《材料物理性能》課程教學改革研究與實踐

朱玲玲，張宗濤，周軼凡，張 良，劉洛強，張 星

(鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

關鍵字：材料物理性能；線上線下混合式；教學質(zhì)量

《材料物理性能》作為材料科學與工程的專業(yè)基礎課，是學生掌握材料基本性能，判斷材料優(yōu)劣，正確使用材料和設計制造材料的堅實基礎[1-2]。該課程涉及眾多概念原理、公式推導和計算，旨在利用物理學理論闡述材料的宏觀性能及規(guī)律[3]。傳統(tǒng)的課堂教學僅通過課本學習以及教師講解，授課的形式單一，課程考核形式單一，只注重結(jié)果而忽略了過程，師生之間缺乏互動交流，學生的疑惑和問題得不到有效的解決，這些都讓該課程的教學效果大大折扣，進而導致學生對課程專業(yè)知識掌握不牢固，對后面深入學習相關的專業(yè)課程、完成畢業(yè)設計以及未來科研或工作都有著重要的影響[4-6]。而中國大學MOOC平臺的風靡，“線上線下混合式”教學理念的提出有望改善當前課堂的狀態(tài)，加強學生的學習積極性，提高課程教學效果[7]。該課程以“線上線下式混合教學”的教學形式代替“滿堂灌”的傳統(tǒng)教學形式，以學生為中心完善理論教學，創(chuàng)建適應學生個性發(fā)展、創(chuàng)業(yè)就業(yè)需要、符合培養(yǎng)目標和人才培養(yǎng)規(guī)格的新課程教學體系。

1 《材料物理性能》的教學現(xiàn)狀

當前，《材料物理性能》課程的教學仍然是以老師為主導的“滿堂灌”式傳統(tǒng)教學模式展開，授課形式、教學內(nèi)容和考核形式都過于單一，學生的個性、主動性以及創(chuàng)造性得不到充分的展示，再加上本課程復雜的概念原理、公式推導與計算，這些必將導致學生學習吃力，產(chǎn)生枯燥無聊、厭學不學的情緒[8-9]；國務院在《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中提出，要建設適合我國國情的在線開放課程和公共服務平臺，支持具有學科專業(yè)和現(xiàn)代教學技術優(yōu)勢的高等院校開放共享優(yōu)質(zhì)課程，提供全方位、高質(zhì)量、個性化的在線教學服務[10]。而在新型冠狀病毒肆虐，學生不能返校的特殊時期，全國各個高校的慕課資源全部開放，以中國大學MOOC、騰訊會議、學堂云、學習通等學習平臺為依托，開始進行線上授課，充分完成了“停課不停學”的教學任務[11]。自2013年以來，慕課以突出學習者的中心地位，提供碎片式的學習以及打破時空的界限等優(yōu)勢收到廣大師生的歡迎。

為了提升教學質(zhì)量，《材料物理性能》課程教學的建設和改革勢在必行?；谀秸n、專屬在線課程(SPOC)或其他在線課程與線下面授有機結(jié)合，利用信息系統(tǒng)作為教學資源的載體，把“線上線下混合式” 授課作為教學活動的助推器；以學生適應社會需求為導向，以培養(yǎng)學生的學習能力、應用能力和創(chuàng)新能力為重點，促進知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，對課程的理論教學和應用能力培養(yǎng)進行改革創(chuàng)新[12]。

2 “線上線下混合式”授課

“線上線下混合式”授課以多種形式的互動教學方法和信息技術的廣泛使用，形成以學生為中心的個性化教學、探究式教學和翻轉(zhuǎn)式教學。與以教材、教師和課堂為中心的舊教學理念不同，“線上線下混合式”授課以學生、社會知識和學術活動為中心，知識的輸入在線上，而問題的解決與處理在線下，老師整體把握設計課程。這種以“線上線下混合式”授課為主要代表的教學方式的改革勢必會沖擊改變著現(xiàn)在的教學體系，高校和教師更應該順應時代潮流，立足自身優(yōu)勢，展開特色教學，營造出有利于成長成才的教學環(huán)境，培養(yǎng)出具有自主力、創(chuàng)新力的人才[13]。為深入推進“線上線下混合式”授課的建設和改革，更好的展開理論教學，需要加強師資隊伍建設、突出學生的中心位置、完善線上平臺建設、進行科學考核和具備有效的質(zhì)量監(jiān)督體系。

2.1 加強師資隊伍建設

課程的教學質(zhì)量很大程度上取決于師資隊伍的建設，師資隊伍的能力和職業(yè)素養(yǎng)水平建設是推進課程建設和改革的關鍵。傳統(tǒng)的教學方式是以教材和教師為知識的來源，老師擁有絕對的權威，束縛了學生的探索能力和創(chuàng)新能力；而現(xiàn)代的“線上線下混合式”授課，知識來源于整個社會，涉及的知識面廣泛。因此，加強教師隊伍的學習，有效了解與課程相關的最新研究成果, 能始終站在學科的前沿, 不斷更新教學內(nèi)容, 實現(xiàn)科研和教學相互促進[14]。在課程建設期間，主講教師向國內(nèi)外教學名師積極學習，利用網(wǎng)絡公開課等線上資源、線下教學交流會議、國內(nèi)其他單位調(diào)研、訪學等機會，提高自己的專業(yè)水平。與此同時，課程團隊教學具備強烈的改革意識、先進的教學理念，掌握基于社交網(wǎng)絡的教學方式，熟悉多媒體、電子黑板等教學設備的操作使用；開展各類教學活動(包括疑點解答、小組討論、課堂考試等，積極嘗試案例式、討論式、項目式等)，引入翻轉(zhuǎn)課堂教學，注重因材施教，全面推進教學質(zhì)量的提升。

2.2 突出以學生為中心

“線上線下混合式”教學模式改革的一大特點就是將學生放在教育教學的中心位置。老師根據(jù)中國大學MOOC平臺線上每個人的反饋可以充分了解每一個同學學習狀態(tài)，有利于因材施教，充分發(fā)揮學生的特長和優(yōu)勢，有效地促進師生之間、學生之間的交流互動和資源共享[15]。在線上，教師制定出可以達到最好效果的教學方案上傳至線上平臺，比如上傳小視頻帶入同學們走入課堂內(nèi)容；提出小問題讓同學回答以深入學習，根據(jù)線上平臺反饋出的結(jié)果，可以幫助老師了解學生的認知規(guī)律和接受特點，從而適當調(diào)整線下教學方案；而同學們根據(jù)自己的課前預習把遇到的問題及難點進行梳理，可在線下教學活動中積極與老師討論。

特別是利用“翻轉(zhuǎn)課堂”等形式，增強學生的自主學習意識。在《材料物理性能》連續(xù)三個學期的課程建設和改革過程中，翻轉(zhuǎn)課堂效果突出。其中，在2019-2020學年，蘇捷等同學為更深入地學習熱膨脹在陶瓷領域的應用，利用網(wǎng)絡查閱相關方面的知識，在課堂上介紹了陶瓷材料坯釉適應性與熱膨脹的關系，讓同學們拓展學習了坯體和釉的熱膨脹系數(shù)與釉面紋路美麗的瓷器的本質(zhì)聯(lián)系；在2020-2021學年，王云飛、肖亦周和林致遠等同學對聚合物先驅(qū)體陶瓷溫度傳感器產(chǎn)生濃厚興趣，向同學們展示了這一領域的成果：通過合成SiAlBCN五元體系先驅(qū)體，采用新型的制備與連接方法，使溫度傳感器極限測溫高達1300 ℃，且重復性良好，可在高溫環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作。這些成績和成果的展示，既發(fā)揮了學習中學生的主體作用，滿足了他們的個性化學習，又拓寬了他們的眼界與思維，引發(fā)他們對專業(yè)知識更深一步的探索，大大加強了學生團隊合作能力、溝通與表達能力、創(chuàng)新能力、思辨能力、多元思維等適應未來社會發(fā)展所需的綜合能力和素質(zhì)的培養(yǎng)[16]

2.3 豐富“線上線下”平臺建設

課程設計遵循“兩性一度”的“金課”標準(高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度)，重視課程資源與學習活動的有機融合[17]。該課程的核心是將材料性能與微觀本質(zhì)建設聯(lián)系，內(nèi)容比較抽象，課堂講授的內(nèi)容學生不容易理解和消化?！熬€上線下混合式”授課將系統(tǒng)制作題材廣泛、內(nèi)容豐富的多媒體教學資料庫，不僅為教師組織課堂教學提供了優(yōu)質(zhì)素材，極大地方便了課堂教學；更是將各類材料性能具體應用案例及微觀機制以視頻、動畫的形式直觀和形象的演示出來，還可以利用著名的歷史事件或熱點新聞中的材料性能激發(fā)學生課前學習的興趣。例如, 由于材料熱脹冷縮，傳統(tǒng)鋼軌之間銜接處有專為鋼軌受熱膨脹伸長而設的縫隙，以避免在溫度變化時鋼軌產(chǎn)生相互擠壓、扭曲和上拱，使鐵路變形。但是，作為新時代深受大眾喜愛最為便捷快速的交通工具，高鐵軌道卻采用的是無縫鋼軌，引導學生思考“無縫鋼軌是如何克服熱脹冷縮呢？”。

其次，當啟發(fā)學生帶著熱情與問題走進課堂后，在課堂上充分引導學生對學習內(nèi)容深入思考，組織學生對發(fā)現(xiàn)的問題討論思考，深化對理論知識的認知。課后除布置作業(yè)以鞏固和強化學習成果，應鼓勵學生基于先前課程內(nèi)容對前沿的科學研究和學術發(fā)展及應用前景進行學習了解，定期舉行討論活動，對相關內(nèi)容以視頻、圖片或者PPT等形式進行交流探討，達到二次鞏固知識的目的[18]。

此外，鼓勵學生將課程學習內(nèi)容應用于具體實踐。在課程建設和改革過程中，引導有余力的同學積極參加各類創(chuàng)新實驗項目及大學生數(shù)學建模競賽等比賽，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、獨立思考問題和解決問題的能力及應用能力等綜合素質(zhì)。課程建設期間，授課學生的競賽成果豐碩。例如，蘇捷參與發(fā)明的《一種壓力傳感器》被國家知識產(chǎn)權局授權；韋祎、王震霖和葉楊等以《摻硼金剛石規(guī)模化處理垃圾滲濾液的開拓者》項目榮獲2020年河南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第六屆中國“互聯(lián)網(wǎng)”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南賽區(qū)選拔賽一等獎；蘇捷、劉文龍和徐婷婷等創(chuàng)作的作品《陶瓷材料低溫瞬時閃燒工藝設備》在鄭州大學2019年節(jié)能減排社會實踐與科技競賽中榮獲二等獎；吳澤等同學在第十三屆“認證杯”數(shù)學中國數(shù)學建模網(wǎng)絡挑戰(zhàn)賽全國比賽第一階段中榮獲一等獎。

2.4 進行科學考核方式建設，加強過程考核

傳統(tǒng)教學方式的考核是以期末考試為最終的成績，考核方式單一，忽略了過程，不能全面地評價一個學生的學習情況，限制了學生的主動性和創(chuàng)造性。為了客觀、合理、全面地考核學生課程的學習情況，“線上線下混合式”授課的考核包括過程考核和期末卷面考試兩大部分，每一部分各占50%，過程與卷面并重。期末卷面考試方式為閉卷考試，著重對基本概念、基本理論、基本計算以及材料性能的改善和材料應用進行考查。過程考核具體又包括線上學習和課堂表現(xiàn)兩大部分。線上學習由作業(yè)成績、單元測試、論壇討論活躍度及期末考試組成，課堂表現(xiàn)由慕課堂點名、提問、測試及翻轉(zhuǎn)課堂所組成。“線上線下混合式”授課教學的模式分為如下步驟：

2.4.1 課前預習

在上課之前，任課教師根據(jù)自己的教學經(jīng)驗需要提前準備即將進行的教學內(nèi)容,包括PPT課件、課前問題的設置、教學流程以及教學要求等資料，將相關資料傳送至中國大學MOOC平臺上，讓同學們做好預習，記錄好預習過程中的問題；

2.4.2 課 中

課堂正式開始后，通過慕課堂進行點名，確保所有同學到場上課；根據(jù)同學們在線上對設置問題回答的情況展開針對性的教學，針對學生們在學習過程中的問題進行交流討論，解答他們的疑惑；課堂結(jié)束后，在中國大學MOOC平臺上上傳測驗作業(yè)、作業(yè)題以及討論題目；

2.4.3 課 后

對于同學們在討論區(qū)的問題，及時答復；根據(jù)中國大學MOOC平臺上的反饋的學習數(shù)據(jù)，充分把握每個學生的學習特點，做到因材施教，讓每一個同學的個性和特點得到最大程度的張揚。同時，教師也要反思在教學過程中的不足，不斷改進自己的教學方式和教學內(nèi)容，從而提高以后的教學質(zhì)量。

課程的期末總成績在線上中國大學MOOC平臺上由系統(tǒng)按照如下設置的比例計算出過程考核的總成績：

(1)總成績評分規(guī)則：

①課程總成績=作業(yè)成績×30%+單元測試成績×30% +論壇討論活躍度×5% + 期末考試×35%

②采用百分制計分，60分及以上為合格。

(2)分項評分規(guī)則

①作業(yè)：以帶有研究性質(zhì)的問答題為主。要求每位同學獨立思考，并作答，占總成績30%。

②單元測驗：測驗以單選題、多選題、判斷對錯題等客觀題為主。系統(tǒng)自動評分，并記錄前三次作答成績，取最高分，占總成績30%。

③論壇討論表現(xiàn)：每學習單元的最后一講會發(fā)布1個討論話題，系統(tǒng)根據(jù)每位同學的參與度自動評分，占總成績5%。

④期末考試：50道客觀題，每題2分，滿分100分，占總成績35%。

線上與線下的高效結(jié)合，過程考核與期末卷面考試的相輔相成，有效避免僅由卷面考試成績簡單地評價學生學習效果的現(xiàn)象, 有利于更客觀、更公正地評價學生的學習能力和學習成績。

2.5 建立切實有效的課程質(zhì)量監(jiān)控體系

為了客觀地評價課程的建設情況, 我們建立了有效的課程質(zhì)量監(jiān)控體系：(1)邀請學校和學院教學督導組專家對課堂教學進行定期和不定期的質(zhì)量跟蹤檢查，并積極交流可改進之處；(2)通過網(wǎng)絡留言、調(diào)查問卷的形式聽取學生對教師的師德師風和授課水平、教學內(nèi)容、考核考試等方面的意見，其中，在《材料物理性能》課程建設滿意度調(diào)查問卷中，100%學生贊成“線上線下混合式”教學模式，認為自己的專業(yè)知識和綜合能力得到提高，課程教學改革與實踐成果顯著。

通過傾聽專家和學生的評價意見, 可幫助課程組教師及時總結(jié)課程教學的經(jīng)驗和教訓，從而有針對性地改進教學工作和課程建設工作。教學過程全程有記錄、可追溯、可測量，從資源、到教學、到管理全面打通，保證了從教學目標到教學資源、教學組織和教學評價之間數(shù)據(jù)有效的銜接性、整體性和科學性。

3 結(jié) 語

《材料物理性能》作為材料科學與工程專業(yè)的核心課程，知識點多且涉及面廣，在“線上線下混合式”授課過程中突出材料的性能、結(jié)構、組成和制備工藝之間的關系，同時充分利用現(xiàn)代化信息平臺，將最新的科研成果融入到理論教學中，充分提高了學生的理論能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。隨著科技的發(fā)展和時代的需要，社會對人才的培養(yǎng)方式以及培養(yǎng)目的也在不斷地發(fā)生變化，《材料物理性能》課程教學的內(nèi)容和方式也將進行持續(xù)的調(diào)整和改革。課程改革任重道遠，教學團隊將砥礪前行！