基于云平臺的材料類綜合實驗教學模式改革與實踐

南 輝，薛彩紅，王 剛，林 紅，陳慧媛，韋浩民

（1.青海大學機械工程學院，西寧 810016；2.青海民族大學化學化工學院，西寧 810007；3.清華大學材料科學與工程系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

2018 年，教育部明確提出，要加緊建設高水準的高等學校教育和培養(yǎng)人才的本領［1］，加速推進信息技術與教學的深層次融合，將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術深度應用到教學過程中［2］。

為了使我校學生符合新時代的需求，練就過硬本領，將基礎學科的知識融匯貫通，應用到實踐生產領域，完成這一過渡的最好橋梁就是綜合實踐教學環(huán)節(jié)［3-4］。本文以我校材料專業(yè)綜合實驗教學為例，分析了目前該專業(yè)的現(xiàn)狀與存在的問題，以融合互聯(lián)網(wǎng)技術的云平臺探索材料類專業(yè)綜合實驗教學解決方案，進而重塑老師與學生的關系，激發(fā)實驗教學活力。

1 材料類綜合實驗存在的問題

傳統(tǒng)的綜合性實踐教學只注重理論的基本驗證，實驗操作技能總是停留在：“做”和“學”層面上，而往往忽略了最重要的“思”。使得其僅僅體現(xiàn)了“開放性”與“實踐性”，而對培養(yǎng)學生的“創(chuàng)新性”與知識的“交叉性”并沒有很好的體現(xiàn)。這些問題主要表現(xiàn)在：

（1）實驗與理論聯(lián)系不足。在傳統(tǒng)的實驗教學中，由于學生較多、學時有限，在實驗原理、實驗內容、實驗儀器的介紹以及演示實驗方面，老師的實踐教學只能停留在表面，學生沒有充分領悟實踐的精髓造成僅僅只完成實驗操作，導致了教學效果不能得到保證。

（2）實驗資源不充足。由于儀器數(shù)量及實驗場地都有限，通常采用數(shù)人1 組的方式進行實驗。這樣就導致了不能保證每一位學生都能充分接觸、了解儀器原理和操作，直接影響到實驗教學效果。實驗考核方面，也無法準確評價每一個學生的動手能力強弱。

（3）綜合實驗創(chuàng)新性不夠。由于目前綜合性實驗以驗證性實驗為主，創(chuàng)新性與設計性實驗由于教學時間及實驗設備等因素很難體現(xiàn)在教學環(huán)節(jié)中，導致無法激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，更談不上提高本科生的創(chuàng)新能力。

（4）綜合實驗與現(xiàn)代信息技術聯(lián)系不足。目前，在綜合實驗教學中普遍使用多媒體授課。但是存在與實驗空間的結合性差，實驗動漫與視頻等平面教學要素難以表達等問題。例如在材料制備的課程上，雖有可以借鑒的制備步驟和流程，但無法呈現(xiàn)給學生，只能依靠老師的引導和示范來培養(yǎng)學生的空間想象能力。

鑒于材料專業(yè)綜合實驗環(huán)節(jié)的諸多不足，改變原有的綜合實驗教學模式勢在必行，為此，提出了“云平臺+激勵”教育理念，并重塑“老師與學生”的模式，進而構建應用型綜合實驗教學體系。

2 基于云平臺的材料類綜合實驗體系構建

2.1 綜合實驗項目的重塑

綜合實驗項目重塑的過程中，應注意以下3 方面的需要：①需要喚醒學生好奇心，激發(fā)其自主學習的原動力；②需要培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力；③需要充分發(fā)揮學生善于挑戰(zhàn)和勇于創(chuàng)新的潛能，利用高校與企業(yè)的平臺，使學生充當主體，最終培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、實踐能力以及團隊協(xié)作精神。

為了達到上述目標，增加了與實際有緊密聯(lián)系的、綜合性或設計性的實驗項目，使綜合實驗教學成為培養(yǎng)材料類專業(yè)學生應用型人才的一個重要平臺，同時也使綜合性實驗成為“趣味”課程。表1 所示為重塑前后綜合實驗項目的對比。

表1 重塑前后的綜合實驗項目及教學方式對比

從表1 可見，已對現(xiàn)有實驗內容進行了一些調整，既保留了能夠練習操作能力的驗證性實驗項目，又增加了與實際有緊密聯(lián)系的、綜合性或設計性的實驗項目。這些新的綜合性和設計性實驗項目不僅能調動學生的探究熱情，而且能很好地鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，同時也能培養(yǎng)其團隊協(xié)作意識。

2.2 云平臺的建立

為了使實驗內容生動地傳遞給學生，建立了云平臺，以期通過實驗動漫與視頻的形式使學生更能深刻地掌握實驗制備過程與操作流程［5-6］。

（1）材料類專業(yè)綜合實驗數(shù)據(jù)庫的建立。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要來源于企業(yè)和老師的科研，從而使實驗內容更容易“接地氣”。通過把各種素材和視頻資料的整合，從而使學生在實驗數(shù)據(jù)庫中直觀、自主的學習實驗相關內容。該模式有助于大學生對材料類專業(yè)綜合實驗內容的掌握，能起到事半功倍的教學效果。

（2）云平臺的建立。為了老師與學生使用方便，建立了能夠滿足實驗教學要求和課堂理論教學需求的云平臺［7-9］。該平臺基于互聯(lián)網(wǎng)技術，將實驗動漫、視頻等教學資源上傳到云端，借助云處理實現(xiàn)云端渲染，進而實現(xiàn)云平臺的建立（見圖1）。

圖1 建立的云平臺體系界面實例

該平臺由視頻教學資源、云服務器、網(wǎng)絡設施和管理平臺等要素組成，可以實現(xiàn)師生實時討論、實驗成績數(shù)據(jù)傳送等工作內容。其管理平臺包括登錄系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)、成績系統(tǒng)、討論系統(tǒng)等（見圖2）。

圖2 云平臺的管理平臺內容

該平臺的建立，強調了學生、師生之間的互動，鼓勵學生的自主性學習；同時可以最大限度地使每個學生能參與到實驗中，通過相互討論與考核引導學生重視實驗。

3 基于云平臺材料類綜合實驗體系的應用

該平臺的應用主要目的在于解決了學生在實驗中看不見、實驗資源不能高效利用以及解決實驗時空局限性等問題。使得老師從PPT 的文字教學轉化到視頻動漫，從一維空間到三維（空間、時間、視覺）的轉化。從而使實驗教學具有真實性、可視化等特點，進而提高學生學習的積極性。

3.1 應用云平臺的實驗教學

首先，傳統(tǒng)的教學只限于多媒體教學，教學方式和內容單一乏味，而且由于設備有限，不能滿足每個學生的需求。造成學生學習積極性下降。而云平臺的應用，一方面，教學不只限于多媒體，可以使用手機、電腦或者iPad，使教學突破了時空限制；另一方面，云平臺中的視頻動漫，皆取材于老師的科研或者地方企業(yè)的生產實踐（如亞洲硅業(yè)、鹽湖集團等），使學生不僅在動漫沉浸式教學環(huán)境下完成互動式、探究式學習，而且能夠使學生提前接觸生產實踐，熟悉不同領域的技術前沿，為今后走上工作崗位打下基礎，達到理論結合實際的目的。

3.2 云平臺的實驗教學“四步法”

以互聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，創(chuàng)立了“云平臺為主，微信和QQ為輔助”的實驗四步法：

（1）云預習。實驗前，學生通過手機、電腦、iPad，在線閱讀和預習相關實驗基礎知識，并上傳預習心得及遇到的問題。

（2）云講解。教師借助“線上視頻動漫+線下講解”等方式講解實驗內容。

（3）云指導。根據(jù)以前學生在實際操作中遇到的問題，老師錄制視屏和動漫，學生可利用“線上平臺（手機、電腦或者iPad）+線下討論”方式，解決實驗中遇到的問題并完成綜合實驗內容。

（4）云展示。老師借助云平臺對學生在實驗中的作品進行展示，并對好的作品進行點評，鼓勵其參加各類創(chuàng)新競賽。

3.3 云平臺考核實驗成績

學生在實驗結束之后，在規(guī)定時間內，上傳實驗報告或者作品圖片。實驗成績由指導老師、評閱人（不同組的學生）共同完成。同時，為了最大限度發(fā)揮實驗資源和激勵學生學習的積極性，允許學生多次完成實驗，記錄最好成績。其目的是改變了傳統(tǒng)實驗中部分學生渾水摸魚，使得期末考核方式也無法準確體現(xiàn)每一個學生的動手能力強弱。

4 云平臺材料類綜合實驗模式優(yōu)勢與成效

（1）重塑老師與學生關系。學生與老師隨時通過互聯(lián)網(wǎng)云平臺就能參與實驗教學，重塑老師與學生的關系，形成以教師為基點，輔以云平臺的手段、圍繞學生這一核心的云平臺實驗教學模式，有助于突破傳統(tǒng)實驗教學中瓶頸，同時由于引入老師科研與企業(yè)生產等“接地氣”的視頻動漫，將生產實踐中內容進行有效傳遞，達到培養(yǎng)學生實踐能力的目的。

（2）創(chuàng)新“云平臺+激勵”教學理念。一方面，通過對綜合實驗項目的重塑，增加了與實際有緊密聯(lián)系的綜合性或設計性的實驗項目，不僅使綜合實驗教學成為培養(yǎng)材料類專業(yè)學生應用型人才的一個重要平臺［10］，同時也使綜合實驗成為“趣味”課程，讓學生提前接觸不同的生產實踐，熟悉材料應用在不同領域的技術前沿，為今后走上工作崗位打下基礎［11-12］；另一方面，通過云平臺的綜合考評，選擇最佳作品，讓學生組隊參加各類創(chuàng)新性競賽，激勵學生的團隊協(xié)作與創(chuàng)新意識，從而達到培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才的目的。

（3）創(chuàng)新考核方式。一方面，為改變傳統(tǒng)實驗報告定分數(shù)的格局，引入實驗作品展示，并配以講解的環(huán)節(jié)，通過上傳云平臺進行線上考核，同時將優(yōu)秀作品進行線下展示與答辯；另一方面，為了實現(xiàn)實驗成績的公平性，引入不同組之間的互評方式，以提高學生參與實驗的積極性。經(jīng)上述兩方面的考評，從而實現(xiàn)實驗成績的公平性和真實性。

基于云平臺材料類綜合實驗教學新體系在我校應用后，其效果主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）通過云平臺的實踐與應用，一方面，我校材料類專業(yè)考取研究生的學生數(shù)量有了較大提高（2020 年的保研率為25%）。另一方面，我校材料類學生獲得各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的項目也顯著增長，另外還在2020年獲得第十二屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽中獲得了全國決賽銅獎。

（2）新體系中，云平臺中的視頻動漫，皆取材于老師的科研或者地方企業(yè)的生產實踐，使學生在實驗過程中更貼近企業(yè)實際生產，熟悉不同領域的技術前沿，有助于實現(xiàn)學生今后就業(yè)的“無縫銜接”。

5 結語

以互聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，構建了基于云平臺材料類綜合實驗教學體系與平臺。使綜合實驗教學完成了從一維（空間）到三維（空間、時間、視覺）的轉化，突破了傳統(tǒng)實驗時空的限制，達到師生隨時隨地地學習與討論，實驗資源最大化利用的目的。該平臺的構建重塑了老師與學生關系，更重要的是創(chuàng)新了綜合實驗教學理念和考核方式，既培養(yǎng)了學生扎實的專業(yè)知識，同時又賦予了學生較大的實踐創(chuàng)新能力提高的空間，必將有利于打造一流“綜合實驗課程”和服務地方經(jīng)濟建設。