工程材料專業復合教學模式創新設計及實踐效果

摘 要：為了實現復合材料與工程專業人才培養質量的提升，構建以目標為導向、學生通過實質參與進行有效學習的格局，提出基于對分課堂與項目式教學的緊耦合關系構建復合型教學模式。以《程序設計基礎》課程為對象，以“航空復合材料庫存管理系統”為主線構建項目式對分課堂教學模式，從實施策略和實施路徑進行了理論分析與實踐探索。實踐效果表明：項目式對分課堂實施過程明確，有較強的可操作性，對教師與學生雙方的能力都有一定的提升，符合應用型本科院校課程教學特點，是一種互利共生的教學模式。

關鍵詞：復合材料與工程；教學模式；對分課堂；項目式教學；緊耦合

中圖分類號：TQ050.4+3""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0072-04

Innovative design and practical effects of composite teaching mode in engineering materials major

LIU Qiong1， SHI Nuo2， PENG Han1， YANG Peng3

（1. College of Computer Science，Xi’an Aeronautical Institute，Xi’an 710077，China；

2. College of Mechanical Engineering，Xi’an Aeronautical Institute，Xi’an 710077，China；

3. College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest Aamp;F University，Yangling 712100，Shaanxi China）

Abstract： In order to improve the quality of talent cultivation in the field of composite materials and engineering， and to construct a goal?oriented pattern of effective learning through substantive participation， a composite teaching model based on the tight coupling relationship between split classroom and project?based teaching was proposed." Taking the course “Fundamentals of Programming” as the subject， the project?based bisecting classroom teaching mode was constructed with the “Aerospace Composite Materials Inventory Management System” as the main line， and the theoretical analysis and practical exploration were carried out from the implementation strategy and implementation path. The practical results showed that the implementation process of the project?based PAD class was clear and had strong operability. It could improve the abilities of both teachers and students. This model aligns with the characteristics of curriculum teaching in application?oriented universities， and it is a mutually beneficial teaching model.

Key words： composite materials and engineering；teaching mode；PAD class；project?based teaching；tight coupling

復合材料與工程是研究將兩種或兩種以上不同性質的材料組合構成新材料的學科，旨在探索材料的設計、制備、性能評價和應用，以滿足科學和工程領域的需求［1?2］。復合材料與工程的專業特點決定了在程序設計課程中，要求學生掌握基本編程思維、數據結構與算法，能夠編寫程序進行材料性能模擬、工藝優化、高性能數值計算和模擬等相關工作。

為了提高人才培養質量，需要引入與復合材料相關的案例和實際應用，讓學生了解程序設計在該領域的具體應用和意義，同時要融入相關的編程項目，讓學生通過實際項目實踐掌握程序設計技能。鑒于此，本文針對復合材料與工程專業特點構建程序設計課程的教學方案，以期形成課堂教學的高效運行，為應用型本科院校的課堂教學提供參考。

1"" 模式創新設計

1.1"" 需求分析

1.1.1"" 制造工藝的復雜性

復合材料的制造過程通常比傳統材料更復雜，需要特殊的工藝和設備，可能導致庫存系統中的倉儲管理更加復雜［3?4］，需要確保庫存系統能夠有效管理不同類型的復合材料庫存，并及時調整庫存水平以滿足需求。

1.1.2"" 質量控制難度大

復合材料的性能受多種因素影響，如纖維含量、纖維排列方向、樹脂含量等，確保復合材料產品的質量和一致性則需要更加嚴格的監控和測試，需要保證庫存系統中的復合材料符合質量標準，以減少不良品和庫存損耗。

綜上分析，庫存系統對于復合材料的產品質量至關重要，因此結合我校航空特色，提出以“航空復合材料庫存管理系統”為主線開展《程序設計基礎》課程的教學。將“航空復合材料庫存管理系統”進行解構，如圖1所示。該系統包括以下教學模塊：歡迎界面；數據的描述和計算；數據的輸入、計算與輸出；庫存的判斷與處理；數據的批量處理與統計；數據的批量存儲、計算與排序；模塊化設計；數據的查找與統計；信息的記錄定義與數據處理；文件訪問與存取。

將教學模塊確定好之后，就需要對教學模式進行設計，旨在幫助復合材料與工程專業學生在學習基礎編程知識與技能的同時，能夠全方位地體驗這個實際的工程任務，從而提高編程能力和解決實際問題的能力，并時刻關注復合材料行業發展趨勢和技術更新。

1.2"" 教學模式設計

對分課堂是由復旦大學張學新教授于2014年首次提出［5］，這種教學模式融合了講授式課堂和討論式課堂的特點，通過在教師授課和課堂討論中間插入學生自主學習環節，形成了講授（Presentation）、內化吸收（Assimilation）、討論（Discussion）的清晰流程，實現了集中學習時間和個性化學習時間的對分，教師和學生權責的對分［6?8］。對分課堂的實施簡練明確，適用于不同學段、不同學科、不同規模的教育教學活動［9?10］，因此該教學模式具有很大的再創造空間，可以根據復合材料與工程的專業特點與學情性質進行優化，實現課堂的有效教學。

在應用型本科院校中，項目式教學是普遍認可的教學模式［11?12］。復合材料與工程專業課程的項目式教學以能力培養為主要目標，使學生在完成項目的過程中全面提升綜合能力和職業素養。對分課堂的首要目標是激發學生的學習興趣。從學生成長的角度來講，項目式教學與對分課堂是互補的，將對分課堂和項目式教學在形式與內容上進行重構后建立緊耦合關系，理論上就可以實現以目標為導向，學生通過實質參與進行有效學習的格局。

將“航空復合材料庫存管理系統”的每一個模塊經過化簡、抽象、整合后開發教學項目，并與教學大綱規定的教學內容進行關聯與耦合。教學項目從時間維、能力維、邏輯維3個方面展開實施，具體如下：時間維是指課堂教學中從初始到發展按照時間順序排列的全過程，主要內容是講授、內化和吸收、討論；邏輯維是指在項目學習中從簡單到復雜遵循思維程序展開的全過程，主要內容是接受、探索、交流；能力維是指在解決問題中從低階到高階掌握知識技能運用的全過程，主要內容是認知、發現、升華。時間維、能力維、邏輯維的主要內容是一一對應的關系。

綜合分析后，將每個教學項目構造為“項目導入-相關知識-任務實施-總結拓展”的4大部分，構造的項目式對分課堂教學模式如圖2所示。

在這種模式下，課堂教學中具有明確的知識點與技能點，充分呈現了以目標為導向的特點，在教學過程中教師與學生的雙主體地位保證了將有指導的探究式學習貫穿始終，實現了項目式教學與對分課堂有機融合。

2"" 項目式對分課堂實施方法

2.1"" 實施策略

對分課堂具有當堂對分和隔堂對分兩種實施方法［15］，當堂對分指的是講授、內化和吸收、討論3個環節在同一次課中完成；而隔堂對分將3個環節分布于兩次課，一般采用的是教師當次講授，課下學生通過自學以及完成教師布置的作業實現內化和吸收，下次課中教師組織學生開展討論。對于項目式教學來講，為了實現具體的成果展示，促進學生的持續積累、不斷提升，一般來說需要在一個集中的時間段內完成教學的整個流程。“航空復合材料庫存管理系統”主題下的教學項目，為了在教學情境中充分發掘學生的創造潛能，采用當堂對分的方式進行實施，即在一大節課（即2小節，共計100 min）中依次完成講授、內化和吸收、討論3個教學環節。

2.2"" 實施路徑

依據講授、內化和吸收、討論的順序進行課堂教學的實施，實施路徑如圖3所示。

項目式教學中的項目導入、相關知識部分發揮的作用分別是情境創設、知識生成，采用講授的方式實施；任務實施部分發揮的作用是能力建構，采用內化和吸收的方式實施；總結拓展部分發揮的作用是自我認知與群體智慧的協調，采用討論的方式實施。

講授環節由教師在項目導入、相關知識部分展開，主要講述復合材料庫存管理的基本原則、方法和技巧、庫存系統的架構、流程設計、信息管理等方面，這里不僅要注重知識點本身，還要注重知識點間的串聯關系，特別的要注重培養學生解決問題的框架性思維，在本環節學生接受知識，并形成對知識的認知能力。

內化和吸收環節在任務實施部分展開，主要涉及了復合材料物料管理能力、庫存優化能力、數據分析能力等的培養，學生在進行個性化學習的同時要完成“亮幫考”作業，在項目式對分課堂中，將“亮幫考”作業改造為“重難疑”登記單，“重”、“難”、“疑”分別代表的是實施過程的重點總結、難點總結、疑點總結，在此過程中雖然學生是主角，但是教師對于其學習活動不能毫不干預，教師需要在巡場中進行有針對性的點撥與輔導，其角色已經從內容的呈現者轉變為學習的教練，從內容的傳遞者轉變為學習的指導者。通過本環節，教師輔助學生主動探索知識，形成對知識的發現能力。

討論環節在總結拓展部分展開，培養學生與團隊成員、供應商和客戶有效溝通和協作的能力，共同推動航空復合材料庫存管理系統的優化和改進，通過思想的碰撞進行交互式學習，教師還需要進行討論環節的總結，對于共性問題及典型問題進行闡釋，促進學生將講授、內化和吸收兩個環節所獲取的系統化認知與討論環節生成的碎片化知識進行融合，促進能力的躍遷。本環節通過學生的分組討論和教師歸納總結，使學生主動交流學到的知識，形成對知識的升華能力。

3"" 實踐與效果評價

3.1"" 教學活動的組織

“航空復合材料庫存管理系統”每個教學項目下又分為若干子項目，例如：“數據的描述與計算”這個項目，可以分為數據表示、數據類型及操作、運算符和表達式3個子項目，以“數據類型及操作”這一子項目為例闡述教學活動的開展過程。講授環節共計用時30min，說明庫存管理對象為樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等，介紹每種復合材料的編號、名稱、規格、數量、質量、入庫日期、收料人及庫管員等項目背景信息，詳細闡述數據類型分類、整型數據、實型數據、字符型數據和數據操作等相關概念，并輔助典型的例題幫助學生理解；內化和吸收環節用時30 min，學生的任務是任意選擇其中一種復合材料，定義其庫存數據，主要采用實操的形式進行，學生編寫程序并進行調試；討論環節分為兩個階段，首先是小組內部討論，用時20 min，小組成員之間通過“重難疑”登記單進行交互學習，相互幫助使程序輸出正確的庫存結果，然后進行小組間的討論，隨機指定學生代表本小組進行成果展示，用時10 min；最后，教師根據巡場、成果展示中發現的問題進行總結，用時10 min，促進學生知識融合、能力躍遷。

3.2"" 教學效果的反饋

基于成果導向教育（OBE）理念，針對項目式對分課堂教學模式的效果評價采用定量評價與定性評價相結合的方式展開［14?15］。定量評價采用對比實驗的方式展開，將實施項目式對分課堂與傳統講授式課堂的班級學習成績進行對比，定性評價采用問卷調查及訪談的方式進行，從教師與學生兩個視角出發進行評價。

復合材料與工程專業的《程序設計基礎》的課程目標為3項，課程目標1：熟練掌握從程序設計到程序運行的工作流程，能夠將計算思維與復合材料與工程專業實際問題相結合，實現問題的合理抽象和建立可計算模型，為復合材料工程領域的問題提供計算解決方案；課程目標2：掌握C語言的基本語法、基本規則和基本數據類型，結合復合材料與工程專業的特點，深入理解結構化程序設計思想，并能夠利用編程技能解決復合材料工程領域的實際問題，包括模擬分析、數據處理等方面；課程目標3：培養學生的自主學習能力與專業技能發展意識，引導他們獨立自主地學習更廣泛的編程知識，并將其應用于復合材料與工程領域，提升其在該領域的創新能力和實踐能力。課程考核結束后，任課教師依據課程教學大綱和考核結果對課程目標達成情況進行統計，結果如圖4所示。

實施項目式對分課堂的班級課程目標達成度分別為：0.76、0.72、0.72，實施傳統講授式課堂的班級課程目標達成度分別為：0.72、0.68、0.71，說明進行課堂教學模式的創新后，學生的學習成果產出有一定提高。

參與授課的教師認為項目式對分課堂對教師的知識儲備與備課質量提出了較高要求，學生在內化和吸收、討論環節遇到的問題不是預設的，有較強的隨機性，在解答的過程中促進了教學相長，提高了教師的教學水平。85.23%的學生認為能夠實質參與到課堂活動中，79.46%的學生認為自己能夠較好地適應新型教學模式，85.23%的學生認為項目式對分課堂是一種有效教學模式。

4"" 結語

從復合材料與工程專業的編程需求出發，提出以“航空復合材料庫存管理系統”為主線構建學習內容，從時間維、能力維、邏輯維上設計了嚴謹的實施路徑，構造了項目式對分課堂教學模式，并開展了教學實踐，理論與實踐結果表明：

（1）項目式對分課堂采用當堂對分的方式開展，在“項目導入-相關知識-任務實施-總結拓展”的流程中實現了講授、內化和吸收、討論，教師與學生的雙主體地位保證了有指導的探究式學習活動貫穿始終，每一個實施環節的意義明確，可操作性強，具備在應用型本科院校中較好開展的特點；

（2）從《程序設計基礎》課程的教學反饋來看，定量評價方面，實施項目式對分課堂的班級在3個課程目標達成度上均高于實施傳統講授式課堂的班級；定性評價方面，教師認為推進項目式對分課堂教學對于教學能力的提高是很好的契機，大部分學生認為自己能夠較好地適應以及主動參與到項目式對分課堂中，這表明：項目式對分課堂對于教師與學生來講是一種互利共生的教學模式；

（3）項目式對分課堂是一種新型教學模式，對于其實施策略與路徑需要在教學實踐中不斷優化，推動課堂教學質量的高質量發展。

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