《材料科學基礎》線上線下混合式教學設計和實踐探索*

王金曉，陳益峰，梁 瑋，趙超亮，李 偉

(許昌學院化工與材料學院，河南 許昌 461000)

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》指出：要建立新型信息化教學觀念，改進教學方法，進而幫助提高教學效果，同時促進優(yōu)質教育資源的開發(fā)應用，創(chuàng)新在線和傳統(tǒng)合理混合的新型教學模式，利用信息技術手段來推動學習者的自主學習、協(xié)作學習[1-2]。線上課程的建設與應用已成為現(xiàn)階段高校教學信息化變革的重要舉措。近年來，各高校紛紛開展各種線上課程平臺支持的信息化教學實踐。通過網(wǎng)絡開展在線教學，在當代教育領域已經(jīng)深入人心，采用這種方式進行教學的活動也越來越普遍[3]。隨著實踐的深入以及對在線教學的深刻反思和理性回歸，人們也越來越清醒地認識到，混合式教學已成為目前教育的主流應用模式，它也是高等教育教學模式的現(xiàn)實選擇。堅持貫徹“以學生為中心”的理念，線上教學與線下教學深度融合，可以打破空間限制，擴寬教育空間，創(chuàng)造新的可能性。通過線上線下教學模式的改革，課程內容會更加豐富，學生能夠接觸更多的優(yōu)質教育資源，學到更多的知識并學以致用。線上線下混合教學模式更有利于融入思政教育，德育智育并重，達到立德樹人的根本任務。

“材料科學基礎”是材料類專業(yè)本科生必修的一門重要的專業(yè)基礎課程，也是該專業(yè)碩士研究生入學考試的專業(yè)課程[4]，在大學二年級開設。本課程作為連接公共基礎課與材料專業(yè)課以及實踐活動的橋梁，是整個材料領域最基本的理論支撐，被譽為“打開材料科學殿堂的鑰匙”。本課程為學生建立材料的物質結構、性質、加工及使用性能間的相互聯(lián)系，為學生們進一步深入研究探索材料科學或更有效地在實際工業(yè)生產(chǎn)中應用材料科學知識提供基礎。新工科教育已成為我國工程教育發(fā)展的新思維和新方向[5]。在“新工科”的背景下，該課程內容的有效構建、教學設計以及教學效果評價，對材料類專業(yè)學生后續(xù)專業(yè)課程的學習以及應用能力、創(chuàng)新能力的提升、愛國情和責任感的增強起到至關重要的作用。

針對課堂教學與線上教學如何有機結合的問題，本文給出了線上線下混合式教學模式設計思路和實踐探索，以改變傳統(tǒng)教學模式，適應新的網(wǎng)絡平臺教學環(huán)境，更好地利用在線學習的優(yōu)勢，取得更好的教學效果，提升教學質量。

1 課程知識體系及教學現(xiàn)狀分析

“材料科學基礎”通過闡述材料的組成與結構、制備與加工、性質、使用性能等材料科學與工程主要要素之間的相互關系及其制約規(guī)律。使學生掌握材料學的基本概念、科學原理與工程方法，掌握材料的組成與結構-制備與加工技術-性質-使役性能-材料用途之間相互關系及制約規(guī)律。了解新材料的結構特點和前沿應用方向，培養(yǎng)學生運用材料學知識對工程中出現(xiàn)的問題、現(xiàn)象及結果進行合理分析、設計并解決問題的基本能力，建立工程思維方式，提高學生的創(chuàng)新能力、團隊合作意識、工匠精神，強化學生服務國家服務人民的社會責任感。

從教情來看，本課程采用傳統(tǒng)線下教學模式有很多亟待解決的問題。教學方式單一，“課件+板書”的講解，教學內容強調理論的記憶，教學方法“提問式”為主，會使較難的理論部分更加枯燥乏味，減弱學生的學習興趣，未能激發(fā)學生高階思維能力和創(chuàng)新能力；考核過程不夠科學主要考察學生對基礎知識的掌握情況，缺乏對思維過程、創(chuàng)新解決應用問題能力的考核；學生學習效果的反饋也不夠全面，難于獲得較為詳實的統(tǒng)計數(shù)據(jù)真實反映學生的學習效果。

從學情來看，學生學習過程中，面臨“原理規(guī)律多，知識點多，概念定義多”的三多的局面，理解和應用困難；能力方面，自主學習的能力有待提高，解決工程問題的能力相對欠缺；素質方面，對學習主體地位認識尚存不足。同時，學生對課堂教學吸引力有更高的要求。

線上線下混合式教學可以通過將傳統(tǒng)教學的優(yōu)勢和線上學習的優(yōu)勢結合起來，充分實現(xiàn)學習環(huán)境的混合、學習資源的混合、學習方式的混合、教學效果的合理反饋，進而實現(xiàn)有效的教學。因此，如何針對本門課程的特點，設計線上線下混合式教學成為本門課程提升教學效果的核心問題。本課程進行了初步的線上線下混合教學設計與實踐探索。

2 教學方案設計與實踐

2.1 課程建設的思路

課程建設過程中，始終遵循學校辦學定位及專業(yè)特點，以培養(yǎng)材料學科學研究與工程技術人才為總體目標。堅持以學生為中心，立德樹人為根本任務，對課程進了改革。

(1)理清主線，突出重點：課程在材料科學與工程學科四要素經(jīng)典模型基礎上建立了“三位一體科技合一”模型。課程內容以材料的存在狀態(tài)即“相”為核心，以組成與結構-缺陷-性能及其測試-材料合成及加工工藝-工程實際應用-環(huán)境效應為主線展開，逐步形成特色化的產(chǎn)教融合，突出應用型人才培養(yǎng)的雙向思維教學法。

(2)利用線上教學資源將重點、難點碎片化：充分利用線上優(yōu)秀課程資源和學習通在線平臺對重點知識碎片進行強化訓練，并設置學習效果測試，加深學生對知識的理解和應用，激發(fā)學生自覺主動獲取知識的熱情。

(3)結合教學內容的建設和教學的有效設計，強化工程意識，融入課程思政：課程內容兼顧材料四要素中的應用，注重學生科學的創(chuàng)新性思維方法的培養(yǎng)，強化解決實際工程問題的能力與行業(yè)技術升級創(chuàng)新研發(fā)能力，進行愛國主義教育，強化社會責任感。

2.2 教學方案設計

教師通過網(wǎng)絡平臺下發(fā)課程教學大綱、進度表、課程網(wǎng)站、教材和參考資料等資源，讓學生首先了解該課程學習目標、學習內容、各章節(jié)學習重點、難點；借助建設的課程網(wǎng)絡資源，依托網(wǎng)絡交流工具形成學習共同體，部分內容網(wǎng)上學習、網(wǎng)上討論、在線提交作業(yè)、網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上教學資源共享，課堂檢測網(wǎng)上學習效果，針對性講解，增強與學生互動，學生講解，加強與學生的雙向交流，營造協(xié)作互助、共同進步的學習氛圍，使每個學生都能夠積極高效地完成學習任務，實現(xiàn)自我學習和自身提高的可持續(xù)教育。

2.3 教學實施過程

教學組織實施的目的在于回歸“教”與“學”的本分、回歸“授人以漁”的教育初心，回歸“材料人”獻身材料、鑄造材料靈魂的青春夢想，通過知識體系的構筑、線上與課堂學習的調控與組織引導學生自主學習。

教學組織實施的核心是以學生為主體，借助線上教學資源引導學生自主學習，達到知識鞏固強化與拓展的目標，提升學生自學能力，課堂教學注重啟發(fā)式、討論式、研究式的教學方法，通過課堂討論、設置小專題任務、課堂翻轉演練等多元化互動式課堂教學模式，培養(yǎng)學生的“織網(wǎng)”思維能力，一方面能夠將分散的知識碎片連接成網(wǎng)，注重知識的交叉性、系統(tǒng)性；另一方面能夠將理論知識與實際的工業(yè)應用串接成網(wǎng)，注重知識的應用性。引入OBE課程體系設計理念，加強實踐環(huán)節(jié)建設，通過項目設計，構建新型先進的實踐教學體系，注重夯實學生基礎的同時，也注重創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，為學生后續(xù)長遠發(fā)展奠定良好基礎。

以賽促教，以賽促改，以賽促學，促進校際專業(yè)交流，拓寬學生視野，充分激發(fā)學生的專業(yè)興趣，有利于學生樹立自信心，發(fā)揮潛能，不斷提高材料類專業(yè)人才培養(yǎng)質量。

本課程線上主要利用名校名師名課，線上優(yōu)質資源和網(wǎng)絡平臺發(fā)布任務、活動、討論。線下采用多種教學活動如引導式、討論式、案例式、任務式等開展教學。線上線下混合教學可以分為三個階段：課前、課中和課后。以擴散中菲克定律為例，具體教學實施過程如下：

課前，教師首先建立“案例、習題、微課和實踐”資源庫。案例庫：包含與擴散知識應用的案例，如我國國防裝備儲箱氣瓶的設計，非穩(wěn)態(tài)擴散知識應用到鋼材滲碳強化等方面，增強所學知識與科技前沿技術的關聯(lián)性，提升學生的學習興趣，傳輸工匠精神，強化為祖國建設的責任感。實踐庫：理論與實踐的結合強化知識，提高問題的解決能力。教師構建與擴散有關的資源體系，優(yōu)化重排資源，課前學習內容上傳到網(wǎng)絡平臺，通過平臺向學生傳送任務、實施課前檢測、組織在線討論，學生在線任務探究、自主學習、自測。

課堂上：首先在線考勤，準確掌握學生到課情況。課程開始前，通過線上課堂測驗、提問等進行前測，評價學生學習效果，根據(jù)結果即時調整策略，聚焦問題、組織教學活動，適時進行在線隨堂測試、答疑解惑。課程講授過程中通過歸納講解、演示、提問、舉例、討論等，強化學生對知識的理解；本節(jié)課主線是擴散過程中有兩大定律菲克第一定律和菲克第二定律，如何將擴散兩大定律菲克第一定律和菲克第二定律應用到實際的工程問題，前提首先判斷擴散屬于穩(wěn)態(tài)擴散還是非穩(wěn)態(tài)擴散。

針對穩(wěn)態(tài)擴散更適合用菲克第一定律，講解該定律之后，應用到工程實際中，為了減少氫氣的滲漏現(xiàn)象，多采用球形容器、選用氫的擴散系數(shù)及溶解度較小的金屬、以及盡量增加容器壁厚等，拓展到高技術領域如儲箱高壓氣瓶的設計同樣依據(jù)此擴散求解結果，對氣體的滲透率要求極高，提升學生的學習興趣，傳輸工匠精神，強化為祖國建設的責任感，融入課程思政元素。

對于非穩(wěn)態(tài)擴散情況比較復雜，應對具體問題進行分類，借助邊界條件和初始條件，求解菲克第二定律，針對每一種情況均進行了應用講解，重點是恒定源的擴散，恒定源在工程上緊密相關的是鋼的表面熱處理進行的滲碳和滲氮，工程上滲碳主要為了得到表面高硬度心部高韌性的耐磨抗沖擊零件，滲氮主要為了得到高硬度耐磨的表面層，恒定源還與制備技術中經(jīng)常采用的真空除氣密切相關，增強所學擴散知識與工程應用的連接緊密性，激發(fā)學生學習興趣，讓學生深刻意識到學有所用。

課后，讓學生總結本節(jié)課中幾種具體工程問題所涉及的擴散知識的求解方程，讓學生習慣于課后總結，進行學習方法引導。通過網(wǎng)絡平臺發(fā)放作業(yè)，利用課程的多種網(wǎng)絡交流軟件進行交流并答疑，并鼓勵學生利用在線資源進行反復學習，內化知識。利用多元化的評價反饋機制，教師：通過網(wǎng)絡平臺、交流軟件等進行個性化答疑、反思后調整策略、持續(xù)改進；學生：達到知識提升、能力提升和情感升華。

2.4 多元化的評價與反饋機制

課程實行由網(wǎng)絡在線平臺支撐、評價方法多元的評價體系，充分體現(xiàn)學生“個性化”兼顧“協(xié)作性”的學習狀態(tài)，對學生的綜合素質進行評價，提升其知識應用技能，協(xié)助其發(fā)掘自身潛能，建立自信?！霸u價對象”貫穿教學全過程，“評價主體”增加學生互評，“評價方法”增加展示和探究能力的評價，“信息反饋”更加注重即時反饋。成績評定，摒棄傳統(tǒng)的“考勤+作業(yè)+考試”評價模式，將平時成績提升到總分的40%，同時降低平時成績中作業(yè)成績比例，注重學習全過程評價，包括課前學習情況(在線內容學習、在線測試)、課中在線隨堂測試、課堂提問、討論、翻轉課堂以及任務教學等，實現(xiàn)由知識點向重視問題解決方案的思維轉變，緊密貼合應用型人才培養(yǎng)的宗旨。

2.5 改革成效

采用線上線下混合式教學模式后，逐漸充實了網(wǎng)上教學資源，結合材料的發(fā)展不斷更新資源，使學生不受時空限制，自主地獲取便于自學的教學資源。課程網(wǎng)絡平臺提高了學生對教學資源的有效利用，教學效果明顯提高，期末成績有所提升。在線發(fā)布的調查問卷結果也顯示，開展線上學習后，學生反映比以前更感興趣，加深了對知識點的理解，對于線上線下混合比較滿意，培養(yǎng)了自主獲取知識的能力，增強了創(chuàng)新意識。學生以課程理論(鐵碳合金相圖及相關知識點)為指導，多次在全國大學生金相技能大賽獲獎，“以賽促教、以賽促學”，學生的積極性充分調動起來。

3 結 語

通過線上線下混合式課程建設，將傳統(tǒng)教學方式的優(yōu)勢和網(wǎng)絡化學習的優(yōu)勢結合起來，提高教師參與教學的熱情，使教學內容、教學手段、教學方法和評價機制更加完善。同時，更好地體現(xiàn)了“以學生為中心”的教學理念，提高學生的學習興趣和主動性，培養(yǎng)了自主獲取知識的能力，增強了創(chuàng)新意識。但在實施過程中，構建案例庫的挖掘和師生學習共同體的建設還存在不足之處，將在今后的教學過程中不斷完善優(yōu)化。