“授-協(xié)-放”教學法提升本科生科研創(chuàng)新能力探索
——以農產品加工學為例

勞 菲，李 婧，王永濤，沈 群，吳繼紅

(中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083)

2013年青年節(jié)，習近平總書記在同各界優(yōu)秀青年代表座談時的講話中指出，創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力[1]。2021年4月，習近平總書記在清華大學考察時寄語中國當代青年“要勇于創(chuàng)新，深刻理解把握時代潮流和國家需要，敢為人先、敢于突破，以聰明才智貢獻國家，以開拓進取服務社會”[2]。大學生作為我國當代青年的重要組成部分，是我國創(chuàng)新人才的主要戰(zhàn)備力量，在一定程度上決定了我國科研創(chuàng)新、特別是原創(chuàng)探索的發(fā)展高度。培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力不僅關乎學生的個人成長，也影響國家的未來發(fā)展。

2015年5月，國務院辦公廳頒布《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，指出深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業(yè)生更高質量創(chuàng)業(yè)就業(yè)的重要舉措[3]?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》強調指出，要促進高校內部科技教育資源的共享，實現(xiàn)科研與教學互動和科研與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結合，鼓勵本科生投入科研工作，在創(chuàng)新實踐中培養(yǎng)他們的探索興趣和科學精神[4]。將科研創(chuàng)新培養(yǎng)融入日常教學，建立健全大學生的創(chuàng)新意識及能力是高等教育的職責所在。

在高等院校食品專業(yè)的課程體系中，農產品加工系列課程是串聯(lián)本科生理論服務生產，積累動手實踐經歷，培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力的重要教學平臺[5]，肩負為國家培養(yǎng)及輸出各級各類農產品加工專業(yè)人才的重任。面對新歷史時期全面推進鄉(xiāng)村振興對人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)，須進一步注重新農科與新工科交叉融合[6]，探索出契合新時代要求的農產品加工創(chuàng)新人才培養(yǎng)路徑。 以中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院開設的本科生專業(yè)基礎課農產品加工學為例，探討基于“授-協(xié)-放”三步教學法提升本科生的科研創(chuàng)新能力的教學模式和實踐體會。

1 國內外本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)背景及現(xiàn)狀

1969年美國麻省理工學院本科教學的院長馬戈立特率先提出大學生科研創(chuàng)新計劃 “本科生研究機會計劃(Undergraduate Research Opportunity Program,UROP)”[7-8]。該計劃的目的是培養(yǎng)學生獨立科研能力，幫助學生開展深度研究。1997年，美國加州大學伯克利分校在本科生科研培養(yǎng)方面做了包括“熱衷于研制真正能改變現(xiàn)狀的原型系統(tǒng)”在內的大量創(chuàng)新與嘗試，成效顯著，形成了著名的“科研重工業(yè)模式”或 “伯克利模式”[8-9]。英國采用“項目教學法”對學生進行綜合培養(yǎng)，針對每個開放性課題，學生需要使用綜合性器材，利用數(shù)學建模、試驗操作、計算分析等方式完成研究任務[10]。德國采取導師一帶一或一帶多的“學徒式”模式指導學生進行科學研究[11]。澳大利亞則把培養(yǎng)創(chuàng)新精神的課程納入必修科目，貫穿于整個教學過程之中。日本將游戲引入教學方法中，用有趣好玩的方式培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新及團隊協(xié)作能力[10]。

我國在高校大學生中開展科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的起步較晚。1996年清華大學率先提出“學生科技訓練”(Students Research Training，SRT)計劃,并逐步把學生科研能力培養(yǎng)納人本科生教學計劃和人才培養(yǎng)的評價體系，成效顯著[12]。依托清華大學的成功經驗，浙江大學、北京大學、中國科技大學等高校的大學生科研訓練計劃逐步展開[8]。2015年3月，李克強總理在《政府工作報告》中首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，我國制造業(yè)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉型，創(chuàng)新成為時代的主旋律，大學生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)駛入了發(fā)展的快車道。期間國家配套一系列激勵政策和有效措施，針對不同專業(yè)學科開展了形式多樣的創(chuàng)新基金、創(chuàng)業(yè)項目并給予資金支持，如大學生科研訓練計劃(Student Research Training Program，SRTP)，提倡并鼓勵學生在教師的指導下獨立完成項目研究。例如：浙江大學的院(系)、校、省創(chuàng)、國創(chuàng)的四級SRTP[13]。另外，“互聯(lián)網+”“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)青春”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和學科競賽也在全國各地如火如荼地開展，這些活動在引導學生關注國家戰(zhàn)略需求、關心社會發(fā)展動態(tài)、了解科學技術前沿、激發(fā)創(chuàng)新思維、積極主動地探索未知領域等方面發(fā)揮了重要的作用。同時，高校通過增加投入、創(chuàng)造有利條件等管理改革，優(yōu)化課程建設、建立大學生科研訓練及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地，促進本科生參與科研創(chuàng)新訓練，提高本科生科研創(chuàng)新素質。比如，中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院依托國家果蔬加工工程技術研究中心、功能乳品教育部北京市共建重點實驗室、食品非熱加工北京市重點實驗室等多個科研平臺，通過院級本科生科研訓練計劃(Undergraduate Research Program,URP)、校級URP、北創(chuàng)、國創(chuàng)等四級訓練體系來培養(yǎng)大學生創(chuàng)新實踐能力。項目的實施以及平臺的支持，為自驅力強的本科生提供了極好的科研能力鍛煉機會。

但目前大多數(shù)高校的科研創(chuàng)新能力訓練計劃需由學生自主聯(lián)系導師并主導申報，而大多數(shù)處于本科階段的學生存在學習主觀動力不足、知識儲備不夠、學術理論體系不完善、邏輯思維和分析問題、解決問題能力缺乏[14]等限制，使得科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在本科生群體中進展較為緩慢。因此，如何高效配置校內平臺資源，利用課程積累學生科研創(chuàng)新基礎，進一步激發(fā)學生科研潛能、提高學生創(chuàng)新意識和實踐能力成為了構建科研創(chuàng)新新常態(tài)的難題和重要目標。為探索上述問題的解決方案，中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院在多次教學實踐中，總結經驗教訓，構建了專屬特色實踐教學模式。以農產品加工學為例，探討該學院在高等教育改革大背景下，利用課程積累學生科研創(chuàng)新基礎，以鼓勵學生大膽求異、支持科研創(chuàng)新。

2 構建梯度創(chuàng)新性教學模式

農產品加工學是食品科學與工程專業(yè)的基礎必修課之一，主要學習糧油、果蔬、畜禽、蛋乳農產品原料基本特性、預處理方法、加工技術與工藝、質量控制與副產物綜合利用等，旨在使學生掌握農產品加工學相關基本理論與實踐知識，具備分析解決農產品加工工程中復雜的生物化學、工藝與裝備等工程技術問題的能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力。經過多年不斷實踐與優(yōu)化，該院農產品加工學教學團隊把本科生綜合科研素質和能力的培養(yǎng)融入日常教學，以果蔬貯運與加工單元為例，構建了以“基礎知識”為先導，以“綜合研討”為橋梁，聚焦“實踐探究”的梯度創(chuàng)新教學模式(表1)。該課程模式建設過程中，堅持以夯實學生基礎知識，培養(yǎng)學生的思辨能力、實踐能力、科研創(chuàng)新能力為主線，結合農產品加工學科自身特點及當下科學研究熱點，以專業(yè)化知識體系為依據，注重教學內容的優(yōu)化升級和學科之間的交叉滲透，建立立足國內，放眼國際的多層次課程模式，實現(xiàn)對學生科研創(chuàng)新能力的激發(fā)和培養(yǎng)。

表1 農產品加工學果蔬貯運與加工單元梯度創(chuàng)新教學模式(24課時)Table 1 The multi-gradient teaching method in unit of fruit and vegetable storage and processing (24 teaching hours)

第一梯度基礎知識共4個課時，占總課時的16.6%，以背景知識及概念性內容為主，重點培養(yǎng)學生對于科研助力農產品加工的興趣及理解;第二梯度綜合研討共6個課時，占總課時的25.1%，利用已掌握的基礎理論知識，通過討論的形式進行思維延展，激發(fā)學生利用科學知識探索解決現(xiàn)有問題的興趣，著重培養(yǎng)學生舉一反三的綜合運用能力，加深對理論知識的消化與吸收;第三梯度探究型實驗共14個課時，占總課時的58.3%，該部分是整個教學模式的重中之重，也是衡量該模式教學改革成功的關鍵，著重培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神、科研創(chuàng)新思維以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的科研能力。探究型實驗部分的成果可作為前期基礎支撐學生進一步科研創(chuàng)新訓練計劃項目的申報，利用課堂完成學生投入科研創(chuàng)新訓練項目申請的原始積累，極大改善了部分學生因學習主觀動力不足、知識儲備不夠、學術理論體系不完善、邏輯思維和分析問題、解決問題能力缺乏導致的科研創(chuàng)新訓練參與積極性低、培養(yǎng)進展緩慢的現(xiàn)象。該模式提出的3個梯度既相互獨立，又緊密聯(lián)系，由淺及深、由簡入繁、循序漸進。這種“一條主線，三個梯度”的教學模式呈現(xiàn)立體的螺旋式、漸進式上升，在該院本科生科研能力培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，達到了夯實科研理論基礎和挖掘培養(yǎng)創(chuàng)新性人才并重的目的。

3 創(chuàng)建“授-協(xié)-放”三步教學法

培養(yǎng)大學生科研創(chuàng)新能力，改變傳統(tǒng)“依葫蘆畫瓢”的教學方式、創(chuàng)新完善教學設計至關重要。將傳授、互動與啟發(fā)相結合，不僅能夠完成學生基本實驗方法和技能的培養(yǎng)，完成學生分析、解決問題的綜合科研素質入門訓練，而且能夠充分利用課程過程為學生積累科研創(chuàng)新基礎，激勵學生大膽求異，進一步嘗試個體創(chuàng)新。在現(xiàn)有教學大綱的框架下，運用“授-協(xié)-放”三步教學法(圖1)，多梯度、漸進式實現(xiàn)對本科生綜合科研素質的啟蒙訓練和科研能力的全面提升。

圖1 “授-協(xié)-放”三步教學法在本科生農產品加工學中的教學應用示意Fig.1 Application of “Lecturing-Assisting-Doing” teaching method in Agricultural Product Processing class for undergraduates

3.1 基礎知識，傳“授”為主果蔬貯運與加工單元中的基礎知識，主要通過講授的方式開展教學，使學生掌握果蔬貯運與加工的特點和基本概念，理解果蔬及其制品在貯藏與加工中的基本原理和方法。這種傳“授”不僅體現(xiàn)在果蔬貯運和加工的背景、國內外研究現(xiàn)狀等宏觀層面，意在培養(yǎng)學生的大局觀、新視野，也體現(xiàn)在原料特性、處理方式等微觀層面，意在擴充學生的專業(yè)基礎認知。在傳“授”的基礎知識梯度，教師始終堅持把握傳承與創(chuàng)新的關系，通過“思政教育”“情景式教育”將基礎知識以及基礎知識中所蘊含的科研能力培養(yǎng)的內容進行展示與挖掘，從而做到既夯實學生專業(yè)基礎又培養(yǎng)創(chuàng)新能力，使學生在“知”的層面強化理解，為下一步“論”奠定基礎。

培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維需充分調動學生的求知欲，這也是“授”梯度面臨的重大挑戰(zhàn)和核心任務。上課前，教師會把相關內容視頻提前上傳到教學班級微信群，供學生預習與思考，讓學生好奇“為什么學”，作為正式學習之前的預熱。上課時，教師會貫徹“傳授為主，啟發(fā)為輔”的教學理念，通過“授中有引”的教學方法，使學生不僅掌握基本原理，還能為下一步“協(xié)”的綜合研討奠定基礎，培養(yǎng)學生辯證思維和獨立思考的能力。下課前，為了鞏固強化所學知識，增強學生的理解，依托“雨課堂”等在線教育平臺，采用“課末掃碼測試-下節(jié)課前線上提交”的模式對學生進行知識掌握評估，題目多為開放性，目的在于鼓勵學生積極思考，引導求異思維。實操時，在課前上傳水果供應鏈簡介小視頻和2016年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展的羅馬宣言小視頻，感受果蔬貯藏和加工在可持續(xù)發(fā)展大框架下的重要作用。課程過程中通過講授不同種類果蔬原料特性的基礎知識，埋下“貯藏與加工過程中損耗率高”的伏筆，引導學生思考“為什么會損耗率高”“如何降低損耗率”，奠定后續(xù)課程“減損”方案綜合研討的基礎。課后開放思考題充分結合實際場景，如“如何提高蘋果的出汁率？”，引導學生應用本節(jié)所學內容設身處地地積極思考，傳承經典的同時達到啟迪創(chuàng)新的目的。

3.2 綜合研討，“協(xié)”助拓展果蔬貯運與加工單元中的應用基礎，主要通過綜合研討的方式開展教學，“協(xié)”助學生掌握定位果蔬貯運與加工過程中問題的方法，學會化繁為簡，提出復雜貯藏與加工問題的解決方案。這種“協(xié)”不僅體現(xiàn)在透過典型場景案例，解析定位關鍵加工環(huán)節(jié)的“授之以魚”層面，意在培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象看本質的科研思維，也體現(xiàn)在針對關鍵加工環(huán)節(jié)，抽絲剝繭引導綜合研討，提出解決方案的“授之以漁”層面，意在擴展學生對基本知識的融會貫通和創(chuàng)新應用。在“協(xié)”的教授梯度，教師特別注意把握“授之以魚”與“授之以漁”的關系，通過采用“翻轉課堂”“開放式”的授課形式，將學習的主動權逐漸交回學生，力爭實現(xiàn)潤物細無聲的教學效果，做到既擴展學生應用基礎又啟迪發(fā)展創(chuàng)新能力，使學生在“論”的層面融會貫通，為下一步“做”奠定基礎。

培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維需引導學生有針對性地發(fā)現(xiàn)問題，這也是“協(xié)”梯度的主要難點和重要任務。上課前，教師需提煉前期開放性課后題的學生答案，整合2～3個代表性回答于課前共享到教學班級微信群，供學生回顧與思考，引導學生思考“回答是否正確”“為什么正確/不正確”，作為正式學習之前的預熱。上課時，教師需在教學中引導學生觀察過程及發(fā)現(xiàn)問題，組織學生自主學習、系統(tǒng)分析和強化討論，通過遞進式提問設計引導學生不斷思考，完善方案，使學生不僅知其所以然，還能為下一步“放”的實踐探究奠定基礎，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目蒲羞壿嫳磉_和團隊協(xié)作的能力。下課前，為了鞏固強化教授的方法論，通過布置課后作業(yè)的方法引導學生學會自我總結凝練并對學生知識掌握程度進行評估，作業(yè)以思維導圖形式提交，目的在于培養(yǎng)學生的復盤思維，鼓勵學生融合創(chuàng)新搭建自己的知識架構。實操時，在課前上傳前期學生課后作業(yè)提出的“提高蘋果出汁率的方法”的小結，供學生課前互相學習參考，以便課程討論時對前期作業(yè)“查漏補缺”。課程過程中由回顧前期講授的溫帶果蔬特點展開，通過遞進式提問一步步引導學生發(fā)現(xiàn)加工過程中的關鍵問題，例如“適合制汁加工的蘋果有什么特點”，教師引導學生思考制汁加工所需考慮的因素;原料選擇結束，教師繼續(xù)引導提問，“蘋果制汁加工前需經過哪些預處理” “蘋果出汁有哪些限制因素”，“如何選擇蘋果汁漿的殺菌方式”“包裝材質對蘋果汁會有哪些影響？”，通過5輪引導訓練，逐步提高學生的綜合設計能力，期間亦可讓學生嘗試設計蘋果制汁制漿流程并鼓勵學生在課堂上分享自己的設計，教師繼續(xù)引導學生對該設計展開綜合研討，使學生在持續(xù)反復深入思考的同時可根據討論中的思想碰撞完善設計方案，撰寫自己的“蘋果制汁制漿指南”;針對其中不確定的因素，可設計實驗探究方案，為后期課程“放”手探究、實踐檢驗打下基礎。課后作業(yè)需學生全面回顧課程的“蘋果制汁制漿指南”推理設計過程，引導學生對不同角度的蘋果制汁制漿觀點融會貫通、辯證判斷，鼓勵學生樹立科研開放兼聽精神的同時達到訓練整合創(chuàng)新個體知識體系的目的。

3.3 實踐探究，“放”手去做果蔬貯運與加工單元中的工藝集成，主要通過實踐探究的方式開展教學?！胺拧笔执?lián)實踐前期所學，自行設計實驗方案并進行實驗，掌握科學研究的基本方法。這種“放”不僅體現(xiàn)在學生對實驗具體內容的自主選擇的“大膽假設”層面，意在拓展學生的科研創(chuàng)新思維，也體現(xiàn)在學生通過實操分析討論實驗現(xiàn)象的“小心求證”層面，意在訓練學生的科研審慎嚴謹思維。在“放”的教學梯度，教師特別注意把握實驗“限定主題”與“開放內容”的關系，延續(xù)“翻轉課堂”“開放式”的授課形式，充分調動學生的積極性和主動性，達到寓教于樂的教學效果，做到既尊重學生的創(chuàng)新思維又訓練科研的嚴謹精神，使學生在踐行前期所學的同時，充分感受和享受科研創(chuàng)新的樂趣。

培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維需充分發(fā)揮學生的主觀能動性[15]，這也是“放”梯度的核心挑戰(zhàn)和重點任務。教師可針對教學主題內容自主命題，學生可使用課本、專利、標準、期刊、文獻等多種學術資源進行相關檢索，小組研討設計實驗方案，以培養(yǎng)和提升文獻檢索及閱讀能力。實操時，制汁單元實驗主題限定為“高品質藍莓汁的制備工藝研究”，學生可通過文獻查閱，從不同角度設計“果膠酶提升出汁率” “花色苷輔色減損”“澄清工藝優(yōu)化” “殺菌方式優(yōu)化”等藍莓汁品質提升的工藝探索實驗。教師需引導學生實現(xiàn)實驗內容的差異化，力求通過對比成功與失敗的處理條件加深學生對關鍵工序的理解[5]。依托國家果蔬加工工程技術研究中心、農業(yè)農村部果蔬加工重點實驗室、果蔬制汁加工技術集成科研基地、食品非熱加工北京市重點實驗室等強大完備的科研創(chuàng)新平臺，大多數(shù)學生的奇思妙想“腦洞”得以兌現(xiàn)。此外，實驗具體方案在滿足主題設計的基礎上，鼓勵創(chuàng)意思維，力求新穎，并兼顧可行性。實驗方案設計、方案實施、實驗報告各占實驗成績的30%、30%、40%。通過集體討論、共同設計、協(xié)同實驗、獨立報告的訓練體系，完善和豐富學生的果蔬制汁理論體系和知識結構，規(guī)范學生的科研數(shù)據分析和文書寫作習慣，拓展學生的科研思維，提高學生的創(chuàng)新能力。課程完成后，部分學生反饋課程期間的報告成果為其申報大學生科研創(chuàng)新訓練計劃項目提供了扎實的研究基礎和可觀的前期數(shù)據支撐，大大提升了其申請相關項目的積極性和成功率，為學生順利轉型投身更高層次的科研創(chuàng)新訓練鋪路搭橋，有效提升了學生參與科研創(chuàng)新訓練的數(shù)量和質量。

4 結語

農產品加工學是食品專業(yè)本科生教育的重要專業(yè)必修基礎課程之一，是串聯(lián)本科生理論服務生產，拓展思維邊界、積累實踐經驗，培育科研創(chuàng)新意識與能力的重要教學環(huán)節(jié)。針對本科階段學生學習主觀動力不足、知識儲備不夠、學術理論體系不完善、分析和解決問題的能力有待提高等限制本科生主動投身科研創(chuàng)新訓練積極性的問題，該研究提出利用基礎必修課程積累學生科研創(chuàng)新基礎的“授-協(xié)-放”三步教學法。該法把對學生的專業(yè)基礎認知、創(chuàng)新意識培養(yǎng)和科研綜合能力提升等科研創(chuàng)新訓練項目申報的關鍵前期積累融入日常教學，堅持以人為本、以學生為主體的教學理念，最大程度地調動和發(fā)揮學生的主觀能動性。實踐結果表明，該教學法有效提升本科生自發(fā)參與科研創(chuàng)新訓練項目的數(shù)量和質量，大大激發(fā)了本科生的科研創(chuàng)新潛力，在針對本科生的科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教育改革嘗試中取得了良好的教學效果。