基于PBL的翻轉課堂模式在材料科學基礎課程中的應用

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)

材料科學基礎課是材料科學等相關專業的基礎必修課，課程內容抽象難懂，也是銜接四大基礎化學與材料學科專業課的核心課程。隨著時代的發展，現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課程教學改革是當前高校教學過程中的主要挑戰[1-4]。傳統教學主要采用 “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，課程結束后，學生對內容已沒多少印象。因此，本文從課題組在講授材料科學基礎課程中發現的問題出發，分析基于PBL的翻轉課堂模式在材料科學基礎課程中的應用效果，探索提高材料科學基礎課程教學效果、提高學生學習能力的措施。

1 課程教學現狀

齊齊哈爾大學材料科學與工程學院自2016年開設材料科學基礎課程，授課對象為高分子材料工程、無機非金屬材料工程、材料化學專業的學生，是三個專業的核心主干課程。課組選用上海交通大學出版社出版的《材料科學基礎》(第三版)為教材，主要課程內容有原子結構與鍵合、固體結構、晶體缺陷和相圖等內容[5]。課程的目標是使學生掌握材料科學的基礎理論，理解材料的組成、結構、性能和加工的規律及相互聯系，培養學生具有研究和創新的精神，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，內容相對抽象，很難理解。同時，材料科學基礎又是一門要求多學科均衡發展的課程，若學生的知識儲備不足，會給課程教學增加不少難度。另外，各專業的人才培養方案僅給材料科學基礎課分配了48學時，在相對較短的課時內，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，課組成員經過調研相關院校教學經驗，決定嘗試采用基于PBL的翻轉課堂教學模式。希望通過比較該教學模式與傳統教學模式的優缺點，找到更好的方法來幫助學生消化、理解相關知識點，夯實專業基礎，提升專業素養。

2 PBL與翻轉課堂模式的融合

PBL是 Problem-based Learning 的簡稱，譯作 “問題導向學習”。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，可以實現互補，即PBL可以彌補翻轉課堂上課外自主學習資源和系統化微課資源缺乏的不足，翻轉課堂可以彌補PBL教學耗時費力的不足。在材料科學基礎的教學過程中，將PBL與翻轉課堂有效融合起來，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絡課程平臺，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“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，并以此調整正式上課時對知識點學時的分配或對探究問題的布置。

(1) 晶體點缺陷包括( )

[A]空位 [B]間隙雜質原子

[C]置換雜質原子 [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，在原位出現的空結點就是空位。

[A]平衡位置 [B]間隙位置

2.2 課堂上探究討論

正式上課時，教師首先就網絡課程平臺上學生自測題回答情況進行小結，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內容要著重講解，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合作意識和形成健康的情感。在這個環節中，教師通過提出問題，并以示范、質疑以及鼓勵等活動，促進學生對重要概念、原理等進行形象化理解，并幫助他們聯系相關知識點拓展思路，以期學生成為自主的學習者。以第四章第一節為例，教師可以讓學生結合課程知識點，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，轉換為主動探究的學習狀態。

2.3 課后線下測試

課程結束后要安排學生對知識點進行回顧。具體方法為布置作業題或安排網絡課程平臺的測試。課后測試可設置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。現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生怠倦心里，不利于激發學生潛能。

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的材料科學基礎課為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 激發了學生的學習興趣

在基于PBL的翻轉課堂模式中，學生能主動地學習相關基礎知識，充分運用工具來獲取自己需要的知識。課程結束后可以通過問卷調查來分析學生對課程的總體感受。對于客觀題可以設置四個選項，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，問卷調查題目“我能對照書本上的插圖來學習文字內容”，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。考慮到不同課堂學生人數有所不同的情況，可見發現采用基于PBL的翻轉課堂模式教學效果好于傳統教學。

3.3 培養了學生的創新思維能力

在基于PBL的翻轉課堂模式中，學生能夠從復雜的現象中發現關鍵問題，在討論的過程中，有些學生提出了很多有創新性的想法，這就鍛煉了他們的創新思維，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

古語云“教學相長”。材料科學基礎與很多化學類基礎課程知識點密切相關，同時也與專業課密切相關。在PBL與翻轉課堂相結合的過程中，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，更好地培養學生的創新思維能力，這個過程對于教師來說也是學習并提升的機會。

4 結語

材料科學基礎是一門有著重要意義的專業基礎課，課題組通過結合PBL教學法和翻轉課堂，對傳統的課堂教學進行了改革，發現新的教學模式可以激發學生的學習熱情，取得了不錯的教學效果。翻轉課堂通過與PBL教學法相結合，能夠更好培養學生分析問題和解決問題的能力，培養適應社會需要的、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課程的教學改革，為我國培養更多的創新型人才。