“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課堂互動教學(xué)實踐探索
——以北方工業(yè)大學(xué)材料專業(yè)為例

李 純

（北方工業(yè)大學(xué) 機械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

2018年6月21日，教育部在成都召開的新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上，就加快建設(shè)高水平本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力，提出了堅持“以本為本”，推進“四個回歸”的具體要求[1]。“以本為本”進一步強調(diào)了本科教育在高校育人中的基石地位，而當(dāng)前普遍“渙散”的大學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，使得高校教師思考和研究如何保障本科教學(xué)質(zhì)量、進一步提高課堂教學(xué)含金量成為當(dāng)務(wù)之急。課堂教學(xué)在本科教學(xué)和中學(xué)教學(xué)中的地位、意義是不同的，本科的課堂教學(xué)更強調(diào)“引導(dǎo)作用”的發(fā)揮，幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)主觀能動性，增強自學(xué)的意愿和能力，促使課內(nèi)外學(xué)習(xí)互為進益，最終實現(xiàn)綜合能力的提高。因此，有必要針對“如何進一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量”開展實踐探索。下面本文擬以北方工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我?！保┎牧蠈I(yè)為例，對“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課堂互動教學(xué)實踐加以探索。

1 相關(guān)背景

按照我校材料專業(yè)培養(yǎng)方案[2]要求，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程于本科第三學(xué)期（即大二上學(xué)期）開設(shè)，是學(xué)生接觸到的第一門材料類專業(yè)課，所以該課程格外強調(diào)幫助學(xué)生建立材料專業(yè)“組織結(jié)構(gòu)影響性能”的思維模式，這與大一先修課程學(xué)習(xí)目標(biāo)及方式差別較大，如果初期授課沒有引導(dǎo)學(xué)生建立起專業(yè)興趣，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)自主性，很容易使學(xué)生產(chǎn)生厭煩情緒，不但難以實現(xiàn)思維方式的成功轉(zhuǎn)換，更可能誘發(fā)學(xué)生在此后的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中自暴自棄。在近幾年來的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，目前北方工業(yè)大學(xué)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程授課中存在的最主要問題恰是學(xué)生被動接受課堂知識為主，上課時間人在心不在，授課效率低下，且部分學(xué)生主觀上畏難情緒嚴(yán)重，對課程的難度評估遠(yuǎn)高于實際情況。在上述情形下，教師授課尚未形成思維方式轉(zhuǎn)換的有效引導(dǎo)，致使較多同學(xué)在學(xué)習(xí)中感到不得要領(lǐng)，難以堅持下去，從而放任自流，最終難以實現(xiàn)該課程在學(xué)生思維和能力上的訓(xùn)練預(yù)期。

針對上述問題，對該課程特點進行剖析發(fā)現(xiàn)，材料學(xué)科關(guān)注材料在加工和使用過程中組織結(jié)構(gòu)與性能變化的微觀機理，研究對象往往集中于肉眼不可見的微觀世界，知識體系中動態(tài)微觀過程的描述偏多，因此對學(xué)生理解力、空間想象力要求高，成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的主要障礙。但是，與更為偏重抽象概念和邏輯推導(dǎo)的理論類、計算類課程相比，該課程則又具有“微觀形象概念多、抽象概念少，定性描述多、定量計算少”的特點。因此，通過多種現(xiàn)代手段將“微觀結(jié)果和過程”轉(zhuǎn)換為“宏觀模型”，理論上該課程具有較大的“直觀性、有趣性”開發(fā)潛力。加之微觀機理均與常規(guī)尺度的宏觀現(xiàn)象有著直接或間接的因果對應(yīng)關(guān)系，如果能將這些宏觀現(xiàn)象通過實驗或模型先行展示出來，引導(dǎo)學(xué)生通過課前研究、小組討論等互動環(huán)節(jié)自發(fā)挖掘其內(nèi)在原因，也有望成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的一條途徑。

基于上述分析，認(rèn)為為“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課堂設(shè)計學(xué)生參與度高的互動教學(xué)環(huán)節(jié)是改善當(dāng)前教學(xué)效果的一條可行途徑。包括研發(fā)必要的授課教具（含學(xué)具）并應(yīng)用于課堂教學(xué)、增加課堂上學(xué)生動手操作及討論發(fā)言機會、理論知識講授初期提前引導(dǎo)學(xué)生接觸實驗環(huán)節(jié)等具體措施。

上述措施中，教具（含學(xué)具）的研發(fā)與應(yīng)用是踐行“微觀結(jié)構(gòu)宏觀化、微觀過程直觀化”這一改進思想的抓手，有望成為輔助教學(xué)活動、培養(yǎng)學(xué)生探索興趣與能力、大幅增加課堂上學(xué)生參與度的重要互動用具。事實上，教具（含學(xué)具）在課堂教學(xué)活動中起到的積極作用已經(jīng)被許多研究和實踐所證實，尤其是在基礎(chǔ)教育中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。相比之下，高等教育中教具的使用頻率較低，且絕大多數(shù)為高校教師自制教具，除了美術(shù)、體育等藝體專業(yè)外，理工科專業(yè)的自制教具也主要集中在公共基礎(chǔ)課的實驗部分，輔助理論教學(xué)用途的高校教具更為不足，常見的只有傳承于中學(xué)物理、中學(xué)化學(xué)的機械模型、分子結(jié)構(gòu)模型[7]等幾個較為有限的品類。具體到材料專業(yè)理論課教學(xué)的輔助教具更是鮮有研發(fā)，即使是自制教具，目前可借鑒的成熟經(jīng)驗也難以獲得。

基于此，本文針對“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程開展了一項包含教具研發(fā)的互動教學(xué)實踐探索工作。

2 實踐內(nèi)容

2.1 實踐時間與對象

實踐時間：2019年秋季學(xué)期，課程共48學(xué)時，每周2學(xué)時。

實踐對象：我校2018級材料專業(yè)本科生，含兩個平行授課的實踐課堂（其中實踐課堂1為材料18-1班，共30名同學(xué)，實踐課堂2為材料18-2班共19名同學(xué)。）

2.2 實踐準(zhǔn)備

實踐準(zhǔn)備包括參比數(shù)據(jù)匯總和硬件設(shè)施準(zhǔn)備兩個部分。

本研究采用2018年秋季學(xué)期為2017級材料專業(yè)本科生開設(shè)本課程所收集的學(xué)生期末考試卷面成績及評教結(jié)果作為主要參比數(shù)據(jù)，該年度采用合班授課，簡稱“普通課堂”，共41名同學(xué)。授課環(huán)境為傳統(tǒng)教室，教學(xué)方式以配合板書的PPT講授為主，偶爾點名，穿插提問。課程共48學(xué)時，每周2學(xué)時。

硬件設(shè)施準(zhǔn)備如下：

（1）獲批使用智慧教室開展教學(xué)工作，課堂中學(xué)生以6人一組圓桌圍坐方式上課，授課軟件可與學(xué)生手機互聯(lián)，實現(xiàn)點名、抽答、分組、現(xiàn)場答題、彈幕、評論等功能。

（2）利用球棍模型元件等道具完成自制教具（含學(xué)具）設(shè)計和制作。

（3）獲批在學(xué)期初利用金相分析實驗室完成課程緒論內(nèi)容的講授。

2.3 實踐過程

根據(jù)教學(xué)流程的不同，可大致將課堂教學(xué)的實踐過程分為三類，簡述如下：

（1）配合實驗觀察的互動課堂，實施章節(jié)：第一章初識材料學(xué)，約2學(xué)時。

教學(xué)過程概述：介紹實驗室制度與操作要求—依托虛擬工程問題，下發(fā)觀察任務(wù)—教師講解課程緒論，側(cè)重研究方法和思路—指導(dǎo)學(xué)生完成觀察任務(wù)，配合實驗設(shè)備的操作體驗，初步建立專業(yè)思維模式—基于觀察結(jié)果提出本課程未來學(xué)習(xí)中可解決的諸多問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)意愿。

（2）教具學(xué)具使用為主的互動課堂，實施章節(jié)：第二章晶體結(jié)構(gòu)，第三章晶體缺陷，第五章材料形變，約22學(xué)時。

教學(xué)過程概述：點名、分組—課堂小測（復(fù)習(xí)、導(dǎo)入）—教師講授知識點，對相對較難想象和理解的內(nèi)容（如晶體、位錯等微觀結(jié)構(gòu)，位錯運動、塑性變形機制等微觀過程）配合如圖1（a）所示的教具演示—圍繞知識點，下發(fā)學(xué)具操作任務(wù)—學(xué)生利用如圖1（b）所示的可拆分式學(xué)具分組討論完成任務(wù)—組間交流與展示—課堂小測（練習(xí)、總結(jié)）。

圖1 部分教具和學(xué)具展示

（3）分組討論為主的互動課堂，實施章節(jié)：第四章固態(tài)擴散，第六章凝固理論，第七章相圖分析，約24學(xué)時。

教學(xué)過程概述：點名、分組—課堂小測（復(fù)習(xí)、導(dǎo)入）—下發(fā)小組任務(wù)，引起學(xué)生疑問和關(guān)注—教師講授知識點—教師詳細(xì)解釋小組任務(wù)及其與知識點的關(guān)聯(lián)—學(xué)生分組討論完成任務(wù)—完成組間任務(wù)或交流—課堂小測（練習(xí)、總結(jié)）。

3 實踐效果

經(jīng)過一學(xué)期的課堂互動教學(xué)實踐，學(xué)生給予了較好的反饋。

3.1 互動教學(xué)課堂效果討論

相較于傳統(tǒng)合班授課課堂，人數(shù)的減少極大地促進了師生之間的溝通交流，明顯有利于教學(xué)活動的開展。增加教具、學(xué)具等輔助道具后，多數(shù)學(xué)生對于集中研討的知識點有了更好的接受度。智慧教室互動授課系統(tǒng)在課堂組織中起到了良好的作用，提高了學(xué)生課堂活動參與度，同時該系統(tǒng)可以及時收集學(xué)生端的反饋信息，有助于教師了解學(xué)生情況，調(diào)整授課進度。圓桌式座位不僅使得教學(xué)活動的組織更為靈活可行，而且可以隨意走動的空間環(huán)境增加了分組討論、學(xué)具拼插等過程中的師生互動。課程初期實驗室講授理論課的舉措得到了學(xué)生的高度認(rèn)可和好評，增加了課程的吸引力，為后續(xù)課程的講授提供了良好的切入點。

在教學(xué)實踐中對學(xué)生分組方式進行了探索，依次嘗試了“自由分組”“隨機分組”和“隨機分組+兩組交互”三種分組方式?；趯W(xué)生意愿的自由分組方式效果欠佳，許多小組的組內(nèi)同學(xué)之間有強烈的依賴情緒，僅依靠個別成員完成任務(wù)，討論時間閑聊的情況也時有出現(xiàn)；隨機分組方式也沒有取得預(yù)期效果，組內(nèi)同學(xué)之間常因為不太熟悉而缺乏交流，無法完成教師安排的教學(xué)活動；“隨機分組+兩組交互”的分組方式是指每次分組活動時設(shè)計兩組略有不同的任務(wù)A和B，將學(xué)生隨機分為偶數(shù)組，一半小組完成任務(wù)A，另一半小組完成任務(wù)B，之后完成不同任務(wù)的小組之間兩兩配對交互，交流展示并評價對方的完成情況，該方案很好地激發(fā)了學(xué)生的興趣和主動性，收效顯著，值得推廣。

不論是分組討論還是教具觀察、學(xué)具拼插，都明顯減慢了授課節(jié)奏，有限課堂時間不再能夠涵蓋傳統(tǒng)課堂中所有的教學(xué)內(nèi)容，許多“簡單帶過”的知識點難以在多數(shù)同學(xué)腦中留下印象。本學(xué)期嘗試了給學(xué)生提供“自修內(nèi)容”的方法，以期彌補課堂時間的不足，但預(yù)后效果不佳，有待進一步探索。

3.2 學(xué)生成績對比分析

本文對實踐前（2018年秋季學(xué)期，學(xué)生總?cè)藬?shù)41人）和實踐后（2019年秋季學(xué)期，學(xué)生總?cè)藬?shù)49人）學(xué)生期末考試卷面成績分布進行了分析。兩次期末考試卷面題量、考試時間等客觀因素相同，試卷總體難度相當(dāng)，卷面成績滿分為100分。對比結(jié)果表明，實踐后班級平均成績由62.4分變化為63.3分，平均值變化不大，但相對高分的人數(shù)比例增加，其中優(yōu)秀（90-100分）人數(shù)占比由原來的5%提高至10%，良好（80-89分）人數(shù)占比也提高了2%，同時不及格人數(shù)則下降了3%，反映出實踐措施在提高學(xué)生期末成績方面起到了一定的效果。然而，不及格同學(xué)的成績卻進一步降低，最低成績由原來的36分下降至29分，且低分人數(shù)有一定幅度的增加，這可能與互動措施增加了學(xué)習(xí)對學(xué)生主觀能動性的依賴程度有關(guān)，即被有效激發(fā)了學(xué)習(xí)主觀能動性學(xué)生的學(xué)習(xí)效果提升了，而未被有效激發(fā)學(xué)習(xí)主觀能動性學(xué)生的學(xué)習(xí)成績反而有所下降，總體上造成班級成績的區(qū)分度進一步增加，使得班級平均成績的標(biāo)準(zhǔn)差由原來的14.8分增加到了18.0分，上升了22%。

3.3 評教結(jié)果對比分析

由于2019年學(xué)校評教采用了新的評估指標(biāo)，具體指標(biāo)名稱有所變動，故篩選具有可比性的指標(biāo)進行研究，評教結(jié)果對比如表1所示，按照評價對比角度分項。其中總體評價滿分100分，分項指標(biāo)滿分10分。為保證數(shù)據(jù)一致性，使用生均評教結(jié)果與實踐前評教結(jié)果對比?？梢钥闯觯哟胧嵤┖笏P(guān)注評教項目均有不同程度的提升，其中最為重要的對比指標(biāo)，即“課程意義與學(xué)生收獲”項，提升了6%，提升幅度顯著。

表1 實踐前（2018年）與實踐后（2019年）可比性評教指標(biāo)生均評教結(jié)果對比

4 結(jié)束語

所開展的互動教學(xué)實踐總體取得了良好的成效，但對于不同類型的學(xué)生所顯示出的效果有所不同。促進效果最為顯著學(xué)生群體是對學(xué)科學(xué)習(xí)有較強的心理愿望但行動力不足、學(xué)科知識理解有困難的學(xué)生，尤其教具、學(xué)具的使用在這類學(xué)生中得到了很好的反饋，其中很多學(xué)生反映希望能進一步放慢授課節(jié)奏、增加互動環(huán)節(jié)。而對于主觀能動性高、課后自學(xué)能力和理解能力都很強的學(xué)生來說，互動教學(xué)拉慢授課節(jié)奏的缺點則不容忽視。實踐中發(fā)現(xiàn)，保證充足的課后答疑時間十分必要，答疑可以精準(zhǔn)地幫助這類學(xué)生解決具體問題，推進學(xué)習(xí)的深度和廣度。另外，對于主觀學(xué)習(xí)動力明顯不足的學(xué)生，新措施沒有取得預(yù)期效果，雖然因為點名機制的改良大幅降低了這類學(xué)生的曠課率，但因為課堂氣氛較為輕松，反而增大了學(xué)生上課玩手機、閑聊等不良行為出現(xiàn)的概率，需要教師更多地關(guān)注和提醒。對此，類似“一對一”方式的教學(xué)模式有望更好地激發(fā)該類學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。