工程材料專業(yè)復(fù)合教學(xué)模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)踐效果

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料與工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，構(gòu)建以目標(biāo)為導(dǎo)向、學(xué)生通過實(shí)質(zhì)參與進(jìn)行有效學(xué)習(xí)的格局，提出基于對分課堂與項(xiàng)目式教學(xué)的緊耦合關(guān)系構(gòu)建復(fù)合型教學(xué)模式。以《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程為對象，以“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”為主線構(gòu)建項(xiàng)目式對分課堂教學(xué)模式，從實(shí)施策略和實(shí)施路徑進(jìn)行了理論分析與實(shí)踐探索。實(shí)踐效果表明：項(xiàng)目式對分課堂實(shí)施過程明確，有較強(qiáng)的可操作性，對教師與學(xué)生雙方的能力都有一定的提升，符合應(yīng)用型本科院校課程教學(xué)特點(diǎn)，是一種互利共生的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料與工程；教學(xué)模式；對分課堂；項(xiàng)目式教學(xué)；緊耦合

中圖分類號：TQ050.4+3""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)合材料與工程是研究將兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合構(gòu)成新材料的學(xué)科，旨在探索材料的設(shè)計(jì)、制備、性能評價和應(yīng)用，以滿足科學(xué)和工程領(lǐng)域的需求［1?2］。復(fù)合材料與工程的專業(yè)特點(diǎn)決定了在程序設(shè)計(jì)課程中，要求學(xué)生掌握基本編程思維、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，能夠編寫程序進(jìn)行材料性能模擬、工藝優(yōu)化、高性能數(shù)值計(jì)算和模擬等相關(guān)工作。

為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要引入與復(fù)合材料相關(guān)的案例和實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)在該領(lǐng)域的具體應(yīng)用和意義，同時要融入相關(guān)的編程項(xiàng)目，讓學(xué)生通過實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐掌握程序設(shè)計(jì)技能。鑒于此，本文針對復(fù)合材料與工程專業(yè)特點(diǎn)構(gòu)建程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方案，以期形成課堂教學(xué)的高效運(yùn)行，為應(yīng)用型本科院校的課堂教學(xué)提供參考。

1"" 模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1"" 需求分析

1.1.1"" 制造工藝的復(fù)雜性

復(fù)合材料的制造過程通常比傳統(tǒng)材料更復(fù)雜，需要特殊的工藝和設(shè)備，可能導(dǎo)致庫存系統(tǒng)中的倉儲管理更加復(fù)雜［3?4］，需要確保庫存系統(tǒng)能夠有效管理不同類型的復(fù)合材料庫存，并及時調(diào)整庫存水平以滿足需求。

1.1.2"" 質(zhì)量控制難度大

復(fù)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(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性則需要更加嚴(yán)格的監(jiān)控和測試，需要保證庫存系統(tǒng)中的復(fù)合材料符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以減少不良品和庫存損耗。

綜上分析，庫存系統(tǒng)對于復(fù)合材料的產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，因此結(jié)合我校航空特色，提出以“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”為主線開展《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)。將“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”進(jìn)行解構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)包括以下教學(xué)模塊：歡迎界面；數(shù)據(jù)的描述和計(jì)算；數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算與輸出；庫存的判斷與處理；數(shù)據(jù)的批量處理與統(tǒng)計(jì)；數(shù)據(jù)的批量存儲、計(jì)算與排序；模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)的查找與統(tǒng)計(jì)；信息的記錄定義與數(shù)據(jù)處理；文件訪問與存取。

將教學(xué)模塊確定好之后，就需要對教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在幫助復(fù)合材料與工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)編程知識與技能的同時，能夠全方位地體驗(yàn)這個實(shí)際的工程任務(wù)，從而提高編程能力和解決實(shí)際問題的能力，并時刻關(guān)注復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展趨勢和技術(shù)更新。

1.2"" 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

對分課堂是由復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授于2014年首次提出［5］，這種教學(xué)模式融合了講授式課堂和討論式課堂的特點(diǎn)，通過在教師授課和課堂討論中間插入學(xué)生自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，形成了講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）、討論（Discussion）的清晰流程，實(shí)現(xiàn)了集中學(xué)習(xí)時間和個性化學(xué)習(xí)時間的對分，教師和學(xué)生權(quán)責(zé)的對分［6?8］。對分課堂的實(shí)施簡練明確，適用于不同學(xué)段、不同學(xué)科、不同規(guī)模的教育教學(xué)活動［9?10］，因此該教學(xué)模式具有很大的再創(chuàng)造空間，可以根據(jù)復(fù)合材料與工程的專業(yè)特點(diǎn)與學(xué)情性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)課堂的有效教學(xué)。

在應(yīng)用型本科院校中，項(xiàng)目式教學(xué)是普遍認(rèn)可的教學(xué)模式［11?12］。復(fù)合材料與工程專業(yè)課程的項(xiàng)目式教學(xué)以能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，使學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中全面提升綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)。對分課堂的首要目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從學(xué)生成長的角度來講，項(xiàng)目式教學(xué)與對分課堂是互補(bǔ)的，將對分課堂和項(xiàng)目式教學(xué)在形式與內(nèi)容上進(jìn)行重構(gòu)后建立緊耦合關(guān)系，理論上就可以實(shí)現(xiàn)以目標(biāo)為導(dǎo)向，學(xué)生通過實(shí)質(zhì)參與進(jìn)行有效學(xué)習(xí)的格局。

將“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”的每一個模塊經(jīng)過化簡、抽象、整合后開發(fā)教學(xué)項(xiàng)目，并與教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)與耦合。教學(xué)項(xiàng)目從時間維、能力維、邏輯維3個方面展開實(shí)施，具體如下：時間維是指課堂教學(xué)中從初始到發(fā)展按照時間順序排列的全過程，主要內(nèi)容是講授、內(nèi)化和吸收、討論；邏輯維是指在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中從簡單到復(fù)雜遵循思維程序展開的全過程，主要內(nèi)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(yùn)用的全過程，主要內(nèi)容是認(rèn)知、發(fā)現(xiàn)、升華。時間維、能力維、邏輯維的主要內(nèi)容是一一對應(yīng)的關(guān)系。

綜合分析后，將每個教學(xué)項(xiàng)目構(gòu)造為“項(xiàng)目導(dǎo)入-相關(guān)知識-任務(wù)實(shí)施-總結(jié)拓展”的4大部分，構(gòu)造的項(xiàng)目式對分課堂教學(xué)模式如圖2所示。

在這種模式下，課堂教學(xué)中具有明確的知識點(diǎn)與技能點(diǎn)，充分呈現(xiàn)了以目標(biāo)為導(dǎo)向的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中教師與學(xué)生的雙主體地位保證了將有指導(dǎo)的探究式學(xué)習(xí)貫穿始終，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目式教學(xué)與對分課堂有機(jī)融合。

2"" 項(xiàng)目式對分課堂實(shí)施方法

2.1"" 實(shí)施策略

對分課堂具有當(dāng)堂對分和隔堂對分兩種實(shí)施方法［15］，當(dāng)堂對分指的是講授、內(nèi)化和吸收、討論3個環(huán)節(jié)在同一次課中完成；而隔堂對分將3個環(huán)節(jié)分布于兩次課，一般采用的是教師當(dāng)次講授，課下學(xué)生通過自學(xué)以及完成教師布置的作業(yè)實(shí)現(xiàn)內(nèi)化和吸收，下次課中教師組織學(xué)生開展討論。對于項(xiàng)目式教學(xué)來講，為了實(shí)現(xiàn)具體的成果展示，促進(jìn)學(xué)生的持續(xù)積累、不斷提升，一般來說需要在一個集中的時間段內(nèi)完成教學(xué)的整個流程?！昂娇諒?fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”主題下的教學(xué)項(xiàng)目，為了在教學(xué)情境中充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，采用當(dāng)堂對分的方式進(jìn)行實(shí)施，即在一大節(jié)課（即2小節(jié)，共計(jì)100 min）中依次完成講授、內(nèi)化和吸收、討論3個教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.2"" 實(shí)施路徑

依據(jù)講授、內(nèi)化和吸收、討論的順序進(jìn)行課堂教學(xué)的實(shí)施，實(shí)施路徑如圖3所示。

項(xiàng)目式教學(xué)中的項(xiàng)目導(dǎo)入、相關(guān)知識部分發(fā)揮的作用分別是情境創(chuàng)設(shè)、知識生成，采用講授的方式實(shí)施；任務(wù)實(shí)施部分發(fā)揮的作用是能力建構(gòu)，采用內(nèi)化和吸收的方式實(shí)施；總結(jié)拓展部分發(fā)揮的作用是自我認(rèn)知與群體智慧的協(xié)調(diào)，采用討論的方式實(shí)施。

講授環(huán)節(jié)由教師在項(xiàng)目導(dǎo)入、相關(guān)知識部分展開，主要講述復(fù)合材料庫存管理的基本原則、方法和技巧、庫存系統(tǒng)的架構(gòu)、流程設(shè)計(jì)、信息管理等方面，這里不僅要注重知識點(diǎn)本身，還要注重知識點(diǎn)間的串聯(lián)關(guān)系，特別的要注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的框架性思維，在本環(huán)節(jié)學(xué)生接受知識，并形成對知識的認(rèn)知能力。

內(nèi)化和吸收環(huán)節(jié)在任務(wù)實(shí)施部分展開，主要涉及了復(fù)合材料物料管理能力、庫存優(yōu)化能力、數(shù)據(jù)分析能力等的培養(yǎng)，學(xué)生在進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)的同時要完成“亮幫考”作業(yè)，在項(xiàng)目式對分課堂中，將“亮幫考”作業(yè)改造為“重難疑”登記單，“重”、“難”、“疑”分別代表的是實(shí)施過程的重點(diǎn)總結(jié)、難點(diǎn)總結(jié)、疑點(diǎn)總結(jié)，在此過程中雖然學(xué)生是主角，但是教師對于其學(xué)習(xí)活動不能毫不干預(yù)，教師需要在巡場中進(jìn)行有針對性的點(diǎn)撥與輔導(dǎo)，其角色已經(jīng)從內(nèi)容的呈現(xiàn)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的教練，從內(nèi)容的傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的指導(dǎo)者。通過本環(huán)節(jié)，教師輔助學(xué)生主動探索知識，形成對知識的發(fā)現(xiàn)能力。

討論環(huán)節(jié)在總結(jié)拓展部分展開，培養(yǎng)學(xué)生與團(tuán)隊(duì)成員、供應(yīng)商和客戶有效溝通和協(xié)作的能力，共同推動航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，通過思想的碰撞進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)，教師還需要進(jìn)行討論環(huán)節(jié)的總結(jié)，對于共性問題及典型問題進(jìn)行闡釋，促進(jìn)學(xué)生將講授、內(nèi)化和吸收兩個環(huán)節(jié)所獲取的系統(tǒng)化認(rèn)知與討論環(huán)節(jié)生成的碎片化知識進(jìn)行融合，促進(jìn)能力的躍遷。本環(huán)節(jié)通過學(xué)生的分組討論和教師歸納總結(jié)，使學(xué)生主動交流學(xué)到的知識，形成對知識的升華能力。

3"" 實(shí)踐與效果評價

3.1"" 教學(xué)活動的組織

“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”每個教學(xué)項(xiàng)目下又分為若干子項(xiàng)目，例如：“數(shù)據(jù)的描述與計(jì)算”這個項(xiàng)目，可以分為數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)類型及操作、運(yùn)算符和表達(dá)式3個子項(xiàng)目，以“數(shù)據(jù)類型及操作”這一子項(xiàng)目為例闡述教學(xué)活動的開展過程。講授環(huán)節(jié)共計(jì)用時30min，說明庫存管理對象為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等，介紹每種復(fù)合材料的編號、名稱、規(guī)格、數(shù)量、質(zhì)量、入庫日期、收料人及庫管員等項(xiàng)目背景信息，詳細(xì)闡述數(shù)據(jù)類型分類、整型數(shù)據(jù)、實(shí)型數(shù)據(jù)、字符型數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作等相關(guān)概念，并輔助典型的例題幫助學(xué)生理解；內(nèi)化和吸收環(huán)節(jié)用時30 min，學(xué)生的任務(wù)是任意選擇其中一種復(fù)合材料，定義其庫存數(shù)據(jù)，主要采用實(shí)操的形式進(jìn)行，學(xué)生編寫程序并進(jìn)行調(diào)試；討論環(huán)節(jié)分為兩個階段，首先是小組內(nèi)部討論，用時20 min，小組成員之間通過“重難疑”登記單進(jìn)行交互學(xué)習(xí)，相互幫助使程序輸出正確的庫存結(jié)果，然后進(jìn)行小組間的討論，隨機(jī)指定學(xué)生代表本小組進(jìn)行成果展示，用時10 min；最后，教師根據(jù)巡場、成果展示中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，用時10 min，促進(jìn)學(xué)生知識融合、能力躍遷。

3.2"" 教學(xué)效果的反饋

基于成果導(dǎo)向教育（OBE）理念，針對項(xiàng)目式對分課堂教學(xué)模式的效果評價采用定量評價與定性評價相結(jié)合的方式展開［14?15］。定量評價采用對比實(shí)驗(yàn)的方式展開，將實(shí)施項(xiàng)目式對分課堂與傳統(tǒng)講授式課堂的班級學(xué)習(xí)成績進(jìn)行對比，定性評價采用問卷調(diào)查及訪談的方式進(jìn)行，從教師與學(xué)生兩個視角出發(fā)進(jìn)行評價。

復(fù)合材料與工程專業(yè)的《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的課程目標(biāo)為3項(xiàng)，課程目標(biāo)1：熟練掌握從程序設(shè)計(jì)到程序運(yùn)行的工作流程，能夠?qū)⒂?jì)算思維與復(fù)合材料與工程專業(yè)實(shí)際問題相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)問題的合理抽象和建立可計(jì)算模型，為復(fù)合材料工程領(lǐng)域的問題提供計(jì)算解決方案；課程目標(biāo)2：掌握C語言的基本語法、基本規(guī)則和基本數(shù)據(jù)類型，結(jié)合復(fù)合材料與工程專業(yè)的特點(diǎn)，深入理解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，并能夠利用編程技能解決復(fù)合材料工程領(lǐng)域的實(shí)際問題，包括模擬分析、數(shù)據(jù)處理等方面；課程目標(biāo)3：培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與專業(yè)技能發(fā)展意識，引導(dǎo)他們獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)更廣泛的編程知識，并將其應(yīng)用于復(fù)合材料與工程領(lǐng)域，提升其在該領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。課程考核結(jié)束后，任課教師依據(jù)課程教學(xué)大綱和考核結(jié)果對課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

實(shí)施項(xiàng)目式對分課堂的班級課程目標(biāo)達(dá)成度分別為：0.76、0.72、0.72，實(shí)施傳統(tǒng)講授式課堂的班級課程目標(biāo)達(dá)成度分別為：0.72、0.68、0.71，說明進(jìn)行課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新后，學(xué)生的學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出有一定提高。

參與授課的教師認(rèn)為項(xiàng)目式對分課堂對教師的知識儲備與備課質(zhì)量提出了較高要求，學(xué)生在內(nèi)化和吸收、討論環(huán)節(jié)遇到的問題不是預(yù)設(shè)的，有較強(qiáng)的隨機(jī)性，在解答的過程中促進(jìn)了教學(xué)相長，提高了教師的教學(xué)水平。85.23%的學(xué)生認(rèn)為能夠?qū)嵸|(zhì)參與到課堂活動中，79.46%的學(xué)生認(rèn)為自己能夠較好地適應(yīng)新型教學(xué)模式，85.23%的學(xué)生認(rèn)為項(xiàng)目式對分課堂是一種有效教學(xué)模式。

4"" 結(jié)語

從復(fù)合材料與工程專業(yè)的編程需求出發(fā)，提出以“航空復(fù)合材料庫存管理系統(tǒng)”為主線構(gòu)建學(xué)習(xí)內(nèi)容，從時間維、能力維、邏輯維上設(shè)計(jì)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)施路徑，構(gòu)造了項(xiàng)目式對分課堂教學(xué)模式，并開展了教學(xué)實(shí)踐，理論與實(shí)踐結(jié)果表明：

（1）項(xiàng)目式對分課堂采用當(dāng)堂對分的方式開展，在“項(xiàng)目導(dǎo)入-相關(guān)知識-任務(wù)實(shí)施-總結(jié)拓展”的流程中實(shí)現(xiàn)了講授、內(nèi)化和吸收、討論，教師與學(xué)生的雙主體地位保證了有指導(dǎo)的探究式學(xué)習(xí)活動貫穿始終，每一個實(shí)施環(huán)節(jié)的意義明確，可操作性強(qiáng)，具備在應(yīng)用型本科院校中較好開展的特點(diǎn)；

（2）從《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)反饋來看，定量評價方面，實(shí)施項(xiàng)目式對分課堂的班級在3個課程目標(biāo)達(dá)成度上均高于實(shí)施傳統(tǒng)講授式課堂的班級；定性評價方面，教師認(rèn)為推進(jìn)項(xiàng)目式對分課堂教學(xué)對于教學(xué)能力的提高是很好的契機(jī)，大部分學(xué)生認(rèn)為自己能夠較好地適應(yīng)以及主動參與到項(xiàng)目式對分課堂中，這表明：項(xiàng)目式對分課堂對于教師與學(xué)生來講是一種互利共生的教學(xué)模式；

（3）項(xiàng)目式對分課堂是一種新型教學(xué)模式，對于其實(shí)施策略與路徑需要在教學(xué)實(shí)踐中不斷優(yōu)化，推動課堂教學(xué)質(zhì)量的高質(zhì)量發(fā)展。

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