材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的“四重構(gòu)”與“兩創(chuàng)新”教學(xué)改革

田相鑫，章 強，李傳明，劉 偉，苗 欣

（1.臨沂大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.臨沂大學(xué) 國際教育交流學(xué)院，山東 臨沂 276000）

2017 年是中國工程教育發(fā)展史上里程碑式的一年，新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識”“天大行動”及“北京指南”均在這一年出臺，為中國高等教育新工科發(fā)展擘畫了藍圖，指明了方向，提供了路徑[1-3]。針對新工科建設(shè)和發(fā)展要求，全國各大高校開始結(jié)合自身特色，主動思考，積極行動，在校企、校校、校地、校家等不同層次、不同維度開展了協(xié)同育人的教育改革與探索。與此同時，“復(fù)旦共識”明確指出，我國高等工程教育專業(yè)認(rèn)證體系已經(jīng)實現(xiàn)國際實質(zhì)等效，基于產(chǎn)出導(dǎo)向（Out-come based Education）和以學(xué)生為中心的教育理念也日益深入人心[4-5]。從人才培養(yǎng)方案入手，結(jié)合學(xué)生自身發(fā)展和服務(wù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，重新構(gòu)建人才培養(yǎng)目標(biāo)，建立更加科學(xué)的課程體系，依據(jù)課程在人才培養(yǎng)方案中的支撐關(guān)系重構(gòu)課程目標(biāo)，進而實現(xiàn)對課程內(nèi)容、課堂組織模式、課程資源及考核方式的深入改革，目前正方興未艾。

此外，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展同樣在教育領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠的影響[6-7]。一方面，互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)不斷進入教育教學(xué)領(lǐng)域，智慧教室、微格教室等教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境的更新，包括國家精品課程在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源的極大豐富，都對教師的教和學(xué)生的學(xué)提出了新的更高的要求。另一方面，伴隨中國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)一同成長起來的“00后”已經(jīng)成為大學(xué)的絕對主力，利用智能手機、平板、電腦等電子設(shè)備獲取知識已經(jīng)成為他們與生俱來的本能，學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和特點已經(jīng)發(fā)生了根本性的改變。但是，教學(xué)模式僵化，教學(xué)內(nèi)容落后，教學(xué)實踐脫節(jié)等問題在廣大中國高校的教學(xué)中仍然普遍存在，已經(jīng)難以與當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)特點相匹配。中國高等教育學(xué)會前副會長陳浩教授就曾直言，不進行異常教學(xué)方法的革命性變革，不足以搬掉阻礙人才培養(yǎng)質(zhì)量提升的一大屏障，不足以煥發(fā)大學(xué)教育活力青春[8]。因此，高等教育課堂教學(xué)模式的改革亟待深入推進。

為此，本文以材料科學(xué)與工程領(lǐng)域傳統(tǒng)基礎(chǔ)課程——材料科學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)改革實踐為例，基于以學(xué)生為中心和產(chǎn)出導(dǎo)向的教育理念，分析了當(dāng)代大學(xué)工程教育中普遍存在的痛點問題?；谟暾n堂和BOPPPS 模式（即導(dǎo)言（Bridge-in）、目標(biāo)（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning）、后測（Postassessment）、總結(jié)（Summary）），對課程目標(biāo)和理念、教學(xué)內(nèi)容和資源、教學(xué)環(huán)境和模式及教學(xué)團隊設(shè)計了“四重構(gòu)”教學(xué)改革方案，并針對課程思政建設(shè)、教學(xué)評價模式進行了“兩創(chuàng)新”，收到了良好的改革效果，并希望能夠?qū)ζ渌こ填悓I(yè)基礎(chǔ)課程的改革提供思路和借鑒作用。

一、教學(xué)過程中的“痛點”問題分析

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料類專業(yè)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中建議開設(shè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。在材料類專業(yè)的知識體系和課程設(shè)置中，它處于公共通識課程與專業(yè)核心課程之間的橋接部分，具有承上啟下的重要作用。隨著國家深入推進新工科建設(shè)發(fā)展、高校中專業(yè)工程教育認(rèn)證工作的進一步鋪開及教育信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足行業(yè)要求和學(xué)生需求，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)質(zhì)量和對培養(yǎng)目標(biāo)的有效支撐。具體地，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在如下三個“不足”的問題。

（一）特色育人功能不足

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的特色育人功能主要體現(xiàn)在三個維度上。首先，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程源于金屬材料方面的專業(yè)課程，包括金屬學(xué)、金屬物理學(xué)等，知識體系和框架仍然延續(xù)著金屬材料的專業(yè)特點，沒有很好地體現(xiàn)對高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料等專業(yè)的培養(yǎng)特點，也沒有很好地融入目前先進材料的設(shè)計和發(fā)展理念，不能有效承擔(dān)材料科學(xué)與工程專業(yè)寬口徑的人才培養(yǎng)任務(wù)。其次，教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，缺乏對最新研究成果的吸收和更新，課程的創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度不足。第三，教學(xué)手段不足，課程知識大水漫灌，“老師一人累，學(xué)生集體懵”的現(xiàn)象仍頻繁出現(xiàn)。

（二）實踐育人功能不足

材料類專業(yè)屬于實驗學(xué)科，對于實驗、實踐的要求很高。但是，材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中所涉及的內(nèi)容又具有理論性強和抽象性強的特點，很多專業(yè)術(shù)語、概念、現(xiàn)象對于學(xué)生而言首次接觸，缺乏直觀印象，更不知道這些知識的實際應(yīng)用場景，純粹的理論講解效果較差。因此，在授課過程中進行理論與生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究的有機融合，充分滿足學(xué)生的研究、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)需求，是材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革的一個重要方向。

（三）思政育人功能不足

專業(yè)課程的教學(xué)往往注重知識的傳授，對學(xué)生價值觀的引領(lǐng)作用不強，思政育人功能薄弱，而思政教育對專業(yè)教育的反哺功能就更加不足。寓價值引領(lǐng)于專業(yè)教育，實現(xiàn)思政教育的春風(fēng)化雨、潤物無聲，充分發(fā)揮專業(yè)課程思政育人功能，實現(xiàn)思政教育與專業(yè)教育的有機互補、相互促進，是材料科學(xué)基礎(chǔ)課程改革的另外一個重要方向。

二、基于學(xué)生健全發(fā)展的教學(xué)改革“四重構(gòu)”

針對材料科學(xué)基礎(chǔ)課程在實際教學(xué)過程中存在的“三不足”問題，本論文通過深入研究和課堂實踐，將學(xué)生發(fā)展為中心和產(chǎn)出導(dǎo)向的教育理念深度融合，系統(tǒng)提出了教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)理念重構(gòu)、教學(xué)資源與課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)環(huán)境與教學(xué)模式重構(gòu)、教學(xué)團隊重構(gòu)的“四重構(gòu)”的教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新和改革方案，并進行了教學(xué)實踐，如圖1 所示。

圖1 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的“四重構(gòu)”與“兩創(chuàng)新”教學(xué)改革

教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)理念重構(gòu)。表1 為學(xué)團隊在人才培養(yǎng)方案重新修訂的基礎(chǔ)上進行頂層設(shè)計和整體布局，基于OBE 理念，以學(xué)生發(fā)展為中心作為基礎(chǔ)，重新構(gòu)筑了課程教學(xué)目標(biāo)。重構(gòu)之后的教學(xué)目標(biāo)更加體現(xiàn)了學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位，能夠?qū)Ξ厴I(yè)要求實現(xiàn)更加有效的支撐，滿足OBE 的人才培養(yǎng)要求。同時，知識—能力—思維與三階課程目標(biāo)深度融合，形成了層次分明又聯(lián)系密切的教學(xué)目標(biāo)體系。

表1 基于產(chǎn)出導(dǎo)向和“以學(xué)生為中心”的教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)

教學(xué)資源與課程內(nèi)容重構(gòu)。在教學(xué)目標(biāo)重構(gòu)的基礎(chǔ)上，教學(xué)團隊以“寬口徑、厚基礎(chǔ)、個性化”為指導(dǎo)，對課程內(nèi)容進行了梳理、更新和重構(gòu)?！皩捒趶健敝卦趯虒W(xué)內(nèi)容進行廣度拓展，例如在金屬材料專業(yè)的教學(xué)中，融入一定的高分子材料、新能源材料的相關(guān)內(nèi)容，幫助學(xué)生打開學(xué)習(xí)和研究的思維?！昂窕A(chǔ)”則重在針對性地對教學(xué)內(nèi)容進行深度強化，例如在高分子材料專業(yè)教學(xué)中，擴充、深挖關(guān)于范德華力、氫鍵的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。“個性化”則重在針對培養(yǎng)專業(yè)方向，對教學(xué)內(nèi)容進行個性化定制，例如在金屬材料專業(yè)的教學(xué)中強化準(zhǔn)晶態(tài)的講解，并進行高熵合金的介紹。在課程內(nèi)容的重構(gòu)基礎(chǔ)上，教學(xué)團隊重視吸納近期的重要研究成果，對課程內(nèi)容進行了更新，例如對于大角度晶界的授課中，就根據(jù)最新的研究成果介紹了大角晶界中存在的對稱結(jié)構(gòu)。在教學(xué)資源建設(shè)方面，依托“智慧樹”平臺，本課程建設(shè)了線上課程，為學(xué)生課下學(xué)習(xí)量身打造了在線課堂，并從科學(xué)前沿、教師科研、工程實踐三個維度，師生共建了教學(xué)案例庫，將課堂教學(xué)與科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐進行了有機融合，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性思維。目前，教學(xué)案例庫中包含科學(xué)前沿案例100 余項，教師科研案例20 余項，工程實踐案例40 余項。

教學(xué)環(huán)境與教學(xué)模式重構(gòu)。針對當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和教育信息化的發(fā)展，教學(xué)團隊依托智慧樹平臺建設(shè)了材料科學(xué)基礎(chǔ)的在線課程，并充分借助國家精品課程的在線開放資源，實現(xiàn)了線上-線下的深入融合，為學(xué)生提供了更加全面的學(xué)習(xí)資源。此外，如圖2 所示，本課程采用了基于雨課堂和BOPPPS 的課堂模式，有機統(tǒng)一“課前—課中—課后”的整個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，有效幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，把握學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，實現(xiàn)教與學(xué)的有效融合。在這一模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性得到了激發(fā)和調(diào)動，有相當(dāng)一部分記憶、理解型知識可以從課堂轉(zhuǎn)移到課下，釋放了課堂時間，師生可以就更加復(fù)雜的課程內(nèi)容進行充分和深入的探討，教學(xué)互動與翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)置也會更加充分和有效。此外，本課程還進行了實踐教學(xué)場景的拓展與創(chuàng)新，創(chuàng)設(shè)了“傳統(tǒng)教室-智慧教室-實驗室-生產(chǎn)車間”的四重教學(xué)空間，并積極帶領(lǐng)學(xué)生參與全國大學(xué)生金相技能大賽、“挑戰(zhàn)杯·揭榜掛帥”專項賽、熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽事，著力打通專業(yè)課程與實踐實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科學(xué)前沿之間的壁壘，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)探索的熱情。

圖2 基于雨課堂的BOPPPS 課堂組織模式設(shè)計

教學(xué)團隊的重構(gòu)。針對學(xué)生的培養(yǎng)方向和個性化學(xué)習(xí)的需求，結(jié)合教師自身教育經(jīng)歷、科研方向和產(chǎn)業(yè)背景，對教學(xué)團隊進行了重構(gòu)，并且建立定期教學(xué)研討、師生交流互動的制度，最大程度保證“寬口徑、厚基礎(chǔ)、個性化”教學(xué)設(shè)計的順利實施。

三、課程思政的科學(xué)布局與設(shè)計創(chuàng)新

專業(yè)課程思政建設(shè)在高校育人育才并舉的教育教學(xué)目標(biāo)中具有重要的地位，課程思政與專業(yè)課程之間應(yīng)當(dāng)是相輔相成，互相促進的關(guān)系。根據(jù)專業(yè)和課程特點，本課程編制了思政培養(yǎng)目標(biāo)，從尖端制造破瓶頸、工程實例建思維、科學(xué)前沿促創(chuàng)新、科技報國有擔(dān)當(dāng)、環(huán)境保護樹意識、文理交融增溫度、感人事跡立榜樣及紅色精神揚旗幟八個模塊進行了思政元素的深入挖掘，形成了內(nèi)容豐富、時代性教育性強、與課程內(nèi)容結(jié)合緊密的課程思政案例庫，既春風(fēng)化雨，潤物無聲，又驚濤拍岸，醍醐灌頂。

四、多維度、立體化考核體系的創(chuàng)設(shè)與課程評價機制的創(chuàng)新

科學(xué)的考核體系是良好教學(xué)效果的保證，教學(xué)團隊基于課程目標(biāo)，制定了多維度、立體式的教學(xué)評價與反饋機制，并且利用背景評估（Context）-輸入評估（Input）-過程評估（Process）-成果評估（Product）的課程評估模式（CIPP 模式）建立了全方位的課程評估改進體系。

根據(jù)表2 可知，依托雨課堂平臺，教學(xué)團隊將過程性考核細分為圖文考核、隨堂測試等7 個維度，每個維度給建立了具體的評價標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋課前—課中—課后全部學(xué)習(xí)階段，并且利用雨課堂平臺進行團隊任務(wù)的布置和課程思政教學(xué)效果的評價與考核。

表2 “多維度、立體式”教學(xué)考核體系的構(gòu)成和占比

此外，如圖3 所示，教學(xué)團隊基于CIPP 模式對課程進行了全局化的整體評估，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)手段，優(yōu)化教學(xué)資源，保證課程教學(xué)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

圖3 基于CIPP 模式的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程評價體系

五、教學(xué)成效與課程建設(shè)反思

隨著教學(xué)改革的進行和深化，學(xué)生學(xué)習(xí)成績穩(wěn)定提升，實踐創(chuàng)新能力明顯增強，教師教學(xué)能力得到鍛煉，課程示范推廣效應(yīng)也在逐漸顯現(xiàn)。如圖4 所示，在命題策略穩(wěn)定，命題難度系數(shù)基本不變的情況下，學(xué)生卷面成績總體呈現(xiàn)上升趨勢。另外，在2020—2022 年連續(xù)三屆研究生入學(xué)考試中專業(yè)課程（材料科學(xué)基礎(chǔ)）的平均成績也在穩(wěn)步提高，有力證明了課程改革和創(chuàng)新的成效。

學(xué)生實踐創(chuàng)新能力也得到了明顯的提高。自2018 年以來，以教學(xué)團隊教師作為主要發(fā)起者和組織者，已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了三屆校級大學(xué)生金相技能大賽，參與人數(shù)逐年增多。截至2021 年，共有19 人次在省級以上金相技能大賽獲獎，其中全國一等獎1 項，二等獎3 項，并在“挑戰(zhàn)杯·揭榜掛帥”專項賽中獲得全國二等獎的優(yōu)異成績，從另一個角度證明了課程改革和創(chuàng)新的成效。

圖4 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程歷年卷面成績及研究生入學(xué)考試專業(yè)課程（材料科學(xué)基礎(chǔ)）平均成績對比

六、結(jié)束語

材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，本論文針對教學(xué)過程中存在的“三不足”痛點問題，遵循以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，從教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)理念、教學(xué)資源與課程內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境與教學(xué)模式、教學(xué)團隊四個層面設(shè)計了“四重構(gòu)”的改革方案，并針對課程思政建設(shè)和教學(xué)評價反饋機制進行了“兩創(chuàng)新”設(shè)計。自教學(xué)改革實施之后，學(xué)生學(xué)習(xí)效果、實踐創(chuàng)新能力及教師教研能力都得到了明顯提高，收到了良好的改革效果，并為更多專業(yè)課程的教學(xué)提供了改革設(shè)計參考。