“材料工程基礎(chǔ)”課程改革與信息化教學(xué)實(shí)踐

摘 要：“材料工程基礎(chǔ)”是材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科課程體系中一門重要的專業(yè)核心課程。本文依托學(xué)習(xí)通智慧教育平臺(tái)，建設(shè)了“材料工程基礎(chǔ)”課程線上資源庫(kù)，采用課前預(yù)習(xí)、多形式互動(dòng)的課堂教學(xué)、課后鞏固練習(xí)的混合式教學(xué)模式，構(gòu)建了以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)、師生多方位互動(dòng)，集學(xué)、練、測(cè)、評(píng)為一體的智慧課堂教學(xué)模式，促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展，為畢業(yè)學(xué)生通過(guò)5年左右時(shí)間達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)中要求的實(shí)踐能力提供了支撐。

關(guān)鍵詞：材料工程基礎(chǔ)；教學(xué)改革；信息化教學(xué)

Abstract：\"Fundamentals of Materials Engineering\" is an important core course in the professional curriculum system of materials science and engineering.Relying on the SuperStarLearn education platform，this paper builds the online resource library of the course \"Fundamentals of Materials Engineering\"，adopts the hybrid teaching mode of preclass preview，multiform interactive classroom teaching and afterclass consolidation exercise，and builds a new smart classroom teaching model with students as the main body，teachers as the guide，teachers and students interacting in multiple directions，and integrating learning，practice，assessment and evaluation，which promotes the comprehensive and coordinated development of students' knowledge，ability and quality.It provides support for graduates to achieve the practical ability required in the talent training goal in about 5 years.

Keywords：Fundamentals of Materials Engineering；Teaching reform；Informationbased teaching

新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代浪潮奔騰而至，中國(guó)高等教育成為中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的最大紅利和牽引動(dòng)力。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。2018—2019年，教育部先后發(fā)文，明確各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度。一流本科課程應(yīng)突出教學(xué)理念的先進(jìn)性、課程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、課程內(nèi)容與資源的科學(xué)性和時(shí)代性、教學(xué)效果的顯著性等。

“材料工程基礎(chǔ)”是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程。由于材料的綜合性、多樣性和跨學(xué)科性，新材料的快速發(fā)展，工程研究方法和工程測(cè)試技術(shù)的顯著進(jìn)步，迫切需要對(duì)“材料工程基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，努力將其打造成為具有“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”的“一流課程”。將現(xiàn)代信息技術(shù)有效地融入課堂教學(xué)，是打造“一流課程”的有效途徑之一。學(xué)習(xí)通智慧教育平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)提供了有效的整體解決方案［14］。2020—2023年，我們依托學(xué)習(xí)通平臺(tái)，將現(xiàn)代信息技術(shù)融入“材料工程基礎(chǔ)”的課程改革中，顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。

一、凝練教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)

“材料工程基礎(chǔ)”的課程特點(diǎn)是：內(nèi)容多、新概念多、理論性與工程性強(qiáng)；公式多，對(duì)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理要求高。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的“材料工程基礎(chǔ)”教學(xué)內(nèi)容涵蓋了流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械、機(jī)械分離和固體流態(tài)化、傳熱學(xué)與傳熱基本設(shè)備、物料干燥以及工業(yè)上常用的各類燃料的熱工特征、燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備的特點(diǎn)，共計(jì)48學(xué)時(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)的遴選上，結(jié)合該校材料科學(xué)與工程的專業(yè)特點(diǎn)，突出材料生產(chǎn)加工過(guò)程的共性、普遍性問(wèn)題。下面以《材料工程基礎(chǔ)》1.4 節(jié)流體在管道內(nèi)的流動(dòng)內(nèi)容為例，講述如何凝練教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)。1.4節(jié)是第一章《流體力學(xué)基礎(chǔ)》的核心。如表1所示，1.4.1講述管道內(nèi)流動(dòng)的流體涉及的基本概念，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、流量和流速的描述，一般情況下，流量由生產(chǎn)任務(wù)決定，流速依據(jù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡決定。教學(xué)重點(diǎn)是如何根據(jù)不同流體在管道內(nèi)流動(dòng)的流速范圍來(lái)對(duì)管徑進(jìn)行估算，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐中的經(jīng)濟(jì)權(quán)衡原則。1.4.2的連續(xù)性方程重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)質(zhì)量守恒定律在穩(wěn)態(tài)管流中的具體應(yīng)用。1.4.3的教學(xué)重點(diǎn)是伯努利方程的具體推導(dǎo)過(guò)程和方程中各項(xiàng)的物理意義。14.4則突出了能量守恒定律在實(shí)際流體的穩(wěn)態(tài)管流中的應(yīng)用。1.4.5從畢托管和文丘里流量計(jì)的工作原理出發(fā)，通過(guò)實(shí)例講述伯努利方程在流速測(cè)量和流量測(cè)量中的工程應(yīng)用。

在教學(xué)內(nèi)容的凝練過(guò)程中，注重將相關(guān)領(lǐng)域具有時(shí)代性和前沿性的知識(shí)融入教學(xué)內(nèi)容中。例如，在講述燃料及其燃燒這一章節(jié)時(shí)，針對(duì)建材行業(yè)能耗占比高、污染排放大的現(xiàn)狀，將國(guó)家節(jié)能環(huán)保理念與傳熱學(xué)、燃料的高效燃燒技術(shù)融合，從傳熱學(xué)的角度講述如何有效利用能量，從燃燒學(xué)的角度講述如何提高熱值和降低燃燒過(guò)程的污染物排放等相關(guān)內(nèi)容。

二、注重多課程交叉融合

“材料工程基礎(chǔ)”課程安排在大三的秋季學(xué)期，學(xué)生對(duì)大一學(xué)過(guò)的高等數(shù)學(xué)與物理知識(shí)已經(jīng)不太熟悉，對(duì)方程推導(dǎo)的理解存在困難，感覺(jué)枯燥、乏味；學(xué)生尚未開(kāi)展生產(chǎn)實(shí)習(xí)，對(duì)該課程的工程應(yīng)用背景不了解，難以將理論基礎(chǔ)與工程實(shí)際相聯(lián)系。因此，在本課程的教學(xué)實(shí)踐中，注重本課程與其他課程之間的交叉融合，提升教學(xué)效果。

大二暑期的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生首次接觸材料相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，在該環(huán)節(jié)，注重引導(dǎo)學(xué)生提前關(guān)注材料生產(chǎn)加工過(guò)程中存在的流體輸送、固液和氣液分離、傳熱、物料干燥、燃料燃燒等共性過(guò)程。在大三秋季學(xué)期的“材料工程基礎(chǔ)”教學(xué)過(guò)程中，考慮到很多學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目中已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)的區(qū)別。例如，在實(shí)驗(yàn)研究中，不需要考慮加料時(shí)間；而實(shí)際的工業(yè)實(shí)踐中，如果要向一個(gè)100立方米的罐中加料，固體物料怎么加？液體物料怎么加？這就涉及物料的輸運(yùn)問(wèn)題。還有從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)的放大效應(yīng)，產(chǎn)生的深層次原因是什么？強(qiáng)調(diào)工業(yè)過(guò)程的可行性原則和經(jīng)濟(jì)性原則，鍛煉學(xué)生的工程思維能力。在大三春季工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境評(píng)估環(huán)節(jié)中，再次強(qiáng)調(diào)工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性原則。引導(dǎo)學(xué)生在后續(xù)的材料制備與性能實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、材料專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加深工程化的思想，深入領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)的區(qū)別與聯(lián)系。

三、依托學(xué)習(xí)通智慧教育平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息化

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式中，教師和學(xué)生之間的互動(dòng)大多通過(guò)課堂提問(wèn)的方式進(jìn)行，教師很難及時(shí)全面地掌控學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度。2020—2023年秋季學(xué)期，在“材料工程基礎(chǔ)”授課過(guò)程中，依托學(xué)習(xí)通智慧教育平臺(tái)，開(kāi)展了混合式教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)方法不再局限于教師一言堂，通過(guò)課堂搶答、選人、主題討論、評(píng)分、隨堂練習(xí)等多種形式進(jìn)行師生互動(dòng)或生生互動(dòng)，學(xué)生積極參與其中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大增強(qiáng)，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。

“材料工程基礎(chǔ)”線上資源庫(kù)是開(kāi)展信息化教學(xué)的前提。2020—2023年，依托學(xué)習(xí)通平臺(tái)，完成了“材料工程基礎(chǔ)”線上資源庫(kù)建設(shè)，線上資源庫(kù)包括章節(jié)設(shè)置、PPT課件、授課視頻和補(bǔ)充視頻資源、章節(jié)測(cè)試、課程相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充文獻(xiàn)、習(xí)題庫(kù)等。在“材料工程基礎(chǔ)”線上資源庫(kù)建設(shè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了本課程混合式教學(xué)的初步探索，混合式教學(xué)包括課前（線上）、課中（課堂）、課后（線上）三個(gè)階段。

（一）課前線上學(xué)習(xí)

教師在課前進(jìn)行線上教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)以及重點(diǎn)難點(diǎn)，推送課前學(xué)習(xí)資源，包括授課課件、授課視頻、補(bǔ)充資料等。在學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布課前線上學(xué)習(xí)通知，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。

（二）課中課堂教學(xué)

根據(jù)“課前”學(xué)習(xí)反饋，對(duì)學(xué)生集中存在的問(wèn)題在課堂上進(jìn)行重點(diǎn)講解、強(qiáng)化關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。課堂教學(xué)內(nèi)容的選取方面，基于以下四個(gè)方面：（1）針對(duì)章節(jié)中的核心知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)融匯重點(diǎn)講解。（2）進(jìn)行課程知識(shí)體系的構(gòu)建和思維拓展，對(duì)于整個(gè)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的連貫性，在“課中”進(jìn)行集中梳理。（3）通過(guò)搶答、選人、課堂練習(xí)、評(píng)分、分組作業(yè)展示等課堂互動(dòng)形式，檢測(cè)“課前”和上一階段學(xué)習(xí)的效果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的共性問(wèn)題。（4）針對(duì)學(xué)生普遍遇到的問(wèn)題，集中重點(diǎn)解答。

在“材料工程基礎(chǔ)”整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了多種形式的師生課堂互動(dòng)，包括投票、選人、搶答、隨堂練習(xí)、問(wèn)卷等環(huán)節(jié)。通過(guò)隨堂練習(xí)，能及時(shí)把控學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。與生活息息相關(guān)的問(wèn)卷調(diào)查，顯著激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如，講述第四章《熱量傳遞》的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處在北京市集中供暖前夕，據(jù)此設(shè)計(jì)了兩個(gè)課堂活動(dòng)。課堂活動(dòng)一是問(wèn)卷調(diào)查，主題是“11月15日就要開(kāi)始供暖了，為了提高室內(nèi)溫度，可以采取哪些措施？”學(xué)生的答案涵蓋各個(gè)方面，例如，增加暖氣片數(shù)量和散熱面積、采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料做暖氣片、在地面墻體鋪設(shè)保溫材料、開(kāi)空調(diào)、關(guān)窗關(guān)門、保證房屋密閉性、換個(gè)好窗戶、加裝雙層玻璃等。這些回答表明，學(xué)生基于日常生活實(shí)踐獲得了關(guān)于熱量傳遞的一些感性認(rèn)知。課堂活動(dòng)二是搶答，分析綜合樓教室供暖系統(tǒng)的傳熱過(guò)程。通過(guò)搶答的形式，將日常生活中的傳熱現(xiàn)象和兩種流體間的對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)起來(lái)，順利引入后續(xù)課程。

（三）課后鞏固練習(xí)

基于線上課程資源庫(kù)，學(xué)生根據(jù)不同程度鞏固練習(xí)，并完成章節(jié)測(cè)試、作業(yè)、主題討論等。依托學(xué)習(xí)通，實(shí)現(xiàn)師生一對(duì)一答疑討論，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。學(xué)生將自己的學(xué)習(xí)成果和反思總結(jié)并提交至學(xué)習(xí)通平臺(tái)，以進(jìn)行更大范圍的交流和傳播，也可以將其轉(zhuǎn)化為可重用、可再生的學(xué)習(xí)資源。

四、成績(jī)?cè)u(píng)定過(guò)程化

評(píng)價(jià)課程的考核對(duì)學(xué)生起著非常重要的引領(lǐng)和督促作用。通過(guò)課程考核，教師不僅能對(duì)學(xué)生所掌握的知識(shí)和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，且能引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度向最佳方向發(fā)展?！安牧瞎こ袒A(chǔ)”課程成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)過(guò)程中，教師綜合考慮課前、課中、課后、期末測(cè)評(píng)等各階段學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)成效，建立了基于教學(xué)全過(guò)程的評(píng)價(jià)和考核機(jī)制。

“材料工程基礎(chǔ)”課程的過(guò)程性評(píng)價(jià)占比50%。過(guò)程性評(píng)價(jià)從以下四個(gè)方面進(jìn)行：（1）學(xué)生的課堂互動(dòng)表現(xiàn)，包括簽到、隨堂練習(xí)、問(wèn)卷調(diào)查、投票、搶答、選人等環(huán)節(jié)。（2）平時(shí)作業(yè)，既有對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)考核的簡(jiǎn)單練習(xí)，也有考查學(xué)生歸納總結(jié)能力的思考題。針對(duì)本課程學(xué)時(shí)最多的流體力學(xué)基礎(chǔ)和熱量傳遞，設(shè)置了將本章節(jié)的內(nèi)容總結(jié)在一張A4紙上的作業(yè)，針對(duì)這項(xiàng)作業(yè)，學(xué)生需要對(duì)所學(xué)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)之間的相互聯(lián)系進(jìn)行梳理，是一個(gè)將所學(xué)知識(shí)由厚到薄的凝練過(guò)程。（3）分組任務(wù)，制作課件并講授，在輻射傳熱環(huán)節(jié)，學(xué)生分組制作PPT并講解，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。（4）章節(jié)測(cè)試，每一章節(jié)都設(shè)計(jì)了一次章節(jié)測(cè)試。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合該校材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)特色，依托學(xué)習(xí)通智慧教學(xué)平臺(tái)和自建的“材料工程基礎(chǔ)”在線資源庫(kù)，通過(guò)凝練教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)，多課程交叉融合，采用課前預(yù)習(xí)、多形式互動(dòng)的課堂教學(xué)（課堂練習(xí)、考勤、搶答、投票、測(cè)驗(yàn)、分組任務(wù)等）、課后鞏固練習(xí)等方式，實(shí)施了學(xué)習(xí)效果的過(guò)程性評(píng)價(jià)，構(gòu)建了以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的教學(xué)模式，促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展，為畢業(yè)學(xué)生通過(guò)5年左右時(shí)間達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)中要求的實(shí)踐能力提供了支撐。

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課題：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）本科教育質(zhì)量提升計(jì)劃一流課程建設(shè)項(xiàng)目（材料工程基礎(chǔ) A，20197）；超星產(chǎn)學(xué)合作育人項(xiàng)目（教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目），《材料工程基礎(chǔ)》混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，2019年第一批

作者簡(jiǎn)介：劉玉芹（1971— ），女，漢族，河南孟州人，博士研究生，副教授，主要研究方向：礦物資源綜合利用；鄧雁希（1968— ），女，漢族，河南林州人，博士研究生，教授，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）教師教學(xué)發(fā)展中心主任，主要研究方向：礦物資源綜合利用、教學(xué)教研及高等教育管理研究；張少剛（1990— ），男，漢族，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：礦物資源綠色加工；敖衛(wèi)華（1978— ），男，漢族，湖北武漢人，博士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)中心副主任，主要研究方向：礦物復(fù)合材料、固廢資源化利用。