多模态理论视角下高校课程教学模式探索——以计算机在材料工程中的应用为例

文志勤 王鸣泽 李 优 邹正光 吴 一

（桂林理工大学材料科学与工程学院，广西 桂林 541004）

0 引言

计算机在材料工程中的应用是材料学科的一门重要专业必修课程，它有助于加强学生对专业课知识的理解并转化为实践，同时夯实学生专业基础，提升科研能力。在全面推进新工科建设的大背景下，无论是学生还是教师都面临着严峻的挑战。当代大学生需要拥有很强的计算机应用能力，才能适应新工科教育改革的新要求， 材料类专业学生在学习材料科学与工程的基础理论和工艺时，需掌握用计算机来解决材料科学中的问题。但这门课程本身具有知识面广、理论性强、内容偏多等特点，在高校目前的教学模式下很难有效地开展。如何对高校的教学模式进行改革， 培养出满足当今社会发展所需的具有极强计算机应用和实践能力并且可以独立解决材料工程中所面临的一系列棘手问题的新一代材料人，成为当前的重要任务。基于更好地让学生主动的接受课堂知识以便于更好地掌握实践技能，本文以计算机在材料工程中的应用课程为例，将多模态理论应用在教学育人的全过程。

1 多模态理论的意涵

多模态理论在某种意义上是人类通过视觉、听觉、味觉、触觉以及嗅觉五种感知能力跟外部环境之间进行的互动。这也符合著名语言学家顾曰国教授的理论，人类是通过感觉器官同外界进行交流的。由此诞生了不同的交际模式：单模态和多模态。传统单模态是学生通过一种或两种模态感知文化知识，获得文化信息。而多模态理论是将多种感官，如声音、图像以及动作等，融合在一起获取文化知识和信息。相比于单模态理论下的教材中心、课堂中心、教师中心的传统教育体系。多模态理论教学模式更注重在平等的原则下，培养学生实践动手为主的学习形式。因此，多模态理论的教学模式是一种通过建构学习共同体，明确主题、学生参与及自主学习，成员间互相交流、讨论和分享以促进学生实践能力。基于此，将视、听、说的多模态理论应用于课程教学，能够充分发挥学生的主观能动性，有利于营造自由开放的课堂环境，摆脱传统课堂死气沉沉的教学氛围，使学生更好更快的走入课堂获取知识。

2 计算机在材料工程中的应用课程教学现状以及教学模式探索

2.1 计算机在材料工程中的应用课程教学现状

由于该课程知识覆盖面广泛、理论性强、深度和难度大，在目前高校的应试教育的模式下，该课程教学中仍存在许多问题。一是课程内容多，且前沿知识相对匮乏；二是课程教学重理论轻实践，科教育人体现不足；三是教学模式单一，教学方法缺乏理论指导，以“学生为中心”的理念不凸显。这就使学生很难真正将理论和实践结合起来，严重影响了课程的育人效果。因此，如何让学生积极主动的学习计算机方法来解决材料领域的一系列问题， 将计算软件和材料的实际应用有机结合起来，成为当前课程改革的方向和重点。

2.2 计算机在材料工程中的应用课程教学模式探索2.2.1 丰富教学内容，体现科教融合

从宏观上来讲，计算机在材料工程中的应用是一门时效性很强的课程， 因此必须对教学内容进行改革。一是整合、丰富教学内容，去除已经淘汰的教学内容。例如，数学模型及数值求解方法知识陈旧，计算机模拟部分的蒙特卡洛模拟、元胞自动机、相场法理论性强且本科生较少应用该理论解决实际问题， 因此，摈弃该部分的课程内容；计算机应用于材料检测与现代材料检测方法及其实验课重叠， 移除该部分内容。二是注重前沿知识的更新，普适前瞻性概念和应用实例。例如，在授课过程中讲授材料基因方法的理念及其在材料科学领域的应用；同时让学生课后查阅材料基因方法在计算材料方面的具体实例，课上与其他学生分享这一实例。这种指向特定的学习任务或学习目标的多模态教学方式，有助于增强师生、生生之间相互交流，人人参与互动，分享知识和资源，培养学生自主学习和实践动手能力。

在教学过程中实现科教融合。教师可以通过增加计算机在材料科学中的前沿性和创新性成果对学生进行普及，并通过设计一些问题来推动学生的实践能力。例如，在讲授计算机在材料设计中的应用时，不再以固定案例作为教材，而是查阅最新的文献进行实例讲授，从视觉上、听觉上拓宽学生的知识面。同时结合材料设计软件——Materials Studio 让学生进行实践操作和练习。既让学生掌握相关的前沿知识，又注重培养学生实践动手能力，从而调动学生的学习兴趣，通过在课堂中增强实操练习突显科教育人。课后，布置开放课题，让学生形成创新小组，利用所学计算软件预测材料结构和性能，完成科研问题探索，培养学生的创新能力，实现以科研育人的目标。基于此，利用多模态理论从视觉、听觉、实践等方面灵活完成课程的教学任务。

2.2.2 革新教学方法和手段，发挥网络教学优势

现有的课程教学多采用板书、PPT 的传统教学模式，对实践性很强的课程来讲已再不适用。如第一性原理的理论方法，学生们理解起来很困难，听起来更是枯燥无味，若仍采用传统教学方法则达不到预期效果。因此，采用故事教学法进行概述讲解，通过图片和视 频 介 绍 哈 特 里（Hartree）、福 克（Fock）、霍 恩 伯 格（Hohenberg）和科恩（Kohn）等科学家的事迹和贡献，进一步讲解Hartree-Fock 方程、非均匀电子系统的密度泛函理论和求解多体系统基态的Kohn-Sham 方程，将第一性原理的理论基础以故事形式串连，让学生从视觉、听觉和触觉等多个模态获取该理论知识。同时，增加第一性原理方法的实例讲授，通过多模态互动以及感知能力使学生主动思考， 训练学生的创新思维，培养学生主动发现和解决问题的能力。

开展线上线下混合式教学。精选一些网络优质课程作为理论和实践授课的线上资源库。同时，针对课程的重难点制作一些与课程相关的微课，构建线上学习与线下学习相结合、 理论学习与虚拟仿真相结合、教师演示与学生动手相结合、真实接受式学习与网络自主学习相结合、师生间课堂交流与网络交流相结合的混合式教学模式。一是课前自主学习。教师将重要知识点制作成小视频， 通过网络平台提前推送给学生，学生通过观看视频了解即将学到的新知识，学生可以通过可视化视频结合教师的讲解从视觉、听觉和互动上多模的形式及多个角度了解、掌握知识点。二是课堂互动讲授。教师通过讲授课件以及播放相关动画等方法，从视觉上充分调动学生的兴趣。并且教师提出知识点的相关问题增加课堂交流与互动。这种互动可以促进师生交流， 还能对教学内容给予评价、反馈，及时发现并改正问题。三是课后开放探索。教师布置一些相关的开放性课题。学生课后完成开放性课题研究，并观看教师共享的讲解视频，培养学生科学研究能力和创新思维。课前预习、课上互动讲解、课后自主探索，三者紧密结合，使学生从视觉、听觉、感官等多个模态吸收相关知识，实现“学、教、做互动”体验式教学，培养学生实践动手能力和创新思维。

3 推广价值

多模态教学方法注重调动学生的多个感官，为学生营造视听说课堂的氛围与环境，有利于提高学生的学习兴趣和知识掌握的熟练程度，具有推广价值。

3.1 以生为本，立德树人

计算机在材料工程中的应用课程教学改革探索中体现了以生为本、立德树人的教育理念。教师运用以生为本理念采用多模态教学方式开展教育活动，要注重将学生视为主体，并积极采用因材施教的教育原则，促成学生的综合发展。同时注重学生实践应用能力的培养，着眼于激发学生的兴趣，凸显学生的主体地位，使学生在自主学习、合作探究等多模态活动中切实感受学习的乐趣。进而培养学生的学习意识和学习能力，做到“以学生为中心”培育兼具创新能力和实践应用能力的优秀材料学子。此外，还要注重灌注德育教育，在课程中融入思政教育，提升学生爱国家、爱集体的意识，提升学生的道德素养，切实实现学校培养人、发展人的教育目标。

3.2 科教融合，协同育人

科教育人过程中， 教师是知识的转化者、 传播者、引领者、促进者，学生是知识的接受者，更是主导者。计算机在材料工程中的应用课程教学采用科教融合的方式，将教学与科研融合，可实现科教促长。同时，教师从视、听、说、感知、互动等多个模态进行教学， 让学生从多个角度更深的理解理论并运用理论知识来解决材料科学问题， 促进学生对知识的吸收，增强学生的创新能力和实践应用能力，做到科教协同育人。

3.3 教学做一体，多元化育人

采用多模态理论进行计算机在材料工程中的应用教学，教师将理论或案例以动画、视频等方式进行讲解，并采用线上线下混合的模式进行教学，从课前预习、课中互动讲授、课后探索三个方面对学生进行系统化训练，激发学生从不同模态直观化的接收学习内容，使学生主动参与学习，培养学生实践动手能力，从视觉、听觉、感知能力、互动性上来增强教学活动，做到“学、教、做互动”一体化教学，实现多元化育人。

4 结语

随着新工科建设全面、深入推进，社会对运用人才提出了更高的需求，有必要对课程进行深入改革与探索。本文以多模态理论为教学指导，通过丰富教学内容、科教融合、革新教学方法和手段、发挥网络教学优势等方式从视、听、说、感知能力、互动能力等多个模态对计算机在材料工程中的应用进行教学模式探索，激发学生的学习兴趣，提升学生对知识的接受能力，以培养学生创新能力和实践应用能力，从而推动课程教学高质量发展。