“材料物理性能”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

王順，段磊，陳倩倩，杜蘇軒，馬秋花，張猛，蔡世昌，左宏森

（河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

“材料物理性能”是目前各高校材料與化工、材料科學(xué)與工程等工科專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)必修課程。針對其涉及知識面較廣，概念抽象有深度等特點(diǎn)，且該課程在培養(yǎng)方案中起到承上啟下的作用[1]，如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式和考核評價(jià)機(jī)制，對學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成具有重要的意義。

近幾年，河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對該課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、模式和評價(jià)方式進(jìn)行了全面的改革，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果顯著提升，課程達(dá)成度良好，對于推動國家一流本科專業(yè)建設(shè)提供了支撐作用。

1 教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容

1.1 教學(xué)目標(biāo)

近幾年，學(xué)院在明確材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的前提下，制定了本科生12項(xiàng)畢業(yè)要求[2]?！安牧衔锢硇阅堋闭n程主要支撐畢業(yè)要求中的“工程知識應(yīng)用能力”“研究與分析能力”和“終身學(xué)習(xí)能力”三個(gè)方面，要求能夠具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，掌握材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，分析材料組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系，并將基本理論和方法運(yùn)用于解決材料科學(xué)與工程專業(yè)的復(fù)雜工程問題。

本課程的教學(xué)目標(biāo)：①能正確掌握材料熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能相關(guān)的基本概念、微觀機(jī)理、性能參量和影響因素，為解決材料科學(xué)與工程專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題提供理論知識支撐；②能根據(jù)材料的組成、結(jié)構(gòu)等信息分析并預(yù)判材料的物理性能變化，并且通過結(jié)合材料專業(yè)其他課程的學(xué)習(xí)，能對材料專業(yè)復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行識別和判斷；③培養(yǎng)自學(xué)、分析的綜合能力，能夠追蹤學(xué)術(shù)前沿，關(guān)注材料物理性能領(lǐng)域的新動態(tài)、新知識，開展自主且持續(xù)性學(xué)習(xí)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的改革

“材料物理性能”課程內(nèi)容涉及材料熱學(xué)性能、材料導(dǎo)電性、材料磁學(xué)性能、材料介電性能和材料光學(xué)性能五個(gè)知識板塊。課程改革之前教學(xué)內(nèi)容以教材為主，重點(diǎn)講授“材料物理性能”的基本概念、物理機(jī)制、影響因素等基礎(chǔ)理論知識，涉及學(xué)科前沿和應(yīng)用的內(nèi)容較少，整體授課內(nèi)容難以支撐工程教育認(rèn)證對課程教學(xué)目標(biāo)的要求。經(jīng)過課程教研組討論，重新制定了教學(xué)大綱，以教材內(nèi)容作為參考，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿和工程應(yīng)用實(shí)際擬定新的教學(xué)內(nèi)容，以實(shí)例作為主線，將各板塊知識點(diǎn)進(jìn)行模塊化分解；同時(shí)，受授課學(xué)時(shí)限制，且學(xué)生專業(yè)知識積累欠缺，課程采取線上線下相結(jié)合模式授課，一方面線上學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，另一方面線下課堂授課可重點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例分析和討論。

2 教學(xué)模式

2.1 小班授課

受師生比、教學(xué)課時(shí)等因素的限制，大班授課是目前高校較為普遍的教學(xué)組織形式。由于本專業(yè)每屆學(xué)生人數(shù)均為200 多人，但主講教師僅有兩名，且承擔(dān)其他課程教學(xué)，“材料物理性能”課程改革前采取大班授課的教學(xué)組織形式，課堂學(xué)生數(shù)量在60人左右，授課過程中很難進(jìn)行有效的師生互動，學(xué)生在教學(xué)過程的參與度不高。針對這一問題，我們將本門課程由大班授課模式改為小班授課模式，課堂人數(shù)控制在30人左右，并增加了2名主講教師。經(jīng)過小班授課模式改革后，教師能夠有針對性地解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，師生之間的互動效果提升明顯。學(xué)生調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對教學(xué)組織形式滿意度由93.2%提升到97.3%，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極主動性由94.4%提升至97.3%。小班授課為本課程教學(xué)模式的改革初探，能夠提升線上線下相結(jié)合的案例試教學(xué)活動的效果。

2.2 線上線下混合式教學(xué)

線上線下混合式教學(xué)模式是將線上學(xué)生自學(xué)和線下課堂學(xué)習(xí)結(jié)合在一起的一種新型教學(xué)模式。近年來，線上線下混合式教學(xué)越來越受到國內(nèi)高校的重視，尤其在理論課程教學(xué)中得到廣泛運(yùn)用。線上教材、習(xí)題、視頻等課程資源可以充分滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，線下課堂側(cè)重探討和研究，從而實(shí)現(xiàn)從“教師為中心進(jìn)行知識灌輸”向“學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變。此外，超星學(xué)習(xí)通、騰訊課堂等線上平臺的建設(shè)也越來越完善，構(gòu)建了教學(xué)監(jiān)督、資源管理、互動討論、交流答疑、作業(yè)考試等綜合性課程平臺[3-4]。

基于“材料物理性能”課程知識點(diǎn)多，覆蓋面廣，學(xué)時(shí)受限等特點(diǎn)，單一的課堂教學(xué)難以達(dá)到滿意的教學(xué)效果，如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生充分了解并掌握該課程內(nèi)容是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。在改革之前，為了在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成本門課的授課內(nèi)容，往往只能精簡教學(xué)內(nèi)容，采取“滿堂灌”的教學(xué)模式，授課內(nèi)容也傾向于理論知識，學(xué)生在課堂上可能往往只是記住了結(jié)論，和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生在解決實(shí)際科研和工程問題時(shí)不能做到靈活運(yùn)用。改革后，本門課基于超星學(xué)習(xí)通線上平臺，完成了集教學(xué)監(jiān)督、視頻學(xué)習(xí)、章節(jié)測試、話題討論為一體的在線課程建設(shè)，同時(shí)設(shè)立了拓展，包含有多重功能性材料和器件相關(guān)的視頻和資料。由于課程未設(shè)置學(xué)生線上學(xué)習(xí)課時(shí)，本門課程線上教學(xué)活動主要包括：①課前自主學(xué)習(xí)，學(xué)生通過完成視頻學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，掌握基礎(chǔ)性知識；②課后復(fù)習(xí)，學(xué)生通過完成重難點(diǎn)視頻任務(wù)點(diǎn)，加深重難點(diǎn)知識的理解；③作業(yè)和章節(jié)測試，學(xué)生上傳章節(jié)思考題作業(yè)和完成章節(jié)測試，支持學(xué)生完成后查看答案。因此，通過線上平臺，學(xué)生在掌握一般性知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，課堂學(xué)習(xí)重點(diǎn)講授知識的重難點(diǎn)和案例分析討論，解決了課程學(xué)時(shí)少的問題，促進(jìn)了課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

2.3 案例式教學(xué)

“材料物理性能”課程中涉及較多抽象的物理基礎(chǔ)知識，致使學(xué)生認(rèn)為此課程重點(diǎn)為物理機(jī)制，感覺內(nèi)容枯燥。如果仍然按照常規(guī)的授課模式，會極大影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性變差[5]。案例教學(xué)法是上世紀(jì)20 年代由美國哈佛商學(xué)院提出的授課模式，通過采用商業(yè)管理的真實(shí)案例啟發(fā)學(xué)生主動參與課堂討論，頗具成效。在教學(xué)過程中，以案例作為素材來揭示某一個(gè)或幾個(gè)理論知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入特定的情境中思考，并啟發(fā)學(xué)生主動分析與解決問題，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力[6]?；诖?，本課程引入了生活、工程應(yīng)用和科技前沿三方面的案例，讓學(xué)生帶著疑問去思考案例中所涉及的課程知識，同時(shí)以案例作為主線將章節(jié)知識點(diǎn)串聯(lián)起來，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動性的同時(shí)，讓學(xué)生對分散知識有一個(gè)整體性的認(rèn)識。

授課過程中引入工程應(yīng)用案例，幫助學(xué)生理解抽象物理概念，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，例如，在材料導(dǎo)電性章節(jié)引入金屬電阻絲、硅鉬棒加熱元件、光敏電阻等實(shí)際工程應(yīng)用案例，引導(dǎo)學(xué)生去理解不同能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性的差異，以及溫度、合金元素、組織結(jié)構(gòu)等因素對材料導(dǎo)電性的影響。在材料能帶結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)引入半導(dǎo)體硅、不同金屬導(dǎo)電性差異等案例，引導(dǎo)學(xué)生理解材料導(dǎo)電性和能帶結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而講解能帶結(jié)構(gòu)的形成，將抽象的概念具體化講解，有助于加深學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識。

授課過程中引入科技前沿知識，并與相關(guān)課題的研究目的、內(nèi)容和方法相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力，例如，在材料的介電性能章節(jié)，結(jié)合介電玻璃、能密度電介質(zhì)、無鉛壓電陶瓷等研究熱點(diǎn)，引出這些類介電材料應(yīng)用背景、介電性能、目前研究現(xiàn)狀、研究思路等內(nèi)容，讓學(xué)生去思考有哪些物理參量去表征其介電性能？各物理參量的含義是什么？介電性能進(jìn)行改性的物理基礎(chǔ)是什么？通過這些問題將章節(jié)知識點(diǎn)整體串聯(lián)起來，一方面讓散亂的知識點(diǎn)變得更加系統(tǒng)，另一方面通過讓學(xué)生參與到關(guān)于電介質(zhì)材料的科技創(chuàng)新中，做到知識的活學(xué)活用，提升其創(chuàng)新能力，使學(xué)生獲得成就感。

3 考核方式

針對課程教學(xué)目標(biāo)，本門課程改變了傳統(tǒng)“重期末考試，輕平時(shí)成績”的終結(jié)性方式，將平時(shí)成績的比重由改革前的20%提高至40%，平時(shí)成績由章節(jié)思維導(dǎo)圖、思考題、線上學(xué)習(xí)、章節(jié)測試和拓展訓(xùn)練五部分組成，期末考試試卷更傾向于和實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，記憶性的知識點(diǎn)比重相應(yīng)降低。

（1）章節(jié)思維導(dǎo)圖：考查學(xué)生思維邏輯性和知識點(diǎn)的概括能力。

（2）思考題：多為實(shí)際應(yīng)用的案例綜合分析題，考查學(xué)生知識的綜合運(yùn)用能力。

（3）線上學(xué)習(xí)：依據(jù)學(xué)生線上視頻的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評定。

（4）章節(jié)測試：線上進(jìn)行，考查學(xué)生章節(jié)一般性知識點(diǎn)的理解能力和學(xué)習(xí)效果。

（5）拓展訓(xùn)練：要求學(xué)生以某一類材料或器件作為出發(fā)點(diǎn)，將材料的制備、組織結(jié)構(gòu)、物理性能、研究進(jìn)展、應(yīng)用等知識聯(lián)系起來，制作ppt演示文件，考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)和對專業(yè)知識的運(yùn)用能力。

（6）期末考試：試卷題型由單選題、多選題、判斷題、簡要分析題和綜合性試題組成，在滿足知識點(diǎn)覆蓋度的前提下，增加實(shí)際應(yīng)用案例分析的比重。

4 教學(xué)效果分析

為了解“材料物理性能”課程的改革效果，對2021年秋季學(xué)期材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生開展問卷調(diào)查活動，調(diào)查問卷涉及課程目標(biāo)達(dá)成、教學(xué)方式、考核方式等內(nèi)容，參與學(xué)生人數(shù)202 人。問卷調(diào)查結(jié)果顯示：①95%的學(xué)生認(rèn)為通過課程學(xué)習(xí)，能夠理解“材料物理性能”的基本變化規(guī)律及其各影響因素，為新材料設(shè)計(jì)和材料改性提供理論基礎(chǔ)知識支撐；95.5%的學(xué)生認(rèn)為通過課程學(xué)習(xí)，能夠根據(jù)實(shí)際需要，對測試結(jié)果、材料組成、結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行分析，預(yù)判材料的物理性能變化；96.5%的學(xué)生認(rèn)為通過課程學(xué)習(xí)，拓寬了材料專業(yè)的基礎(chǔ)理論知識，對材料組織結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用間的關(guān)系有了更深的理解，為今后工作和繼續(xù)深造積累了一定專業(yè)知識；②95.5%的學(xué)生認(rèn)為該課程考核內(nèi)容豐富，評價(jià)方式公正客觀，能夠促進(jìn)他們主動開展學(xué)習(xí)；③97%的學(xué)生認(rèn)為通過案例分析、情景模擬、問題研討等方法激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情和主動性；④課程總體滿意度為100%；⑤14.8%的學(xué)生認(rèn)為課程進(jìn)度安排合理性一般，可能是由于課程進(jìn)度較快，且學(xué)生自主學(xué)習(xí)工作量較大，下一步將進(jìn)一步優(yōu)化課程內(nèi)容和考核內(nèi)容。

5 總結(jié)

基于工程教育認(rèn)證的OBE 理念和國家一流本科專業(yè)建設(shè)的要求，針對“材料物理性能”課程的特點(diǎn)，在重修制定課程教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，設(shè)定了合理的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)手段和評價(jià)方法靈活多樣，教學(xué)效果、課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度得到有效提升，為學(xué)院專業(yè)建設(shè)和創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供了有力支撐。