《材料物理性能》课程教学改革研究与实践

朱玲玲，张宗涛，周轶凡，张 良，刘洛强，张 星

(郑州大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

关键字：材料物理性能；线上线下混合式；教学质量

《材料物理性能》作为材料科学与工程的专业基础课，是学生掌握材料基本性能，判断材料优劣，正确使用材料和设计制造材料的坚实基础[1-2]。该课程涉及众多概念原理、公式推导和计算，旨在利用物理学理论阐述材料的宏观性能及规律[3]。传统的课堂教学仅通过课本学习以及教师讲解，授课的形式单一，课程考核形式单一，只注重结果而忽略了过程，师生之间缺乏互动交流，学生的疑惑和问题得不到有效的解决，这些都让该课程的教学效果大大折扣，进而导致学生对课程专业知识掌握不牢固，对后面深入学习相关的专业课程、完成毕业设计以及未来科研或工作都有着重要的影响[4-6]。而中国大学MOOC平台的风靡，“线上线下混合式”教学理念的提出有望改善当前课堂的状态，加强学生的学习积极性，提高课程教学效果[7]。该课程以“线上线下式混合教学”的教学形式代替“满堂灌”的传统教学形式，以学生为中心完善理论教学，创建适应学生个性发展、创业就业需要、符合培养目标和人才培养规格的新课程教学体系。

1 《材料物理性能》的教学现状

当前，《材料物理性能》课程的教学仍然是以老师为主导的“满堂灌”式传统教学模式展开，授课形式、教学内容和考核形式都过于单一，学生的个性、主动性以及创造性得不到充分的展示，再加上本课程复杂的概念原理、公式推导与计算，这些必将导致学生学习吃力，产生枯燥无聊、厌学不学的情绪[8-9]；国务院在《“十三五”国家信息化规划》中提出，要建设适合我国国情的在线开放课程和公共服务平台，支持具有学科专业和现代教学技术优势的高等院校开放共享优质课程，提供全方位、高质量、个性化的在线教学服务[10]。而在新型冠状病毒肆虐，学生不能返校的特殊时期，全国各个高校的慕课资源全部开放，以中国大学MOOC、腾讯会议、学堂云、学习通等学习平台为依托，开始进行线上授课，充分完成了“停课不停学”的教学任务[11]。自2013年以来，慕课以突出学习者的中心地位，提供碎片式的学习以及打破时空的界限等优势收到广大师生的欢迎。

为了提升教学质量，《材料物理性能》课程教学的建设和改革势在必行。基于慕课、专属在线课程(SPOC)或其他在线课程与线下面授有机结合，利用信息系统作为教学资源的载体，把“线上线下混合式” 授课作为教学活动的助推器；以学生适应社会需求为导向，以培养学生的学习能力、应用能力和创新能力为重点，促进知识、能力、素质的协调发展，对课程的理论教学和应用能力培养进行改革创新[12]。

2 “线上线下混合式”授课

“线上线下混合式”授课以多种形式的互动教学方法和信息技术的广泛使用，形成以学生为中心的个性化教学、探究式教学和翻转式教学。与以教材、教师和课堂为中心的旧教学理念不同，“线上线下混合式”授课以学生、社会知识和学术活动为中心，知识的输入在线上，而问题的解决与处理在线下，老师整体把握设计课程。这种以“线上线下混合式”授课为主要代表的教学方式的改革势必会冲击改变着现在的教学体系，高校和教师更应该顺应时代潮流，立足自身优势，展开特色教学，营造出有利于成长成才的教学环境，培养出具有自主力、创新力的人才[13]。为深入推进“线上线下混合式”授课的建设和改革，更好的展开理论教学，需要加强师资队伍建设、突出学生的中心位置、完善线上平台建设、进行科学考核和具备有效的质量监督体系。

2.1 加强师资队伍建设

课程的教学质量很大程度上取决于师资队伍的建设，师资队伍的能力和职业素养水平建设是推进课程建设和改革的关键。传统的教学方式是以教材和教师为知识的来源，老师拥有绝对的权威，束缚了学生的探索能力和创新能力；而现代的“线上线下混合式”授课，知识来源于整个社会，涉及的知识面广泛。因此，加强教师队伍的学习，有效了解与课程相关的最新研究成果, 能始终站在学科的前沿, 不断更新教学内容, 实现科研和教学相互促进[14]。在课程建设期间，主讲教师向国内外教学名师积极学习，利用网络公开课等线上资源、线下教学交流会议、国内其他单位调研、访学等机会，提高自己的专业水平。与此同时，课程团队教学具备强烈的改革意识、先进的教学理念，掌握基于社交网络的教学方式，熟悉多媒体、电子黑板等教学设备的操作使用；开展各类教学活动(包括疑点解答、小组讨论、课堂考试等，积极尝试案例式、讨论式、项目式等)，引入翻转课堂教学，注重因材施教，全面推进教学质量的提升。

2.2 突出以学生为中心

“线上线下混合式”教学模式改革的一大特点就是将学生放在教育教学的中心位置。老师根据中国大学MOOC平台线上每个人的反馈可以充分了解每一个同学学习状态，有利于因材施教，充分发挥学生的特长和优势，有效地促进师生之间、学生之间的交流互动和资源共享[15]。在线上，教师制定出可以达到最好效果的教学方案上传至线上平台，比如上传小视频带入同学们走入课堂内容；提出小问题让同学回答以深入学习，根据线上平台反馈出的结果，可以帮助老师了解学生的认知规律和接受特点，从而适当调整线下教学方案；而同学们根据自己的课前预习把遇到的问题及难点进行梳理，可在线下教学活动中积极与老师讨论。

特别是利用“翻转课堂”等形式，增强学生的自主学习意识。在《材料物理性能》连续三个学期的课程建设和改革过程中，翻转课堂效果突出。其中，在2019-2020学年，苏捷等同学为更深入地学习热膨胀在陶瓷领域的应用，利用网络查阅相关方面的知识，在课堂上介绍了陶瓷材料坯釉适应性与热膨胀的关系，让同学们拓展学习了坯体和釉的热膨胀系数与釉面纹路美丽的瓷器的本质联系；在2020-2021学年，王云飞、肖亦周和林致远等同学对聚合物先驱体陶瓷温度传感器产生浓厚兴趣，向同学们展示了这一领域的成果：通过合成SiAlBCN五元体系先驱体，采用新型的制备与连接方法，使温度传感器极限测温高达1300 ℃，且重复性良好，可在高温环境下长时间稳定工作。这些成绩和成果的展示，既发挥了学习中学生的主体作用，满足了他们的个性化学习，又拓宽了他们的眼界与思维，引发他们对专业知识更深一步的探索，大大加强了学生团队合作能力、沟通与表达能力、创新能力、思辨能力、多元思维等适应未来社会发展所需的综合能力和素质的培养[16]

2.3 丰富“线上线下”平台建设

课程设计遵循“两性一度”的“金课”标准(高阶性、创新性、挑战度)，重视课程资源与学习活动的有机融合[17]。该课程的核心是将材料性能与微观本质建设联系，内容比较抽象，课堂讲授的内容学生不容易理解和消化。“线上线下混合式”授课将系统制作题材广泛、内容丰富的多媒体教学资料库，不仅为教师组织课堂教学提供了优质素材，极大地方便了课堂教学；更是将各类材料性能具体应用案例及微观机制以视频、动画的形式直观和形象的演示出来，还可以利用著名的历史事件或热点新闻中的材料性能激发学生课前学习的兴趣。例如, 由于材料热胀冷缩，传统钢轨之间衔接处有专为钢轨受热膨胀伸长而设的缝隙，以避免在温度变化时钢轨产生相互挤压、扭曲和上拱，使铁路变形。但是，作为新时代深受大众喜爱最为便捷快速的交通工具，高铁轨道却采用的是无缝钢轨，引导学生思考“无缝钢轨是如何克服热胀冷缩呢？”。

其次，当启发学生带着热情与问题走进课堂后，在课堂上充分引导学生对学习内容深入思考，组织学生对发现的问题讨论思考，深化对理论知识的认知。课后除布置作业以巩固和强化学习成果，应鼓励学生基于先前课程内容对前沿的科学研究和学术发展及应用前景进行学习了解，定期举行讨论活动，对相关内容以视频、图片或者PPT等形式进行交流探讨，达到二次巩固知识的目的[18]。

此外，鼓励学生将课程学习内容应用于具体实践。在课程建设和改革过程中，引导有余力的同学积极参加各类创新实验项目及大学生数学建模竞赛等比赛，培养学生的创新能力、独立思考问题和解决问题的能力及应用能力等综合素质。课程建设期间，授课学生的竞赛成果丰硕。例如，苏捷参与发明的《一种压力传感器》被国家知识产权局授权；韦祎、王震霖和叶杨等以《掺硼金刚石规模化处理垃圾渗滤液的开拓者》项目荣获2020年河南省“互联网+”大学生创新创业大赛暨第六届中国“互联网”大学生创新创业大赛河南赛区选拔赛一等奖；苏捷、刘文龙和徐婷婷等创作的作品《陶瓷材料低温瞬时闪烧工艺设备》在郑州大学2019年节能减排社会实践与科技竞赛中荣获二等奖；吴泽等同学在第十三届“认证杯”数学中国数学建模网络挑战赛全国比赛第一阶段中荣获一等奖。

2.4 进行科学考核方式建设，加强过程考核

传统教学方式的考核是以期末考试为最终的成绩，考核方式单一，忽略了过程，不能全面地评价一个学生的学习情况，限制了学生的主动性和创造性。为了客观、合理、全面地考核学生课程的学习情况，“线上线下混合式”授课的考核包括过程考核和期末卷面考试两大部分，每一部分各占50%，过程与卷面并重。期末卷面考试方式为闭卷考试，着重对基本概念、基本理论、基本计算以及材料性能的改善和材料应用进行考查。过程考核具体又包括线上学习和课堂表现两大部分。线上学习由作业成绩、单元测试、论坛讨论活跃度及期末考试组成，课堂表现由慕课堂点名、提问、测试及翻转课堂所组成。“线上线下混合式”授课教学的模式分为如下步骤：

2.4.1 课前预习

在上课之前，任课教师根据自己的教学经验需要提前准备即将进行的教学内容,包括PPT课件、课前问题的设置、教学流程以及教学要求等资料，将相关资料传送至中国大学MOOC平台上，让同学们做好预习，记录好预习过程中的问题；

2.4.2 课 中

课堂正式开始后，通过慕课堂进行点名，确保所有同学到场上课；根据同学们在线上对设置问题回答的情况展开针对性的教学，针对学生们在学习过程中的问题进行交流讨论，解答他们的疑惑；课堂结束后，在中国大学MOOC平台上上传测验作业、作业题以及讨论题目；

2.4.3 课 后

对于同学们在讨论区的问题，及时答复；根据中国大学MOOC平台上的反馈的学习数据，充分把握每个学生的学习特点，做到因材施教，让每一个同学的个性和特点得到最大程度的张扬。同时，教师也要反思在教学过程中的不足，不断改进自己的教学方式和教学内容，从而提高以后的教学质量。

课程的期末总成绩在线上中国大学MOOC平台上由系统按照如下设置的比例计算出过程考核的总成绩：

(1)总成绩评分规则：

①课程总成绩=作业成绩×30%+单元测试成绩×30% +论坛讨论活跃度×5% + 期末考试×35%

②采用百分制计分，60分及以上为合格。

(2)分项评分规则

①作业：以带有研究性质的问答题为主。要求每位同学独立思考，并作答，占总成绩30%。

②单元测验：测验以单选题、多选题、判断对错题等客观题为主。系统自动评分，并记录前三次作答成绩，取最高分，占总成绩30%。

③论坛讨论表现：每学习单元的最后一讲会发布1个讨论话题，系统根据每位同学的参与度自动评分，占总成绩5%。

④期末考试：50道客观题，每题2分，满分100分，占总成绩35%。

线上与线下的高效结合，过程考核与期末卷面考试的相辅相成，有效避免仅由卷面考试成绩简单地评价学生学习效果的现象, 有利于更客观、更公正地评价学生的学习能力和学习成绩。

2.5 建立切实有效的课程质量监控体系

为了客观地评价课程的建设情况, 我们建立了有效的课程质量监控体系：(1)邀请学校和学院教学督导组专家对课堂教学进行定期和不定期的质量跟踪检查，并积极交流可改进之处；(2)通过网络留言、调查问卷的形式听取学生对教师的师德师风和授课水平、教学内容、考核考试等方面的意见，其中，在《材料物理性能》课程建设满意度调查问卷中，100%学生赞成“线上线下混合式”教学模式，认为自己的专业知识和综合能力得到提高，课程教学改革与实践成果显著。

通过倾听专家和学生的评价意见, 可帮助课程组教师及时总结课程教学的经验和教训，从而有针对性地改进教学工作和课程建设工作。教学过程全程有记录、可追溯、可测量，从资源、到教学、到管理全面打通，保证了从教学目标到教学资源、教学组织和教学评价之间数据有效的衔接性、整体性和科学性。

3 结 语

《材料物理性能》作为材料科学与工程专业的核心课程，知识点多且涉及面广，在“线上线下混合式”授课过程中突出材料的性能、结构、组成和制备工艺之间的关系，同时充分利用现代化信息平台，将最新的科研成果融入到理论教学中，充分提高了学生的理论能力、实践能力和创新能力。随着科技的发展和时代的需要，社会对人才的培养方式以及培养目的也在不断地发生变化，《材料物理性能》课程教学的内容和方式也将进行持续的调整和改革。课程改革任重道远，教学团队将砥砺前行！