專業(yè)認(rèn)證背景下材料科學(xué)與工程專業(yè)“固體物理”課程改革探索

摘 要 文章基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，即“以學(xué)生為中心”“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”，以南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程“固體物理”為主體，進(jìn)行課程教學(xué)改革及實(shí)踐探索。具體改革舉措為：凝練具體化、可觀測(cè)的課程目標(biāo)；實(shí)行成果導(dǎo)向延展教學(xué)內(nèi)容，并積極融入思政元素；建立“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)與線上指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)模式；圍繞學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出改革考核評(píng)價(jià)體系。本研究成果可在一些理論性強(qiáng)的專業(yè)課教學(xué)中推廣。

關(guān)鍵詞 工程教育專業(yè)認(rèn)證；固體物理；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.042

Reform and Exploration of the Solid State Physics Course in Materials Science and Engineering under the Background of Professional Certification

Abstract The article is based on the core concept of engineering education professional certification， which is "student-centered"， "output oriented"， and "continuous improvement". It focuses on the core course of Materials Science and Engineering at Nanjing University of Technology， "Solid State Physics"， and explores the reform and practice of course teaching. The specific reform measures include： refining concrete and observable curriculum objectives; Implement outcome oriented extension of teaching content and actively integrate ideological and political elements; Establish a student-centered blended learning and online guidance combined teaching model; Reform the assessment and evaluation system around the output of learning outcomes. The results of this study can be promoted in the teaching of some highly theoretical professional courses both domestically and internationally.

Keywords professional certification in engineering education; solid state physics; reform in education

工程教育專業(yè)認(rèn)證是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià)，其核心理念主要有“學(xué)生為中心”、以“產(chǎn)出為導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”[1-3]。開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，有助于提高我國(guó)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，促使工程教育能夠適應(yīng)行業(yè)、企業(yè)和社會(huì)的需求。課程教學(xué)是高校教育的核心環(huán)節(jié)，其開(kāi)展情況將直接影響人才的培養(yǎng)質(zhì)量[4]。通過(guò)幾年專業(yè)認(rèn)證工作的開(kāi)展，業(yè)界普遍認(rèn)為課堂教學(xué)是當(dāng)前工程教育改革的“最后一公里”軟肋，在整個(gè)專業(yè)認(rèn)證過(guò)程中至關(guān)重要[5]。

2019年，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)通過(guò)了高等工程教育專業(yè)認(rèn)證，2021年入選國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)并獲得江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程二期項(xiàng)目立項(xiàng)。 “固體物理”作為南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，起著連接基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的橋梁作用，注重以知識(shí)技能為載體開(kāi)展立德樹(shù)人工作，為材料科學(xué)與工程專業(yè)工程知識(shí)能力、問(wèn)題分析能力兩方面畢業(yè)要求的達(dá)成提供強(qiáng)支撐。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，基于“固體物理”課程，突出“學(xué)生為中心”，以“產(chǎn)出為導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”工程教育的理念，對(duì)課程進(jìn)行綜合性改革和持續(xù)改進(jìn)以提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 凝練具體化、可觀測(cè)的課程目標(biāo)

課程目標(biāo)通常是任課教師“意圖”涵蓋課程教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，以及其應(yīng)該對(duì)應(yīng)的學(xué)科（專業(yè)）問(wèn)題等，它與學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果或?qū)W生“產(chǎn)出”設(shè)定是有偏差的。首先，課程目標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果或者“產(chǎn)出”，特別是聚焦于學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后應(yīng)掌握什么。故課程目標(biāo)須是具體化的。其次，課程目標(biāo)還必須可測(cè)量。能通過(guò)一些具體的教學(xué)考核方式來(lái)衡量它的達(dá)成情況，同時(shí)課程目標(biāo)也必須能支撐畢業(yè)要求。課程組基于以上原則對(duì)“固體物理”的課程目標(biāo)進(jìn)行凝練，該課程目標(biāo)可用于支撐材料科學(xué)與工程專業(yè)的畢業(yè)要求1.2和2.2，具體如下。

課程目標(biāo)1：掌握固體物理學(xué)基本理論知識(shí)，建立固體物理學(xué)基本的概念和理論框架，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)專業(yè)知識(shí)用于材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化。

課程目標(biāo)2：能夠綜合應(yīng)用固體物理基本理論知識(shí)，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析，解決材料科學(xué)與工程專業(yè)相關(guān)的復(fù)雜工程問(wèn)題。

2 實(shí)行成果導(dǎo)向，改革教學(xué)內(nèi)容并積極融入思政元素

首先，“固體物理”課程體系龐大，教學(xué)內(nèi)容多、難度大，且學(xué)時(shí)有限。教學(xué)中教師很易偏重理論，著重講解煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或方程求解過(guò)程，不能緊密聯(lián)系材料科學(xué)的學(xué)科前沿，與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)脫節(jié)。其次，固體物理課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)、物理、量子力學(xué)等前修課程要求高，但材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生對(duì)應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致教學(xué)效果差。固體物理教學(xué)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。課堂教學(xué)應(yīng)結(jié)合課程的知識(shí)點(diǎn)適當(dāng)引入最新技術(shù)發(fā)展相關(guān)的內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)發(fā)展的聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

挖掘和設(shè)計(jì)課程中的思政教育案例并探索多元的融入途徑，充分利用時(shí)事熱點(diǎn)、科學(xué)研究前沿，結(jié)合固體物理基本知識(shí)與當(dāng)今熱門研究方向之間的緊密聯(lián)系，將愛(ài)國(guó)主義與科學(xué)精神等思政元素融入課堂教學(xué)。例如，在介紹晶格振動(dòng)部分，引入思政案例“黃昆：聲子物理第一人”。黃昆是世界著名物理學(xué)家、我國(guó)2001年度國(guó)家最高科技獎(jiǎng)獲得者。他在北京大學(xué)建立了我國(guó)自己的普通物理、固體物理和半導(dǎo)體物理三門課程的教學(xué)體系，培養(yǎng)了一大批半導(dǎo)體領(lǐng)域的人才。通過(guò)以上思政案例，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷，以及對(duì)老一輩科學(xué)家的崇敬之情，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家求真務(wù)實(shí)、實(shí)事求是、創(chuàng)新的思維。

目前，該課程已建立了24個(gè)課程案例庫(kù)，通過(guò)課程知識(shí)點(diǎn)與材料學(xué)科前沿緊密結(jié)合延展教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)思政案例的巧妙融入，既加深了學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知，也使學(xué)生對(duì)材料領(lǐng)域的行業(yè)、企業(yè)有所了解，提高其對(duì)專業(yè)的認(rèn)同度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力、愛(ài)國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任感。

3 建立“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)與線上指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)模式

固體物理課程理論性較強(qiáng)，被認(rèn)為是一門“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的課程。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是線下以教師為中心單向灌輸知識(shí)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力較差，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生主要是被動(dòng)地接受知識(shí)。本課程改革中“以學(xué)生為中心”采用混合式教學(xué)及線上指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)模式，如圖1所示?；旌鲜浇虒W(xué)綜合運(yùn)用中國(guó)大學(xué)MOOC、超星學(xué)習(xí)通等多種教學(xué)手段實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新意識(shí)以及思維。2022年9月“固體物理”課程在中國(guó)大學(xué)MOOC上線，目前已經(jīng)運(yùn)行兩輪。線上教學(xué)以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主，教師進(jìn)行引導(dǎo)和監(jiān)督。教師根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容以教學(xué)微課學(xué)習(xí)、主題討論帖、單元測(cè)試等方式展開(kāi)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生明確所需掌握的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在固體物理線上課中引入“國(guó)際科技熱點(diǎn)”討論板塊，加深學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知及對(duì)行業(yè)的了解，同時(shí)融入思政元素使知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值塑造融會(huì)貫通。此外，通過(guò)課后“思考題”討論，引發(fā)學(xué)生思考，鞏固知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)學(xué)生回帖討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。線下課堂教學(xué)以線上教學(xué)為基礎(chǔ)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解、深度討論、習(xí)題講解、答疑及單元線下測(cè)試等，學(xué)生圍繞知識(shí)點(diǎn)與教師積極互動(dòng)，學(xué)、思、練、做、用相結(jié)合。此外，學(xué)生通過(guò)超星學(xué)習(xí)通與教師建立高效、暢通的交流模式，將課程教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行時(shí)間和空間上的無(wú)縫對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)與線上指導(dǎo)相結(jié)合的教學(xué)模式。在實(shí)際授課過(guò)程中教師實(shí)時(shí)了解學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，做到有的放矢，不斷通過(guò)學(xué)情大數(shù)據(jù)分析，反思、及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容，持續(xù)改進(jìn)，提高教學(xué)效果。

4 圍繞學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出改革考核評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)的課程考核以期末考試成績(jī)占主導(dǎo)，采用平時(shí)成績(jī)+期末試卷成績(jī)的形式。平時(shí)成績(jī)包含課堂表現(xiàn)、出勤、作業(yè)等。其形式上過(guò)于單一，不能對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行客觀和正確的評(píng)價(jià)。課程考核評(píng)價(jià)如果只重視學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，卻忽略學(xué)生的能力的提升，很容易發(fā)生知識(shí)與能力脫節(jié)的問(wèn)題。例如，出勤情況只能反映該學(xué)生是否上課，而不能反映學(xué)生在課堂上是否認(rèn)真聽(tīng)課，是否認(rèn)真思考問(wèn)題。固體物理課程圍繞學(xué)生學(xué)習(xí)成果，設(shè)計(jì)了“多元”課程評(píng)價(jià)方式，制訂了多角度、全方位的課程評(píng)價(jià)體系，注重對(duì)學(xué)生過(guò)程學(xué)習(xí)和綜合能力的考核。同時(shí)從合理性原則出發(fā)對(duì)考核環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，強(qiáng)化過(guò)程性考核，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、診斷，找出教學(xué)中存在的不足和短板，為教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。具體的考核機(jī)制如圖2所示。過(guò)程性考核（30%），其中課堂討論、問(wèn)答情況（10%），課后作業(yè)（10%），課堂測(cè)驗(yàn)（10%）。線上課程成績(jī)（10%），其中視頻學(xué)習(xí)、討論（5%），思考題（2%），單元測(cè)試（3%）。期末試卷成績(jī)（60%）。通過(guò)教學(xué)過(guò)程質(zhì)量評(píng)價(jià)（課堂表現(xiàn)情況、線上課程學(xué)習(xí)情況、4次課后作業(yè)、4次針對(duì)性課堂測(cè)驗(yàn)），及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度與教學(xué)方法，從而提高教學(xué)效果。此外，評(píng)價(jià)主體不僅有教師，同時(shí)增加了學(xué)生自評(píng)和學(xué)生互評(píng)。學(xué)生可通過(guò)自評(píng)，主動(dòng)反思自己在學(xué)習(xí)過(guò)程中的成功與不足，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改善學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力。學(xué)生互評(píng)可以起到互相督促、互相學(xué)習(xí)的作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

5 總結(jié)

固體物理是南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，學(xué)生對(duì)固體物理知識(shí)的掌握程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果，甚至影響學(xué)生未來(lái)的職業(yè)發(fā)展方向。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，開(kāi)展基于“以學(xué)生為中心、以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”基本理念的“固體物理”課程教學(xué)改革及實(shí)踐探索，將促進(jìn)本校材料科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革，該課程在其他理論性強(qiáng)的專業(yè)課教學(xué)中有一定的推廣價(jià)值。

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