“材料物理性能”课程的教学改革与实践

王顺，段磊，陈倩倩，杜苏轩，马秋花，张猛，蔡世昌，左宏森

（河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001）

“材料物理性能”是目前各高校材料与化工、材料科学与工程等工科专业普遍开设的专业必修课程。针对其涉及知识面较广，概念抽象有深度等特点，且该课程在培养方案中起到承上启下的作用[1]，如何优化教学内容，改变传统的教学模式和考核评价机制，对学生专业培养目标的达成具有重要的意义。

近几年，河南工业大学材料科学与工程学院对该课程的教学目标、内容、模式和评价方式进行了全面的改革，学生学习积极性和教学效果显著提升，课程达成度良好，对于推动国家一流本科专业建设提供了支撑作用。

1 教学目标与内容

1.1 教学目标

近几年，学院在明确材料科学与工程专业培养目标的前提下，制定了本科生12项毕业要求[2]。“材料物理性能”课程主要支撑毕业要求中的“工程知识应用能力”“研究与分析能力”和“终身学习能力”三个方面，要求能够具有自主学习和终身学习的意识，掌握材料科学与工程基础和专业知识，分析材料组成、结构与性质关系，并将基本理论和方法运用于解决材料科学与工程专业的复杂工程问题。

本课程的教学目标：①能正确掌握材料热学、电学、磁学和光学性能相关的基本概念、微观机理、性能参量和影响因素，为解决材料科学与工程专业领域的复杂工程问题提供理论知识支撑；②能根据材料的组成、结构等信息分析并预判材料的物理性能变化，并且通过结合材料专业其他课程的学习，能对材料专业复杂工程问题的关键环节进行识别和判断；③培养自学、分析的综合能力，能够追踪学术前沿，关注材料物理性能领域的新动态、新知识，开展自主且持续性学习。

1.2 教学内容的改革

“材料物理性能”课程内容涉及材料热学性能、材料导电性、材料磁学性能、材料介电性能和材料光学性能五个知识板块。课程改革之前教学内容以教材为主，重点讲授“材料物理性能”的基本概念、物理机制、影响因素等基础理论知识，涉及学科前沿和应用的内容较少，整体授课内容难以支撑工程教育认证对课程教学目标的要求。经过课程教研组讨论，重新制定了教学大纲，以教材内容作为参考，结合学科发展前沿和工程应用实际拟定新的教学内容，以实例作为主线，将各板块知识点进行模块化分解；同时，受授课学时限制，且学生专业知识积累欠缺，课程采取线上线下相结合模式授课，一方面线上学习可以培养学生自主学习能力，另一方面线下课堂授课可重点进行实例分析和讨论。

2 教学模式

2.1 小班授课

受师生比、教学课时等因素的限制，大班授课是目前高校较为普遍的教学组织形式。由于本专业每届学生人数均为200 多人，但主讲教师仅有两名，且承担其他课程教学，“材料物理性能”课程改革前采取大班授课的教学组织形式，课堂学生数量在60人左右，授课过程中很难进行有效的师生互动，学生在教学过程的参与度不高。针对这一问题，我们将本门课程由大班授课模式改为小班授课模式，课堂人数控制在30人左右，并增加了2名主讲教师。经过小班授课模式改革后，教师能够有针对性地解决学生学习过程中遇到的问题，师生之间的互动效果提升明显。学生调查结果显示，学生对教学组织形式满意度由93.2%提升到97.3%，学生学习兴趣和学习积极主动性由94.4%提升至97.3%。小班授课为本课程教学模式的改革初探，能够提升线上线下相结合的案例试教学活动的效果。

2.2 线上线下混合式教学

线上线下混合式教学模式是将线上学生自学和线下课堂学习结合在一起的一种新型教学模式。近年来，线上线下混合式教学越来越受到国内高校的重视，尤其在理论课程教学中得到广泛运用。线上教材、习题、视频等课程资源可以充分满足学生自主学习的需要，线下课堂侧重探讨和研究，从而实现从“教师为中心进行知识灌输”向“学生为中心的自主学习”转变。此外，超星学习通、腾讯课堂等线上平台的建设也越来越完善，构建了教学监督、资源管理、互动讨论、交流答疑、作业考试等综合性课程平台[3-4]。

基于“材料物理性能”课程知识点多，覆盖面广，学时受限等特点，单一的课堂教学难以达到满意的教学效果，如何在有限的课时内让学生充分了解并掌握该课程内容是教学中的一个难点。在改革之前，为了在有限学时内完成本门课的授课内容，往往只能精简教学内容，采取“满堂灌”的教学模式，授课内容也倾向于理论知识，学生在课堂上可能往往只是记住了结论，和实际应用联系不够紧密，学生在解决实际科研和工程问题时不能做到灵活运用。改革后，本门课基于超星学习通线上平台，完成了集教学监督、视频学习、章节测试、话题讨论为一体的在线课程建设，同时设立了拓展，包含有多重功能性材料和器件相关的视频和资料。由于课程未设置学生线上学习课时，本门课程线上教学活动主要包括：①课前自主学习，学生通过完成视频学习任务点，掌握基础性知识；②课后复习，学生通过完成重难点视频任务点，加深重难点知识的理解；③作业和章节测试，学生上传章节思考题作业和完成章节测试，支持学生完成后查看答案。因此，通过线上平台，学生在掌握一般性知识点的基础上，课堂学习重点讲授知识的重难点和案例分析讨论，解决了课程学时少的问题，促进了课程教学目标的达成。

2.3 案例式教学

“材料物理性能”课程中涉及较多抽象的物理基础知识，致使学生认为此课程重点为物理机制，感觉内容枯燥。如果仍然按照常规的授课模式，会极大影响学生的学习热情，导致学生学习积极性变差[5]。案例教学法是上世纪20 年代由美国哈佛商学院提出的授课模式，通过采用商业管理的真实案例启发学生主动参与课堂讨论，颇具成效。在教学过程中，以案例作为素材来揭示某一个或几个理论知识点，引导学生进入特定的情境中思考，并启发学生主动分析与解决问题，培养学生理论联系实际的能力[6]。基于此，本课程引入了生活、工程应用和科技前沿三方面的案例，让学生带着疑问去思考案例中所涉及的课程知识，同时以案例作为主线将章节知识点串联起来，在提高学生学习积极主动性的同时，让学生对分散知识有一个整体性的认识。

授课过程中引入工程应用案例，帮助学生理解抽象物理概念，提高学生解决实际工程问题的能力，例如，在材料导电性章节引入金属电阻丝、硅钼棒加热元件、光敏电阻等实际工程应用案例，引导学生去理解不同能带结构导电性的差异，以及温度、合金元素、组织结构等因素对材料导电性的影响。在材料能带结构知识点引入半导体硅、不同金属导电性差异等案例，引导学生理解材料导电性和能带结构之间的关联，进而讲解能带结构的形成，将抽象的概念具体化讲解，有助于加深学生对知识点的记忆，培养学生理论联系实际的意识。

授课过程中引入科技前沿知识，并与相关课题的研究目的、内容和方法相结合，激发学生科学研究兴趣，培养学生科技创新能力，例如，在材料的介电性能章节，结合介电玻璃、能密度电介质、无铅压电陶瓷等研究热点，引出这些类介电材料应用背景、介电性能、目前研究现状、研究思路等内容，让学生去思考有哪些物理参量去表征其介电性能？各物理参量的含义是什么？介电性能进行改性的物理基础是什么？通过这些问题将章节知识点整体串联起来，一方面让散乱的知识点变得更加系统，另一方面通过让学生参与到关于电介质材料的科技创新中，做到知识的活学活用，提升其创新能力，使学生获得成就感。

3 考核方式

针对课程教学目标，本门课程改变了传统“重期末考试，轻平时成绩”的终结性方式，将平时成绩的比重由改革前的20%提高至40%，平时成绩由章节思维导图、思考题、线上学习、章节测试和拓展训练五部分组成，期末考试试卷更倾向于和实际应用的联系，记忆性的知识点比重相应降低。

（1）章节思维导图：考查学生思维逻辑性和知识点的概括能力。

（2）思考题：多为实际应用的案例综合分析题，考查学生知识的综合运用能力。

（3）线上学习：依据学生线上视频的学习情况进行评定。

（4）章节测试：线上进行，考查学生章节一般性知识点的理解能力和学习效果。

（5）拓展训练：要求学生以某一类材料或器件作为出发点，将材料的制备、组织结构、物理性能、研究进展、应用等知识联系起来，制作ppt演示文件，考查学生自主学习和对专业知识的运用能力。

（6）期末考试：试卷题型由单选题、多选题、判断题、简要分析题和综合性试题组成，在满足知识点覆盖度的前提下，增加实际应用案例分析的比重。

4 教学效果分析

为了解“材料物理性能”课程的改革效果，对2021年秋季学期材料科学与工程专业学生开展问卷调查活动，调查问卷涉及课程目标达成、教学方式、考核方式等内容，参与学生人数202 人。问卷调查结果显示：①95%的学生认为通过课程学习，能够理解“材料物理性能”的基本变化规律及其各影响因素，为新材料设计和材料改性提供理论基础知识支撑；95.5%的学生认为通过课程学习，能够根据实际需要，对测试结果、材料组成、结构等信息进行分析，预判材料的物理性能变化；96.5%的学生认为通过课程学习，拓宽了材料专业的基础理论知识，对材料组织结构-性能-应用间的关系有了更深的理解，为今后工作和继续深造积累了一定专业知识；②95.5%的学生认为该课程考核内容丰富，评价方式公正客观，能够促进他们主动开展学习；③97%的学生认为通过案例分析、情景模拟、问题研讨等方法激发了学习热情和主动性；④课程总体满意度为100%；⑤14.8%的学生认为课程进度安排合理性一般，可能是由于课程进度较快，且学生自主学习工作量较大，下一步将进一步优化课程内容和考核内容。

5 总结

基于工程教育认证的OBE 理念和国家一流本科专业建设的要求，针对“材料物理性能”课程的特点，在重修制定课程教学大纲的基础上，设定了合理的教学目标和教学内容，教学手段和评价方法灵活多样，教学效果、课程教学目标达成度得到有效提升，为学院专业建设和创新应用型人才的培养提供了有力支撑。