基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式在材料科學基礎(chǔ)課程中的應用

于 巖 王玉慧 潘 虹 李智芳 楊長龍 李曉生

(齊齊哈爾大學 材料科學與工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

材料科學基礎(chǔ)課是材料科學等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，課程內(nèi)容抽象難懂，也是銜接四大基礎(chǔ)化學與材料學科專業(yè)課的核心課程。隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)有課堂教學課時已難以滿足需要。如何進行個體化材料科學基礎(chǔ)課程教學改革是當前高校教學過程中的主要挑戰(zhàn)[1-4]。傳統(tǒng)教學主要采用 “灌輸式”教學法，在此過程中教師是主體，學生被動式接受，課堂互動效果不佳，課程結(jié)束后，學生對內(nèi)容已沒多少印象。因此，本文從課題組在講授材料科學基礎(chǔ)課程中發(fā)現(xiàn)的問題出發(fā)，分析基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式在材料科學基礎(chǔ)課程中的應用效果，探索提高材料科學基礎(chǔ)課程教學效果、提高學生學習能力的措施。

1 課程教學現(xiàn)狀

齊齊哈爾大學材料科學與工程學院自2016年開設(shè)材料科學基礎(chǔ)課程，授課對象為高分子材料工程、無機非金屬材料工程、材料化學專業(yè)的學生，是三個專業(yè)的核心主干課程。課組選用上海交通大學出版社出版的《材料科學基礎(chǔ)》(第三版)為教材，主要課程內(nèi)容有原子結(jié)構(gòu)與鍵合、固體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和相圖等內(nèi)容[5]。課程的目標是使學生掌握材料科學的基礎(chǔ)理論，理解材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和加工的規(guī)律及相互聯(lián)系，培養(yǎng)學生具有研究和創(chuàng)新的精神，引導學生樹立遠大的理想和正確的價值觀。講授本課程時存在的最大問題是，課程知識點太多，對于大三學生來說，內(nèi)容相對抽象，很難理解。同時，材料科學基礎(chǔ)又是一門要求多學科均衡發(fā)展的課程，若學生的知識儲備不足，會給課程教學增加不少難度。另外，各專業(yè)的人才培養(yǎng)方案僅給材料科學基礎(chǔ)課分配了48學時，在相對較短的課時內(nèi)，講授涉及面如此廣的知識點，對教師和學生都是一個嚴峻的考驗。針對以上情況，課組成員經(jīng)過調(diào)研相關(guān)院校教學經(jīng)驗，決定嘗試采用基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式。希望通過比較該教學模式與傳統(tǒng)教學模式的優(yōu)缺點，找到更好的方法來幫助學生消化、理解相關(guān)知識點，夯實專業(yè)基礎(chǔ)，提升專業(yè)素養(yǎng)。

2 PBL與翻轉(zhuǎn)課堂模式的融合

PBL是 Problem-based Learning 的簡稱，譯作 “問題導向?qū)W習”。PBL起源于20世紀60年代的加拿大，于2001年引入中國，如今已逐漸成為我國高等教育改革的一個發(fā)展趨勢。PBL以問題為導向，以解決問題為主線，由學生自主去探究、交流討論并進行小組合作去解決復雜或真實問題[7]。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom)是近幾年興起的教學策略，即學生課前觀看在線課程視頻、完成在線測試，教師課中指導，學生展開討論及練習等。將兩者融合，可以實現(xiàn)互補，即PBL可以彌補翻轉(zhuǎn)課堂上課外自主學習資源和系統(tǒng)化微課資源缺乏的不足，翻轉(zhuǎn)課堂可以彌補PBL教學耗時費力的不足。在材料科學基礎(chǔ)的教學過程中，將PBL與翻轉(zhuǎn)課堂有效融合起來，是新時代教學改革的一條可行路徑。

2.1 課前線上學習

正式上課前，教師將課程相關(guān)參考書、教學微視頻、教學筆記、教學課件、課前自測、思維導圖等資源上傳到網(wǎng)絡(luò)課程平臺，學生要在上課前觀看教學微視頻，并完成課前自測。教學微視頻時長約5～15分鐘，一條微視頻對應一個知識點。一堂2學時的課程，一般有3～4個微視頻。課前自測一般 3～5題，題型為客觀題，如判斷題、單選題或多選題。學生課前約需30分鐘來完成線上學習，對課程內(nèi)容有基本的了解。例如第四章晶體缺陷共6學時3次課，第一次課2學時講授第一節(jié)“點缺陷”。課組錄制的微視頻有《晶體缺陷及分類》、《點缺陷》、《空位平衡濃度》。學生需要在10分鐘內(nèi)回答以下所示三個課前自測題。教師上課之前了解學生觀看微視頻的時長及自測題的正確率，以此分析學生對不同知識點的掌握情況，并以此調(diào)整正式上課時對知識點學時的分配或?qū)μ骄繂栴}的布置。

(1) 晶體點缺陷包括( )

[A]空位 [B]間隙雜質(zhì)原子

[C]置換雜質(zhì)原子 [D]間隙原子

(2) 面缺陷是( )缺陷。

[A]零維 [B]一維

[C]二維 [D]三維

(3) 原子脫離原來的( )遷移到別處，在原位出現(xiàn)的空結(jié)點就是空位。

[A]平衡位置 [B]間隙位置

2.2 課堂上探究討論

正式上課時，教師首先就網(wǎng)絡(luò)課程平臺上學生自測題回答情況進行小結(jié)，并對每道題得分百分率進行分析。接下來教師以生活中實例或科學前言對知識點進行導入，并逐一進行串講梳理，涉及到課前測的相關(guān)內(nèi)容要著重講解，再布置討論題，安排學生分組討論。通過探究，學生可以深化理解知識點，通過小組討論還有利于提高學生團結(jié)合作意識和形成健康的情感。在這個環(huán)節(jié)中，教師通過提出問題，并以示范、質(zhì)疑以及鼓勵等活動，促進學生對重要概念、原理等進行形象化理解，并幫助他們聯(lián)系相關(guān)知識點拓展思路，以期學生成為自主的學習者。以第四章第一節(jié)為例，教師可以讓學生結(jié)合課程知識點，思考一下問題：人類是否能夠合成出完美的、無缺陷的材料；完美晶體有哪些特點；缺陷的作用有哪些等等。通過這些問題來引導學生們對晶體缺陷的思考，從而完成理想晶體與晶體缺陷這部分知識體系的教學，將學生們從被動聽課，轉(zhuǎn)換為主動探究的學習狀態(tài)。

2.3 課后線下測試

課程結(jié)束后要安排學生對知識點進行回顧。具體方法為布置作業(yè)題或安排網(wǎng)絡(luò)課程平臺的測試。課后測試可設(shè)置3～5道題，包含課前測試時學生正確率低的題和擴展知識點的題目。測試題的類型也可以是客觀題，難度要高于課前測試，這樣才有利于檢驗學生對知識點掌握的程度?，F(xiàn)在的大學生基本都是00后，個性比較強，試題太簡單容易使學生產(chǎn)生怠倦心里，不利于激發(fā)學生潛能。

3 教學效果

3.1 提高了學生合理運用知識能力

通過基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式，學生可以將理論知識用于解決實際問題。而且通過對線上擴展知識的學習，學生的知識可以跟上最新的理論前沿，達到了本課程的預期教學目的。通過分析學生期末試卷成績分布情況，比較課改班學生與對照班學生的學習效果。以18-19-1學期為例，高分子材料與工程專業(yè)的材料科學基礎(chǔ)課為48學時。為了更好比較，選高分子161～163班(共3個班級83生)為課改班，即采用基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行授課，選高分子164～165班(共2個班級55生)為對照班，采用傳統(tǒng)授課模式授課，期末采用相同試卷進行考核。如圖1所示，課改班80分以上的學生占39.76%，不及格學生占比為4.82%；對照班分別為30.91%和7.27%。

3.2 激發(fā)了學生的學習興趣

在基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式中，學生能主動地學習相關(guān)基礎(chǔ)知識，充分運用工具來獲取自己需要的知識。課程結(jié)束后可以通過問卷調(diào)查來分析學生對課程的總體感受。對于客觀題可以設(shè)置四個選項，分別是非常符合、比較符合、很難回答和很不符合，每次問卷調(diào)查，一定要有主觀題，讓學生對老師授課方法提出意見和建議。以18-19-1學期為例，問卷調(diào)查題目“我能對照書本上的插圖來學習文字內(nèi)容”，課改班學生(83生)中50.78%非常符合，42.19%選比較符合，7.03%選很難回答，沒人選很不符合；對照班學生(55生)中61.36%選非常符合，27.27%選比較符合，11.36%選很難回答，沒人選很不符合?？紤]到不同課堂學生人數(shù)有所不同的情況，可見發(fā)現(xiàn)采用基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式教學效果好于傳統(tǒng)教學。

3.3 培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力

在基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂模式中，學生能夠從復雜的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題，在討論的過程中，有些學生提出了很多有創(chuàng)新性的想法，這就鍛煉了他們的創(chuàng)新思維，達到了本課程的預期教學目的。

3.4 提高了學生的口語表達力

在小組討論過程中，每位學生都要表達自己的意見。教師還會鼓勵和給予不善于表達的學生更多當眾表達的機會，讓學生間交流分享觀點和心得體會，相互取長補短，這樣就鍛煉了學生的口語表達能力和社交能力。

3.5 提高了教師的綜合素質(zhì)

古語云“教學相長”。材料科學基礎(chǔ)與很多化學類基礎(chǔ)課程知識點密切相關(guān)，同時也與專業(yè)課密切相關(guān)。在PBL與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的過程中，教師也需要通過線上線下查找各種資料，豐富自己的理論知識。這樣才能在學生討論的過程中，掌控全場，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，這個過程對于教師來說也是學習并提升的機會。

4 結(jié)語

材料科學基礎(chǔ)是一門有著重要意義的專業(yè)基礎(chǔ)課，課題組通過結(jié)合PBL教學法和翻轉(zhuǎn)課堂，對傳統(tǒng)的課堂教學進行了改革，發(fā)現(xiàn)新的教學模式可以激發(fā)學生的學習熱情，取得了不錯的教學效果。翻轉(zhuǎn)課堂通過與PBL教學法相結(jié)合，能夠更好培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)適應社會需要的、掌握初級技能的應用型人才，避免一些傳統(tǒng)教學過程中的問題。希望通過不斷的努力，能夠推動材料科學基礎(chǔ)課程的教學改革，為我國培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才。