基于PBL的翻转课堂模式在材料科学基础课程中的应用

于 岩 王玉慧 潘 虹 李智芳 杨长龙 李晓生

(齐齐哈尔大学 材料科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

材料科学基础课是材料科学等相关专业的基础必修课，课程内容抽象难懂，也是衔接四大基础化学与材料学科专业课的核心课程。随着时代的发展，现有课堂教学课时已难以满足需要。如何进行个体化材料科学基础课程教学改革是当前高校教学过程中的主要挑战[1-4]。传统教学主要采用 “灌输式”教学法，在此过程中教师是主体，学生被动式接受，课堂互动效果不佳，课程结束后，学生对内容已没多少印象。因此，本文从课题组在讲授材料科学基础课程中发现的问题出发，分析基于PBL的翻转课堂模式在材料科学基础课程中的应用效果，探索提高材料科学基础课程教学效果、提高学生学习能力的措施。

1 课程教学现状

齐齐哈尔大学材料科学与工程学院自2016年开设材料科学基础课程，授课对象为高分子材料工程、无机非金属材料工程、材料化学专业的学生，是三个专业的核心主干课程。课组选用上海交通大学出版社出版的《材料科学基础》(第三版)为教材，主要课程内容有原子结构与键合、固体结构、晶体缺陷和相图等内容[5]。课程的目标是使学生掌握材料科学的基础理论，理解材料的组成、结构、性能和加工的规律及相互联系，培养学生具有研究和创新的精神，引导学生树立远大的理想和正确的价值观。讲授本课程时存在的最大问题是，课程知识点太多，对于大三学生来说，内容相对抽象，很难理解。同时，材料科学基础又是一门要求多学科均衡发展的课程，若学生的知识储备不足，会给课程教学增加不少难度。另外，各专业的人才培养方案仅给材料科学基础课分配了48学时，在相对较短的课时内，讲授涉及面如此广的知识点，对教师和学生都是一个严峻的考验。针对以上情况，课组成员经过调研相关院校教学经验，决定尝试采用基于PBL的翻转课堂教学模式。希望通过比较该教学模式与传统教学模式的优缺点，找到更好的方法来帮助学生消化、理解相关知识点，夯实专业基础，提升专业素养。

2 PBL与翻转课堂模式的融合

PBL是 Problem-based Learning 的简称，译作 “问题导向学习”。PBL起源于20世纪60年代的加拿大，于2001年引入中国，如今已逐渐成为我国高等教育改革的一个发展趋势。PBL以问题为导向，以解决问题为主线，由学生自主去探究、交流讨论并进行小组合作去解决复杂或真实问题[7]。翻转课堂(Flipped Classroom)是近几年兴起的教学策略，即学生课前观看在线课程视频、完成在线测试，教师课中指导，学生展开讨论及练习等。将两者融合，可以实现互补，即PBL可以弥补翻转课堂上课外自主学习资源和系统化微课资源缺乏的不足，翻转课堂可以弥补PBL教学耗时费力的不足。在材料科学基础的教学过程中，将PBL与翻转课堂有效融合起来，是新时代教学改革的一条可行路径。

2.1 课前线上学习

正式上课前，教师将课程相关参考书、教学微视频、教学笔记、教学课件、课前自测、思维导图等资源上传到网络课程平台，学生要在上课前观看教学微视频，并完成课前自测。教学微视频时长约5～15分钟，一条微视频对应一个知识点。一堂2学时的课程，一般有3～4个微视频。课前自测一般 3～5题，题型为客观题，如判断题、单选题或多选题。学生课前约需30分钟来完成线上学习，对课程内容有基本的了解。例如第四章晶体缺陷共6学时3次课，第一次课2学时讲授第一节“点缺陷”。课组录制的微视频有《晶体缺陷及分类》、《点缺陷》、《空位平衡浓度》。学生需要在10分钟内回答以下所示三个课前自测题。教师上课之前了解学生观看微视频的时长及自测题的正确率，以此分析学生对不同知识点的掌握情况，并以此调整正式上课时对知识点学时的分配或对探究问题的布置。

(1) 晶体点缺陷包括( )

[A]空位 [B]间隙杂质原子

[C]置换杂质原子 [D]间隙原子

(2) 面缺陷是( )缺陷。

[A]零维 [B]一维

[C]二维 [D]三维

(3) 原子脱离原来的( )迁移到别处，在原位出现的空结点就是空位。

[A]平衡位置 [B]间隙位置

2.2 课堂上探究讨论

正式上课时，教师首先就网络课程平台上学生自测题回答情况进行小结，并对每道题得分百分率进行分析。接下来教师以生活中实例或科学前言对知识点进行导入，并逐一进行串讲梳理，涉及到课前测的相关内容要着重讲解，再布置讨论题，安排学生分组讨论。通过探究，学生可以深化理解知识点，通过小组讨论还有利于提高学生团结合作意识和形成健康的情感。在这个环节中，教师通过提出问题，并以示范、质疑以及鼓励等活动，促进学生对重要概念、原理等进行形象化理解，并帮助他们联系相关知识点拓展思路，以期学生成为自主的学习者。以第四章第一节为例，教师可以让学生结合课程知识点，思考一下问题：人类是否能够合成出完美的、无缺陷的材料；完美晶体有哪些特点；缺陷的作用有哪些等等。通过这些问题来引导学生们对晶体缺陷的思考，从而完成理想晶体与晶体缺陷这部分知识体系的教学，将学生们从被动听课，转换为主动探究的学习状态。

2.3 课后线下测试

课程结束后要安排学生对知识点进行回顾。具体方法为布置作业题或安排网络课程平台的测试。课后测试可设置3～5道题，包含课前测试时学生正确率低的题和扩展知识点的题目。测试题的类型也可以是客观题，难度要高于课前测试，这样才有利于检验学生对知识点掌握的程度。现在的大学生基本都是00后，个性比较强，试题太简单容易使学生产生怠倦心里，不利于激发学生潜能。

3 教学效果

3.1 提高了学生合理运用知识能力

通过基于PBL的翻转课堂模式，学生可以将理论知识用于解决实际问题。而且通过对线上扩展知识的学习，学生的知识可以跟上最新的理论前沿，达到了本课程的预期教学目的。通过分析学生期末试卷成绩分布情况，比较课改班学生与对照班学生的学习效果。以18-19-1学期为例，高分子材料与工程专业的材料科学基础课为48学时。为了更好比较，选高分子161～163班(共3个班级83生)为课改班，即采用基于PBL的翻转课堂教学模式进行授课，选高分子164～165班(共2个班级55生)为对照班，采用传统授课模式授课，期末采用相同试卷进行考核。如图1所示，课改班80分以上的学生占39.76%，不及格学生占比为4.82%；对照班分别为30.91%和7.27%。

3.2 激发了学生的学习兴趣

在基于PBL的翻转课堂模式中，学生能主动地学习相关基础知识，充分运用工具来获取自己需要的知识。课程结束后可以通过问卷调查来分析学生对课程的总体感受。对于客观题可以设置四个选项，分别是非常符合、比较符合、很难回答和很不符合，每次问卷调查，一定要有主观题，让学生对老师授课方法提出意见和建议。以18-19-1学期为例，问卷调查题目“我能对照书本上的插图来学习文字内容”，课改班学生(83生)中50.78%非常符合，42.19%选比较符合，7.03%选很难回答，没人选很不符合；对照班学生(55生)中61.36%选非常符合，27.27%选比较符合，11.36%选很难回答，没人选很不符合。考虑到不同课堂学生人数有所不同的情况，可见发现采用基于PBL的翻转课堂模式教学效果好于传统教学。

3.3 培养了学生的创新思维能力

在基于PBL的翻转课堂模式中，学生能够从复杂的现象中发现关键问题，在讨论的过程中，有些学生提出了很多有创新性的想法，这就锻炼了他们的创新思维，达到了本课程的预期教学目的。

3.4 提高了学生的口语表达力

在小组讨论过程中，每位学生都要表达自己的意见。教师还会鼓励和给予不善于表达的学生更多当众表达的机会，让学生间交流分享观点和心得体会，相互取长补短，这样就锻炼了学生的口语表达能力和社交能力。

3.5 提高了教师的综合素质

古语云“教学相长”。材料科学基础与很多化学类基础课程知识点密切相关，同时也与专业课密切相关。在PBL与翻转课堂相结合的过程中，教师也需要通过线上线下查找各种资料，丰富自己的理论知识。这样才能在学生讨论的过程中，掌控全场，更好地培养学生的创新思维能力，这个过程对于教师来说也是学习并提升的机会。

4 结语

材料科学基础是一门有着重要意义的专业基础课，课题组通过结合PBL教学法和翻转课堂，对传统的课堂教学进行了改革，发现新的教学模式可以激发学生的学习热情，取得了不错的教学效果。翻转课堂通过与PBL教学法相结合，能够更好培养学生分析问题和解决问题的能力，培养适应社会需要的、掌握初级技能的应用型人才，避免一些传统教学过程中的问题。希望通过不断的努力，能够推动材料科学基础课程的教学改革，为我国培养更多的创新型人才。