材料科學(xué)基礎(chǔ)課程全周期互動(dòng)式教學(xué)的改革探索

毛海軍 萬 紅 朱利安 劉希月

國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系，湖南 長沙 410073

一、概述

如果以青銅器時(shí)代為起點(diǎn)，把約7000年的材料發(fā)展歷史壓縮到一天，每1小時(shí)相當(dāng)于291年，在這一天的前23 個(gè)小時(shí)里，材料的發(fā)展極其緩慢，幾百上千年才會(huì)出現(xiàn)一種新材料，材料的飛速發(fā)展集中在最后的1小時(shí)內(nèi)，尤其是最后半小時(shí)呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展。材料的迅猛發(fā)展得益于材料科學(xué)的不斷發(fā)展和日益完善。材料科學(xué)的重要性在于其發(fā)展是人類文明演進(jìn)的標(biāo)志。人類歷史的分期都是以制作生活生產(chǎn)工具的材料為標(biāo)志的，比如石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代，以及現(xiàn)在以高分子材料、電子材料等為代表的新材料時(shí)代。材料科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)著人類社會(huì)的進(jìn)步。此外，20 世紀(jì)70年代人們把材料、信息、能源作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱；20 世紀(jì)80 年代，隨著高技術(shù)群的興起，又把新材料技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。因此，材料科學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱。鑒于材料科學(xué)在社會(huì)發(fā)展中的重要性，各大院校幾乎都開設(shè)立了材料科學(xué)專業(yè)。

材料科學(xué)的主要任務(wù)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、性質(zhì)和效能之間的關(guān)系，這四者也被稱為材料科學(xué)四要素。而材料科學(xué)基礎(chǔ)課程介紹的正是與四要素相關(guān)的基本概念、四要素之間相關(guān)作用相互影響的基本原理，以及利用四要素之間的相互關(guān)系進(jìn)行材料開發(fā)和制備的基本方法。這就決定了材料科學(xué)基礎(chǔ)在材料類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案中的課程地位。材料科學(xué)基礎(chǔ)是最重要的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，它是所有材料類專業(yè)課的基礎(chǔ)，是整個(gè)材料專業(yè)課程體系的核心與紐帶，其他專業(yè)課都是在它的某個(gè)分支上的延伸或者是在此基礎(chǔ)上的拓展。例如材料分析測試課程是以材料科學(xué)基礎(chǔ)課程講述的材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)的，材料加工原理課程則是以材料結(jié)構(gòu)的形成和轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，材料失效與防護(hù)課程是對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程涉及的材料的使用效能和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系等相關(guān)知識(shí)進(jìn)一步延伸，工程材料學(xué)和功能材料學(xué)課程則是對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程講述的材料科學(xué)四要素的全面深化，并且材料科學(xué)基礎(chǔ)課程也是指導(dǎo)學(xué)生完成材料綜合實(shí)踐及本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

二、材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革內(nèi)容

（一）課程施教難度及改革必要性分析

通過對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)將達(dá)到如下學(xué)習(xí)目的：使學(xué)生掌握材料科學(xué)的基本概念和基本原理；幫助學(xué)生建立材料科學(xué)研究的基本思維體系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決材料工程實(shí)際問題的能力；為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程、從事材料科學(xué)研究和工程技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。針對(duì)該教學(xué)目的，本課程要講授的重點(diǎn)內(nèi)容包括“晶體學(xué)基礎(chǔ)”“固體材料的結(jié)構(gòu)”“晶體缺陷”“材料的塑性變形”“回復(fù)與再結(jié)晶”“固體中的擴(kuò)散”“相圖理論”“凝固理論”和“固態(tài)相變”共九章內(nèi)容，其中“晶體學(xué)基礎(chǔ)”“固體材料的結(jié)構(gòu)”和“晶體缺陷”主要是圍繞固體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及如何描述固體結(jié)構(gòu)展開，“材料的塑性變形”和“回復(fù)與再結(jié)晶”則是講述在力、熱等作用下材料結(jié)構(gòu)的形成與轉(zhuǎn)化規(guī)律。另外，“晶體學(xué)基礎(chǔ)”“固體材料的結(jié)構(gòu)”“晶體缺陷”“材料的塑性變形”和“回復(fù)與再結(jié)晶”這五章也可歸結(jié)為材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，也就是金屬強(qiáng)化理論。“固體中的擴(kuò)散”和“相圖理論”分別從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)角度闡述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，“凝固理論”和“固態(tài)相變”則是利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。由此也可以看出，首先，本課程內(nèi)容龐雜、理解和記憶難度大，具體表現(xiàn)在原理規(guī)律多：涉及原理、規(guī)律幾十個(gè)；概念定義多：名詞、定義近300個(gè)；關(guān)聯(lián)學(xué)科多：物理、化學(xué)、金屬及陶瓷等；抽象內(nèi)容多：微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程看不見、摸不著。其次，材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料專業(yè)學(xué)生的首門專業(yè)課，學(xué)生在此前幾乎無專業(yè)基礎(chǔ)。本課程的開課時(shí)間為大二下學(xué)期和大三上學(xué)期，處于學(xué)生的課業(yè)高峰期，兩學(xué)期平均周學(xué)時(shí)都在20 課時(shí)以上，學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)重。再加之目前新時(shí)代國防和軍隊(duì)建設(shè)迫切需求新型軍用材料工程專業(yè)人才，促成了“強(qiáng)軍新工科”理念的發(fā)展。而工科教育更注重學(xué)生的全方位發(fā)展，增加了各種實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，導(dǎo)致新一輪培養(yǎng)方案中基礎(chǔ)理論課程的課內(nèi)學(xué)時(shí)大幅壓縮。因此，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)最大限度地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率成為當(dāng)務(wù)之急。

（二）教學(xué)改革手段及措施

針對(duì)該情況，我們利用雨課堂這款智慧教學(xué)工具實(shí)施全周期互動(dòng)式教學(xué)改革，將教學(xué)過程拓展為課前、課中和課后三個(gè)環(huán)節(jié)。“雨課堂”是清華大學(xué)教育辦公室和MOOC 平臺(tái)“學(xué)堂在線”教育開發(fā)的一款將“教育”和“互聯(lián)網(wǎng)”糅合在一起的混合式教學(xué)軟件，通過構(gòu)造“智慧課堂”充分利用信息化技術(shù)手段提高教育教學(xué)質(zhì)量。首先，利用“雨課堂”可以將用于普通課堂教學(xué)的PPT 課件傳輸?shù)绞謾C(jī)微信，再利用微信公眾號(hào)傳送到學(xué)生手機(jī)微信，讓學(xué)生們?cè)谖⑿派嫌^摩授課過程，突破了傳統(tǒng)教室內(nèi)空間的限制，而且在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生可以實(shí)時(shí)反饋信息，方便教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。其次，利用“雨課堂”可以實(shí)現(xiàn)在線測試和研討?！坝暾n堂”擁有在線答題功能，在授課過程中教師可以隨時(shí)通過“雨課堂”推送測試題給學(xué)生，實(shí)時(shí)檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，便于教師了解學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。此外，教師還可以通過“雨課堂”推送預(yù)習(xí)資料、課后作業(yè)和復(fù)習(xí)資料等教學(xué)資源，學(xué)生可以隨時(shí)隨地查看并進(jìn)行碎片化和自主化學(xué)習(xí)，同時(shí)將遇到的問題實(shí)時(shí)反饋給老師。因此，利用“雨課堂”可以實(shí)現(xiàn)“課前自學(xué)—課中互動(dòng)—課后鞏固”的全周期互動(dòng)式教學(xué)環(huán)節(jié)：課前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容及預(yù)習(xí)問題，完成知識(shí)記憶、知識(shí)引用及拓展；課中聚焦知識(shí)主線的學(xué)習(xí)，采用預(yù)習(xí)效果及已學(xué)知識(shí)的測試，問題的引入、問題的研討，知識(shí)點(diǎn)的梳理與講解的形式，完成知識(shí)要點(diǎn)的學(xué)習(xí)；課后環(huán)節(jié)，通過作業(yè)完成知識(shí)的理解與應(yīng)用，通過課外拓展問題的研討深化對(duì)知識(shí)的理解及能力的培養(yǎng)?！坝暾n堂”的全周期互動(dòng)式教學(xué)能夠動(dòng)態(tài)地反映整個(gè)教學(xué)過程，突破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制，使學(xué)生更高效輕松地學(xué)習(xí)。具體改革措施包括：

1.重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容。梳理知識(shí)體系，理清教學(xué)主線，將教學(xué)內(nèi)容劃分為知識(shí)主線及主線的引申兩大部分，使教學(xué)過程中的知識(shí)脈絡(luò)更加清晰，學(xué)生更加易于理解和掌握。結(jié)合教學(xué)模式改革，加強(qiáng)課程中的基礎(chǔ)理論與材料科學(xué)和工程的聯(lián)系，依據(jù)布魯姆認(rèn)知模型，提升課程的高階性，并注重能力培養(yǎng)與價(jià)值體系的塑造。

2.改進(jìn)教學(xué)模式。研討型教室與“雨課堂”軟件相結(jié)合，構(gòu)建智慧教室，采用小班化分組模式開展教學(xué)。通過案例式教學(xué)、問題式教學(xué)、研討式教學(xué)、動(dòng)態(tài)考核等方式，開展以學(xué)生為學(xué)習(xí)中心的教學(xué)模式改革，注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與參與性，提升課程挑戰(zhàn)度，注重創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。在教學(xué)過程中，始終營造認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境，使思政教育潤物無聲。

3.加強(qiáng)課程資源建設(shè)。為配合教學(xué)模式改革，不斷優(yōu)化課件內(nèi)容，在課件上用更多的問號(hào)和省略號(hào)代替句號(hào)、感嘆號(hào)；不斷完善視頻資源、教具、模型、案例庫、分級(jí)試題庫的建設(shè)。分級(jí)試題庫包括強(qiáng)化基本概念及基本理論掌握的基礎(chǔ)題庫、強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用和提升課程挑戰(zhàn)度的綜合題庫（包括計(jì)算題、問答題、綜合分析題、案例解決方案設(shè)計(jì)、設(shè)定目標(biāo)達(dá)成的解決方案等）。優(yōu)質(zhì)課程視頻用于引導(dǎo)學(xué)生的課外學(xué)習(xí)。教具、動(dòng)畫將微觀結(jié)構(gòu)可視化，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變形象化。針對(duì)材料科學(xué)的工程應(yīng)用背景，引入大量貼近生活生產(chǎn)、貼近武器裝備的使用與維修、貼近科技前沿與裝備發(fā)展的案例，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，培育學(xué)生“探本求真”的科學(xué)態(tài)度和“姓軍為軍”的使命意識(shí)。

4.改進(jìn)考核方式。借助“雨課堂”軟件，將單一的終結(jié)性考核轉(zhuǎn)化為涵蓋課前、課中和課后的過程性考核與最終考核相結(jié)合的方式，其中過程考核占比40%，最終考核占60%?？己朔绞降母母锾嵘苏n堂活躍度，提高了教學(xué)的針對(duì)性，也使學(xué)習(xí)成績?cè)u(píng)價(jià)更為合理。

（三）改革措施實(shí)施案例簡介

下面以反應(yīng)擴(kuò)散這節(jié)內(nèi)容的教學(xué)為例，介紹全周期互動(dòng)式教學(xué)方式的實(shí)施。課前通過“雨課堂”發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容及預(yù)習(xí)問題，引導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)的線上視頻課程及教材章節(jié)的學(xué)習(xí)。課中，首先利用“雨課堂”進(jìn)行課前測試，測試學(xué)生對(duì)前序知識(shí)及預(yù)習(xí)內(nèi)容的掌握程度。而后，通過兩個(gè)例子“齒輪表面通過滲碳獲得一定深度滲碳層以增大強(qiáng)度提高耐磨性”與“空氣中置放一定時(shí)間的金屬表面易形成一定厚度的氧化層”提出問題：滲碳層和氧化層是如何形成的？有新相形成的擴(kuò)散體系中，擴(kuò)散組元及新相的分布有何特點(diǎn)？通過問題的引入，引導(dǎo)學(xué)生了解本次課要解決的問題是什么；通過對(duì)常見的純金屬板的氧化過程的研討，引導(dǎo)學(xué)生知道如何解決問題，再將研討過渡到基本概念及基礎(chǔ)理論的全面闡述，完成知識(shí)的講解；通過“雨課堂”發(fā)布課堂練習(xí)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用，通過對(duì)課堂練習(xí)問題的進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)，開展高階性訓(xùn)練，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解；最后通過研討貼近軍事科技前沿的案例“高超聲速飛行器的鼻錐和翼前緣表面Ir 改性熱防護(hù)涂層的制備”，引燃課堂，進(jìn)一步拓展知識(shí)的應(yīng)用，培養(yǎng)創(chuàng)新性科學(xué)思維及分析解決問題的能力。課后，通過“雨課堂”的討論區(qū)發(fā)布與案例相關(guān)的拓展問題：你能分析一下影響涂層厚度的主要因素嗎？若要得到擴(kuò)散元素在涂層中的擴(kuò)散激活能，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？由此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課外研討，深化基礎(chǔ)理論的應(yīng)用。如上所述利用“雨課堂”進(jìn)行全周期互動(dòng)式教學(xué)，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時(shí)，也注重了對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

三、結(jié)語

通過全周期互動(dòng)式教學(xué)方式的改革，我們創(chuàng)新了教學(xué)內(nèi)容：凝練了材料科學(xué)基礎(chǔ)理論的知識(shí)核心及發(fā)展主線，強(qiáng)化了材料科學(xué)基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐和科學(xué)研究的聯(lián)系，注重課程思政建設(shè)，重構(gòu)了重視知識(shí)、能力與價(jià)值共同培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的獲得感。優(yōu)化了教學(xué)模式：結(jié)合信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源，通過聚焦知識(shí)主線的課內(nèi)學(xué)習(xí)、強(qiáng)化自我學(xué)習(xí)能力及知識(shí)應(yīng)用與拓展能力培養(yǎng)的課外學(xué)習(xí)，拓展了教學(xué)空間，突出了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位。教學(xué)改革使課堂教學(xué)的效率顯著提高，課堂活力顯著增強(qiáng)，并強(qiáng)化了科學(xué)方法與科學(xué)思維的培養(yǎng)，提升了課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。豐富了教學(xué)資源：動(dòng)畫、教具的建設(shè)使微觀結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變可視化，降低了課程學(xué)習(xí)難度；通過分級(jí)試題庫的建設(shè)，支撐了對(duì)知識(shí)記憶、理解、應(yīng)用及深化能力的培養(yǎng)；通過優(yōu)質(zhì)課程視頻資源的建設(shè)，使學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力得到提高；通過案例庫的建設(shè)，加強(qiáng)了基礎(chǔ)理論課程與生產(chǎn)生活、武器裝備和科學(xué)研究的關(guān)聯(lián)度，并有效地支撐了課程教學(xué)的實(shí)施及課程目標(biāo)的達(dá)成。改革了考核方式：以形成性考核取代了單一的終結(jié)性考核，增強(qiáng)了課堂活力，及時(shí)掌握了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，也使學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)更為科學(xué)合理。

國防科技大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)是為全軍培養(yǎng)通用專業(yè)和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才。材料科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)具備武器裝備試驗(yàn)、使用、維護(hù)和維修能力和解決材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)際問題的能力，以及具備在試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)、無人作戰(zhàn)、新概念武器、人工智能等領(lǐng)域任職所需的材料科學(xué)與工程專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐技能，為提高我軍信息化作戰(zhàn)能力、新型裝備的發(fā)展和新型戰(zhàn)斗能力的生成貢獻(xiàn)關(guān)鍵力量。材料科學(xué)基礎(chǔ)作為軍用材料工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，在達(dá)成人才培養(yǎng)目標(biāo)的過程中發(fā)揮著極其重要的作用。在平時(shí)的教學(xué)中，我們只有與時(shí)俱進(jìn)，不斷進(jìn)行教學(xué)改革創(chuàng)新，積極探索新的教學(xué)方式，全面提高教學(xué)效率，方能不辱使命。