材料科学基础课程全周期互动式教学的改革探索

毛海军 万 红 朱利安 刘希月

国防科技大学空天科学学院材料科学与工程系，湖南 长沙 410073

一、概述

如果以青铜器时代为起点，把约7000年的材料发展历史压缩到一天，每1小时相当于291年，在这一天的前23 个小时里，材料的发展极其缓慢，几百上千年才会出现一种新材料，材料的飞速发展集中在最后的1小时内，尤其是最后半小时呈现井喷式的发展。材料的迅猛发展得益于材料科学的不断发展和日益完善。材料科学的重要性在于其发展是人类文明演进的标志。人类历史的分期都是以制作生活生产工具的材料为标志的，比如石器时代、青铜时代、铁器时代、钢铁时代，以及现在以高分子材料、电子材料等为代表的新材料时代。材料科学的发展推动着人类社会的进步。此外，20 世纪70年代人们把材料、信息、能源作为现代社会发展的三大支柱；20 世纪80 年代，随着高技术群的兴起，又把新材料技术、信息技术和生物技术并列作为新技术革命的重要标志。因此，材料科学是现代科学技术发展的基础和支柱。鉴于材料科学在社会发展中的重要性，各大院校几乎都开设立了材料科学专业。

材料科学的主要任务是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、性质和效能之间的关系，这四者也被称为材料科学四要素。而材料科学基础课程介绍的正是与四要素相关的基本概念、四要素之间相关作用相互影响的基本原理，以及利用四要素之间的相互关系进行材料开发和制备的基本方法。这就决定了材料科学基础在材料类专业学生培养方案中的课程地位。材料科学基础是最重要的学科基础必修课，它是所有材料类专业课的基础，是整个材料专业课程体系的核心与纽带，其他专业课都是在它的某个分支上的延伸或者是在此基础上的拓展。例如材料分析测试课程是以材料科学基础课程讲述的材料结构的相关知识为基础的，材料加工原理课程则是以材料结构的形成和转化的相关知识为基础，材料失效与防护课程是对材料科学基础课程涉及的材料的使用效能和组织结构的关系等相关知识进一步延伸，工程材料学和功能材料学课程则是对材料科学基础课程讲述的材料科学四要素的全面深化，并且材料科学基础课程也是指导学生完成材料综合实践及本科毕业设计的理论基础。

二、材料科学基础教学改革内容

（一）课程施教难度及改革必要性分析

通过对材料科学基础课程的学习将达到如下学习目的：使学生掌握材料科学的基本概念和基本原理；帮助学生建立材料科学研究的基本思维体系，培养学生运用基础理论解决材料工程实际问题的能力；为进一步学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。针对该教学目的，本课程要讲授的重点内容包括“晶体学基础”“固体材料的结构”“晶体缺陷”“材料的塑性变形”“回复与再结晶”“固体中的扩散”“相图理论”“凝固理论”和“固态相变”共九章内容，其中“晶体学基础”“固体材料的结构”和“晶体缺陷”主要是围绕固体结构的特点以及如何描述固体结构展开，“材料的塑性变形”和“回复与再结晶”则是讲述在力、热等作用下材料结构的形成与转化规律。另外，“晶体学基础”“固体材料的结构”“晶体缺陷”“材料的塑性变形”和“回复与再结晶”这五章也可归结为材料的结构特点以及结构与力学性能之间的关系，也就是金属强化理论。“固体中的扩散”和“相图理论”分别从动力学和热力学角度阐述结构转化的基本规律，“凝固理论”和“固态相变”则是利用结构转化的基本规律对组织结构进行调控。由此也可以看出，首先，本课程内容庞杂、理解和记忆难度大，具体表现在原理规律多：涉及原理、规律几十个；概念定义多：名词、定义近300个；关联学科多：物理、化学、金属及陶瓷等；抽象内容多：微观结构和结构转变过程看不见、摸不着。其次，材料科学基础是材料专业学生的首门专业课，学生在此前几乎无专业基础。本课程的开课时间为大二下学期和大三上学期，处于学生的课业高峰期，两学期平均周学时都在20 课时以上，学生学习任务重。再加之目前新时代国防和军队建设迫切需求新型军用材料工程专业人才，促成了“强军新工科”理念的发展。而工科教育更注重学生的全方位发展，增加了各种实践环节的教学，导致新一轮培养方案中基础理论课程的课内学时大幅压缩。因此，如何在有限的学时内最大限度地提升学生的学习效率成为当务之急。

（二）教学改革手段及措施

针对该情况，我们利用雨课堂这款智慧教学工具实施全周期互动式教学改革，将教学过程拓展为课前、课中和课后三个环节。“雨课堂”是清华大学教育办公室和MOOC 平台“学堂在线”教育开发的一款将“教育”和“互联网”糅合在一起的混合式教学软件，通过构造“智慧课堂”充分利用信息化技术手段提高教育教学质量。首先，利用“雨课堂”可以将用于普通课堂教学的PPT 课件传输到手机微信，再利用微信公众号传送到学生手机微信，让学生们在微信上观摩授课过程，突破了传统教室内空间的限制，而且在学习过程中学生可以实时反馈信息，方便教师了解学生学习动态。其次，利用“雨课堂”可以实现在线测试和研讨。“雨课堂”拥有在线答题功能，在授课过程中教师可以随时通过“雨课堂”推送测试题给学生，实时检测学生的学习效果，便于教师了解学生对相应知识点的掌握程度。此外，教师还可以通过“雨课堂”推送预习资料、课后作业和复习资料等教学资源，学生可以随时随地查看并进行碎片化和自主化学习，同时将遇到的问题实时反馈给老师。因此，利用“雨课堂”可以实现“课前自学—课中互动—课后巩固”的全周期互动式教学环节：课前发布预习内容及预习问题，完成知识记忆、知识引用及拓展；课中聚焦知识主线的学习，采用预习效果及已学知识的测试，问题的引入、问题的研讨，知识点的梳理与讲解的形式，完成知识要点的学习；课后环节，通过作业完成知识的理解与应用，通过课外拓展问题的研讨深化对知识的理解及能力的培养。“雨课堂”的全周期互动式教学能够动态地反映整个教学过程，突破传统教学的时空限制，使学生更高效轻松地学习。具体改革措施包括：

1.重构课程教学内容。梳理知识体系，理清教学主线，将教学内容划分为知识主线及主线的引申两大部分，使教学过程中的知识脉络更加清晰，学生更加易于理解和掌握。结合教学模式改革，加强课程中的基础理论与材料科学和工程的联系，依据布鲁姆认知模型，提升课程的高阶性，并注重能力培养与价值体系的塑造。

2.改进教学模式。研讨型教室与“雨课堂”软件相结合，构建智慧教室，采用小班化分组模式开展教学。通过案例式教学、问题式教学、研讨式教学、动态考核等方式，开展以学生为学习中心的教学模式改革，注重调动学生的积极性与参与性，提升课程挑战度，注重创新性思维的培养。在教学过程中，始终营造认真、严谨、科学的学习环境，使思政教育润物无声。

3.加强课程资源建设。为配合教学模式改革，不断优化课件内容，在课件上用更多的问号和省略号代替句号、感叹号；不断完善视频资源、教具、模型、案例库、分级试题库的建设。分级试题库包括强化基本概念及基本理论掌握的基础题库、强化基础知识应用和提升课程挑战度的综合题库（包括计算题、问答题、综合分析题、案例解决方案设计、设定目标达成的解决方案等）。优质课程视频用于引导学生的课外学习。教具、动画将微观结构可视化，结构转变形象化。针对材料科学的工程应用背景，引入大量贴近生活生产、贴近武器装备的使用与维修、贴近科技前沿与装备发展的案例，引导学生创新思维，培育学生“探本求真”的科学态度和“姓军为军”的使命意识。

4.改进考核方式。借助“雨课堂”软件，将单一的终结性考核转化为涵盖课前、课中和课后的过程性考核与最终考核相结合的方式，其中过程考核占比40%，最终考核占60%。考核方式的改革提升了课堂活跃度，提高了教学的针对性，也使学习成绩评价更为合理。

（三）改革措施实施案例简介

下面以反应扩散这节内容的教学为例，介绍全周期互动式教学方式的实施。课前通过“雨课堂”发布预习内容及预习问题，引导学生完成相应的线上视频课程及教材章节的学习。课中，首先利用“雨课堂”进行课前测试，测试学生对前序知识及预习内容的掌握程度。而后，通过两个例子“齿轮表面通过渗碳获得一定深度渗碳层以增大强度提高耐磨性”与“空气中置放一定时间的金属表面易形成一定厚度的氧化层”提出问题：渗碳层和氧化层是如何形成的？有新相形成的扩散体系中，扩散组元及新相的分布有何特点？通过问题的引入，引导学生了解本次课要解决的问题是什么；通过对常见的纯金属板的氧化过程的研讨，引导学生知道如何解决问题，再将研讨过渡到基本概念及基础理论的全面阐述，完成知识的讲解；通过“雨课堂”发布课堂练习，加深学生对所学知识的理解和应用，通过对课堂练习问题的进一步翻转，开展高阶性训练，深化学生对知识的理解；最后通过研讨贴近军事科技前沿的案例“高超声速飞行器的鼻锥和翼前缘表面Ir 改性热防护涂层的制备”，引燃课堂，进一步拓展知识的应用，培养创新性科学思维及分析解决问题的能力。课后，通过“雨课堂”的讨论区发布与案例相关的拓展问题：你能分析一下影响涂层厚度的主要因素吗？若要得到扩散元素在涂层中的扩散激活能，如何设计实验？由此引导学生进行课外研讨，深化基础理论的应用。如上所述利用“雨课堂”进行全周期互动式教学，在提高学生学习效率的同时，也注重了对学生自主学习能力的培养。

三、结语

通过全周期互动式教学方式的改革，我们创新了教学内容：凝练了材料科学基础理论的知识核心及发展主线，强化了材料科学基础理论与工程实践和科学研究的联系，注重课程思政建设，重构了重视知识、能力与价值共同培养的教学内容，增强了学生学习的获得感。优化了教学模式：结合信息技术和网络资源，通过聚焦知识主线的课内学习、强化自我学习能力及知识应用与拓展能力培养的课外学习，拓展了教学空间，突出了学生的学习主体地位。教学改革使课堂教学的效率显著提高，课堂活力显著增强，并强化了科学方法与科学思维的培养，提升了课程的高阶性、创新性和挑战度。丰富了教学资源：动画、教具的建设使微观结构及其转变可视化，降低了课程学习难度；通过分级试题库的建设，支撑了对知识记忆、理解、应用及深化能力的培养；通过优质课程视频资源的建设，使学生自我学习能力得到提高；通过案例库的建设，加强了基础理论课程与生产生活、武器装备和科学研究的关联度，并有效地支撑了课程教学的实施及课程目标的达成。改革了考核方式：以形成性考核取代了单一的终结性考核，增强了课堂活力，及时掌握了学生的学习动态，也使学生学习效果评价更为科学合理。

国防科技大学人才培养目标是为全军培养通用专业和联合作战保障人才。材料科学与工程专业毕业生应具备武器装备试验、使用、维护和维修能力和解决材料科学与技术实际问题的能力，以及具备在试验评估技术、无人作战、新概念武器、人工智能等领域任职所需的材料科学与工程专业知识和实践技能，为提高我军信息化作战能力、新型装备的发展和新型战斗能力的生成贡献关键力量。材料科学基础作为军用材料工程专业的专业基础理论课程，在达成人才培养目标的过程中发挥着极其重要的作用。在平时的教学中，我们只有与时俱进，不断进行教学改革创新，积极探索新的教学方式，全面提高教学效率，方能不辱使命。