为学有余力的学生提供更加丰富的资源，从而有利于开展以学生为本的教学实践，提升教学质量，满足不同类型人才培养的需要。多元且持续更新的教学资源，不仅服务于本专业的人才培养，还可作为知识系统实现共享，产生更广的辐射作用。

结语

新工科要主动服务于国家重大战略，培养新兴工程科技人才。基于上述背景，“工业矿物与岩石”课程在课程思政、课程内容优化、教学实施改革、评价系统探索、教材体系建设等方面展开研究，以新工科理念、教育心理学理论为指导，将全人发展融入课程思政，在教学内容、教学实施、评价方式等方面开展综合优化，并探索线上线下混合式教学课程体系建设，采用多元化、全过程考核评价机制，构建立体化“学材”系统，课程研究成果对促进高阶性、创新型、挑战性高质量“金课”、一流课程建设，助推新工科一流专业建设，培养本科创新人才具有重要作用与实践意义。

参考文献：

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［11］Sheppard S.，Macatangay K.，Colby A.，et al.Educating Engineers：Designing for the Future of the Field［M］.San Francisco：JosseyBass，2009.

［12］林松柏，徐金强，连华，等.基于工程范式的高等教育人才培養体系研究［J］.山东建筑大学学报，2017，32（2）：201204.

基金项目：项目受“中国地质大学（北京）教学研究与教学改革专项经费”“北京高等教育本科教学改革创新项目（MS2022162）”经费资助

作者简介：许江枫（1980— ），女，汉族，河北张家口人，博士研究生，讲师，主要研究方向：材料科学与工程。