材料热力学与动力学沉浸式教学模式研究与实践

刘敬福，李赫亮，庄伟彬，刘广柱

（辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

材料热力学与动力学是材料科学与工程（0805）一级硕士学科设置的一门重要的专业基础课，全国具有该一级点学科或者材料物理化学、材料加工工程、材料学二级硕士点学科的研究生培养方案中均设置了该门课程[1]。目前，对于该课程的教学方式、方法，教学团队，精品课程建设等方面的研究较多[2-3]。

材料热力学与动力学课程内容中的理论较难理解，微观且抽象，而动力学又密切联系实际。在传统的教学过程中，基本以教师讲授为主，由于知识理论性较强，难以真正做到理论与实践相结合，导致学生学完该课程后，在遇到具体工程问题时难以将所学知识应用于实际，造成研究生的学习效果不理想，创新性不足。教师在课堂教学中偶尔也采用启发式方法，激发学生的学习热情，虽取得一定的效果，但并未从根本上改变在课堂上以教师为中心、学生被动接受知识的局面。

沉浸式是指人们按照内心驱动力全身心去做自己想做的事[4-5]。国内中小学对语文、历史、地理等课程尝试引入沉浸式教学，且沉浸式教学成功助力了高校思政课改革[6-7]。在大学专业教育中，沉浸式项目教学法已经在高分子专业学生的材料力学课程教学中实施，对促进学生深入理解和灵活运用所学知识具有积极作用，获得了较好的教学效果，促进了高分子专业的教学改革[8]。沉浸式教学模式适应大学生自主学习与个性化学习需求，在推动教学方式信息化发展方面具有较大优势[9-10]。课程教学模式改革对提高学生的创新能力有重要作用[11-12]，因此，本研究以研究生为中心，以材料热力学与动力学课程为载体，从设置教学目标与创设沉浸式教学环境、沉浸式教学的具体实施和沉浸式教学评价体系的建立三个方面进行沉浸式教学模式研究，提高研究生解决实际问题的创新能力。

1 教学目标设置与沉浸式教学环境创设

1.1 教学目标

基于辽宁工程技术大学历史传承和最新学科发展，材料科学与工程专业重点培养新能源材料、材料表面改性、凝固理论及热成型技术、材料计算与模拟、新型矿物材料、复合材料等研究方向的硕士，着重提高研究生的创新精神和实践能力。因此，作为核心基础课，材料热力学与动力学课程的教学目标为：通过课程学习，使研究生掌握热力学定律的定义、实质、适用条件、意义，掌握热力学定律如何通过热力学函数应用到材料科学领域，能用材料热力学解决材料研究中的具体问题；熟练掌握热焓、熵、自由能、化学位、活度等热力学参数在材料变化过程中的求解方法和对过程方向做出正确判断；掌握相图、相变、凝固、腐蚀、界面及溶液热力学与动力学相关内容。材料热力学与动力学课程内容包括材料热力学与动力学基本概念、特点及原理；凝固热力学和动力学、表界面热力学、腐蚀热力学与动力学、相变热力学和动力学、化学平衡热力学、相图及计算热力学等。

1.2 沉浸式教学环境创设

按照课程目标，本文以腐蚀热力学与动力学为例，创设沉浸式教学环境。

知识目标：学生掌握腐蚀热力学中电极与电极电位、电位-pH 图的基本概念、特点及基本原理；运用专业知识，对不同的腐蚀极化进行分析、判别和比较。该目标沉浸式教学环境设计侧重将探究性教学、参与性教学、启发式教学及实践教学相结合，突出建立以学生为主体的全程探究参与型教学方法。如教师讲授电位-pH 图前，在平台发布2～3 个相关案例，设置探究性问题，对于一些比较难的问题可给出启发点，组织学生研讨、找资料，尝试给出问题答案，课后设置沉浸式学习反思，教师和学生均需总结本次课程的收获，便于下次课及下一轮课新的教学环境创设。

能力目标：综合分析和运用能力，对电位-pH图和腐蚀极化图进行有效应用的专业核心能力。该目标沉浸式教学环境设计侧重案例分析方面。例如，教师讲授铁-水系电位-pH 图后，设置典型案例，分析铝-水系电位-pH 图的制订过程。介绍背景资料，附相关反应及特征，使学生按照所学知识给出铝-水系电位-pH 图。

素质目标：侧重课程思政设计，通过课前播放及课堂讲解腐蚀科研成果、企业案例和学科前沿动态等，拓展学生的知识深度和广度，增强学生理论联系实际的能力。

创新目标：培养学生在设计结合自身研究方向的预防腐蚀方案时能够体现创新意识。该目标沉浸式教学环境侧重综合性创新型实验方案设计，课程安排了氢去极化腐蚀的综合设计，给出材料服役的环境介质、工作参数，学生设计出包括材料、绘图及测试的完整创新实验设计。该沉浸式设计实验方案没有标准答案，教师需根据学生的设计给出详细意见并评定成绩。

2 课堂内外双主线互动的沉浸式教学模式的实施

沉浸式教学模式包括课前、课堂和课后三个实施环节。

2.1 课前

教师做好学情分析，明确学生学习本章节的优势和不足，督促学生根据平台提供的预习题查阅平台相关资料，通过课前预习明确学习目标，为课堂学习做好准备。

2.2 课堂

在上课前5～10 min 和课间休息时，教师播放有关人文知识和专业知识的视频，包括热力学与动力学资讯、热点文章、励志名言、走进科学家、国内外大学等，激发学生爱国、爱专业的热情。教师上课前进入雨课堂页面，提醒学生扫码签到。

授课环节主要包括复习巩固、引入新课、讲授新课、课堂小结等环节。改进教学设计，探讨以“提问引入—问题扩展—探究思考—归纳总结—答疑解惑”为模式的课堂教学方式。每节新课的引入都是通过这种层层递进的授课方式进行，形成以学生参与、思考、提问、探究、质疑为主，以教师引导为辅的自主、有效的学习方式，鼓励学生独立思考、大胆质疑，旨在激发学生学习兴趣，调动学生学习热情，使学生主动学习，独立思考，具体过程如图1 所示。教师在授课过程中强化互动、促进交流，充分调动研究生学习的主观能动性，使学生想学、会学、学会，做到“导学融合”，实现探究性教学、参与性教学及启发式教学相结合，形成以研究生为中心的全过程沉浸式教学模式。

图1 以研究生为中心的沉浸式授课方式

2.3 课后

依托雨课堂、泛雅网络教学平台、腾讯会议、小组QQ 群等平台，形成线上/线下双主线并行的沉浸式教学模式，具体模式如图2 所示，实现课内与课外有机结合。

图2 课堂内与课堂外双主线并行沉浸式教学模式

3 沉浸式教学评价体系的建立

采用形成性评价与期末考试评价相结合的方式建立教学评价体系。课程评价总成绩为100 分，构成如下：总成绩（占比为100%）=形成性评价（占比为55%）+期末考试评价（占比为45%）；形成性评价=操行成绩（占比为10%）+随堂测验（占比为10%）+翻转课堂（占比为15%）+综合训练（占比为20%）。其中，各课程目标与评价方式对应关系如下：

知识目标，主要评价方式为操行成绩、随堂测验、期末考试；

能力目标，主要评价方式为操行成绩中的研讨、综合训练、期末考试；

素质目标，主要评价方式为操行成绩、翻转课堂、综合训练；

创新目标，主要评价方式为操行成绩中的研讨、翻转课堂、综合训练、期末考试。

工程认证的成果导向教育强调以学生为中心、成果导向和持续改进[13-14]。对标专业《工程教育认证标准》，对材料热力学与动力学课程沉浸式教学采用课程目标定量达成度分析法和定性分析法相结合的评价方法，制定行之有效的改革内容和持续改进方案。

评价结束并不是终点，而是下一轮教学模式开展的起点。教师需要对沉浸式授课及效果进行反思，学生也需要对沉浸式学习及效果进行反思，为下一轮沉浸式教学模式开展提供经验和借鉴，体现持续改进。

4 实践效果

以研究生为中心的材料热力学与动力学沉浸式教学模式已在辽宁工程技术大学2022 级材料科学与工程专业硕士生中开展实践研究，学业考核成绩均在75 分以上，其中优秀率（90 分以上）为48.5%。作为对比，2021 级优秀率仅为6.7%。对2022 级研究生沉浸式教学评价达成度进行定量分析，课程的知识目标、能力目标、素质目标和创新目标达成度均在0.86 以上，四个目标达成度均比2021 级高0.10以上。同时，经过该课程学习，有3 名研究生发表了热力学相关论文，提前满足了毕业条件中发表学术论文的成果要求。两组（4 人）学生经过创新训练，在2022 年12 月举办的辽宁省第五届研究生材料先进连接技术竞赛中获得二等奖。在省级一流课程粉末冶金原理的建设过程中，沉浸式教学模式也被成功应用于教学过程，显著提高了学生的创新能力。

5 结束语

在教与学过程中，坚持以研究生为主体，以学生“学”为核心，以学生“学到了什么”为关键，采用灵活多样的沉浸式教学模式，强化互动及全程参与，重视学生能力素质的培养，充分调动学生学习的主观能动性，做到“导学融合”，实现从重视教学向关注学习成效转变，从被动学习向主动学习转变，从记忆式学习向理解、分析、综合和运用转变。

综合训练、设置障碍性创新型实验方案等沉浸式教学环境创设强调实际工程问题的应用，注重科学思维方法，培养学生独立思考、理论联系实际、分析和解决问题的能力，同时培养学生创新思维、团队及合作精神，使学生具有社会、安全、环境等意识，实现能力、素质的提升。