《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；教學質量

《材料物理性能》作為材料科學與工程的專業基礎課，是學生掌握材料基本性能，判斷材料優劣，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律[3]。傳統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知識掌握不牢固，對后面深入學習相關的專業課程、完成畢業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，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”的傳統教學形式，以學生為中心完善理論教學，創建適應學生個性發展、創業就業需要、符合培養目標和人才培養規格的新課程教學體系。

1 《材料物理性能》的教學現狀

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”式傳統教學模式展開，授課形式、教學內容和考核形式都過于單一，學生的個性、主動性以及創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，支持具有學科專業和現代教學技術優勢的高等院校開放共享優質課程，提供全方位、高質量、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勢收到廣大師生的歡迎。

為了提升教學質量，《材料物理性能》課程教學的建設和改革勢在必行。基于慕課、專屬在線課程(SPOC)或其他在線課程與線下面授有機結合，利用信息系統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，以培養學生的學習能力、應用能力和創新能力為重點，促進知識、能力、素質的協調發展，對課程的理論教學和應用能力培養進行改革創新[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，立足自身優勢，展開特色教學，營造出有利于成長成才的教學環境，培養出具有自主力、創新力的人才[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量監督體系。

2.1 加強師資隊伍建設

課程的教學質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素養水平建設是推進課程建設和改革的關鍵。傳統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新能力；而現代的“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, 不斷更新教學內容, 實現科研和教學相互促進[14]。在課程建設期間，主講教師向國內外教學名師積極學習，利用網絡公開課等線上資源、線下教學交流會議、國內其他單位調研、訪學等機會，提高自己的專業水平。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)，引入翻轉課堂教學，注重因材施教，全面推進教學質量的提升。

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，有利于因材施教，充分發揮學生的特長和優勢，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容；提出小問題讓同學回答以深入學習，根據線上平臺反饋出的結果，可以幫助老師了解學生的認知規律和接受特點，從而適當調整線下教學方案；而同學們根據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》連續三個學期的課程建設和改革過程中，翻轉課堂效果突出。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與釉面紋路美麗的瓷器的本質聯系；在2020-2021學年，王云飛、肖亦周和林致遠等同學對聚合物先驅體陶瓷溫度傳感器產生濃厚興趣，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，可在高溫環境下長時間穩定工作。這些成績和成果的展示，既發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，引發他們對專業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、創新能力、思辨能力、多元思維等適應未來社會發展所需的綜合能力和素質的培養[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、創新性、挑戰度)，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建設聯系，內容比較抽象，課堂講授的內容學生不容易理解和消化。“線上線下混合式”授課將系統制作題材廣泛、內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質素材，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學生課前學習的興趣。例如, 由于材料熱脹冷縮，傳統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容深入思考，組織學生對發現的問題討論思考，深化對理論知識的認知。課后除布置作業以鞏固和強化學習成果，應鼓勵學生基于先前課程內容對前沿的科學研究和學術發展及應用前景進行學習了解，定期舉行討論活動，對相關內容以視頻、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新實驗項目及大學生數學建模競賽等比賽，培養學生的創新能力、獨立思考問題和解決問題的能力及應用能力等綜合素質。課程建設期間，授課學生的競賽成果豐碩。例如，蘇捷參與發明的《一種壓力傳感器》被國家知識產權局授權；韋祎、王震霖和葉楊等以《摻硼金剛石規模化處理垃圾滲濾液的開拓者》項目榮獲2020年河南省“互聯網+”大學生創新創業大賽暨第六屆中國“互聯網”大學生創新創業大賽河南賽區選拔賽一等獎；蘇捷、劉文龍和徐婷婷等創作的作品《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”數學中國數學建模網絡挑戰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兩大部分。線上學習由作業成績、單元測試、論壇討論活躍度及期末考試組成，課堂表現由慕課堂點名、提問、測試及翻轉課堂所組成。“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，任課教師根據自己的教學經驗需要提前準備即將進行的教學內容,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；課堂結束后，在中國大學MOOC平臺上上傳測驗作業、作業題以及討論題目；

2.4.3 課 后

對于同學們在討論區的問題，及時答復；根據中國大學MOOC平臺上的反饋的學習數據，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容，從而提高以后的教學質量。

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

(1)總成績評分規則：

①課程總成績=作業成績×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)分項評分規則

①作業：以帶有研究性質的問答題為主。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：每學習單元的最后一講會發布1個討論話題，系統根據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量監控體系

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量監控體系：(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量跟蹤檢查，并積極交流可改進之處；(2)通過網絡留言、調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課程教學的經驗和教訓，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據有效的銜接性、整體性和科學性。

3 結 語

《材料物理性能》作為材料科學與工程專業的核心課程，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、結構、組成和制備工藝之間的關系，同時充分利用現代化信息平臺，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、實踐能力和創新能力。隨著科技的發展和時代的需要，社會對人才的培養方式以及培養目的也在不斷地發生變化，《材料物理性能》課程教學的內容和方式也將進行持續的調整和改革。課程改革任重道遠，教學團隊將砥礪前行！