高校理工類課程開放式教學模式探討與實踐

張妮

（金陵科技學院 材料與工程學院，江蘇 南京 211100）

近年來，我國高等教育發展迅速，在招生和教學規模快速擴張的同時，各高校也在不斷探索如何提高教學質量。由于理工類課程的理論性和邏輯性強、內容抽象、枯燥難懂，其教學改革難度也相對較大。目前，我國大部分高校的理工類課程仍堅持“以教師為中心”的傳統教學模式進行課堂教學［1］。但是在我國教育科研體制改革中已明確指出，高等學校擔負著培養高級專門人才和發展科學文化的重大任務，擔負著國家基礎研究和應用研究的重要任務。理工類課程的傳統教學模式會極大限制我國高校科研職能的發揮，而開放式教學能充分體現“以學生為中心”的教育理念，對教學質量的提高具有重要意義。在開放式教學模式中，學生由被動地接受知識變為主動獲取知識，教師引導和促進學生自己發現問題、提出問題和解決問題，將素質教育融于專業教育之中，從而使教學與科研互相促進，更好地實現高等教育的目標，培養創新型人才。

“結晶學與礦物學”課程是地質學、材料學、固體物理等專業重要的先行課程，具有高校理工類課程的典型特征，即具有較強的抽象性、系統性、完整性和實踐性，充分體現在該課程的結晶學理論、礦物學通論、礦物學各論和實驗四個教學模塊中，因而在理工類課程中具有較強的代表性。筆者根據教學經驗，按照教學目標，對“結晶學與礦物學”課程的開放式教學模式改革進行了必要性分析，并通過教學實踐對其可行性進行探討。

1.課程難點及傳統教學模式

“結晶學與礦物學”課程知識點多且內容抽象枯燥，其中結晶學部分抽象難懂，礦物學內容繁雜難記，學習難度較大［2］。以往教學過程中，該課程的講授往往以教師為主，不夠重視或完全忽視了學生在學習活動中的主體性。教師采用的教學方法較為單調，理論部分主要通過課堂講解和示范，實驗課部分也是按照書本知識進行驗證性實驗。本校的“結晶學與礦物學”課程為寶石及材料工藝學專業學生大一下學期的專業基礎課，共64學時，其中16學時為實驗課。在傳統的教學模式中，該課程的四大教學模塊中均存在諸多教學弊端和難點，導致學生的學習效率和教師的教學效果均不夠理想。

1.1 結晶學理論模塊

該教學模塊是體現理工類課程抽象性特點的典型代表。本課程從面角守恒定律出發，引出晶體對稱和形態、晶體定向、單形與聚形等晶體宏觀對稱理論，介紹晶體內部結構對稱、晶體化學、晶體生長等晶體微觀理論［3］。該部分課程內容空間性和抽象性較強，邏輯結構嚴密，要求較強的空間想象力和邏輯推導能力；主要難點在于結晶學中很多概念是用空間幾何模型加以展現和解釋的，學生受理解能力和學習課時的限制，對一些較難的空間概念無法準確理解，并在短時間內無法熟練掌握各概念之間的嚴格界定。很多學生無法對后續知識點或難點順利掌握，甚至在課程結束之后，仍會對關鍵性概念理解錯誤和混淆。教師主要借助道具和圖片演示等方法教授相關抽象概念，并通過強調和重復的方式引導學生對易混淆的概念進行區分。但這種方法使學生過于依賴教師，對概念的理解流于形式，不能融會貫通。

1.2 礦物學通論模塊

礦物學通論模塊包括礦物的化學成分、形態、物理性質、地質形成條件等基礎理論，是前修課程《普通地質學》和后續課程《寶石學基礎》的過渡，體現了理工類課程系統性較強的特點。隨著高校理工類課程教學進度的普遍加快，如何使知識點的系統性較好地傳遞給學生，成為礦物學模塊的教學難點，具體表現在學生難以在短時間內熟練掌握甚至有效理解相關理論和概念間的邏輯關系，不明白為何所學？所學為何？無法將礦物學通論與各論的知識點聯系。礦物學通論部分是礦物學的精髓，對各論知識點的傳授至關重要，因此，傳統方法是將該部分的知識點不分主次地逐條講解，以體現其概念上的系統性，教學內容枯燥乏味，部分較難的知識點晦澀難懂，學生在學習過程中較為茫然。

1.3 礦物學各論模塊

該教學模塊體現了高校理工類課程的完整性。以“結晶學與礦物學”課程為例，該模塊以晶體化學分類體系為線索，分別介紹礦物各大類、類、亞類、族、種的共性規律及每種礦物的具體特點，教學內容繁多，教材篇幅甚至高于結晶學理論和礦物學通論的總和。該部分教學的難點在于如何讓學生掌握各大類（或類）礦物的一般性和各礦物種的特殊性，以及如何用晶體化學基本原理解釋礦物的物理性質。傳統教學模式是選取50～60種礦物進行講解，在48個理論課時中，占用至少一半以上甚至更多，學生普遍反映該部分內容冗長，礦物的晶體化學部分理解困難，同類礦物間的物理性質相似，礦物類別之間容易混淆，因此被動教學劣勢較為明顯。

1.4 實驗教學模塊

除了具有較強的理論抽象性、系統性和完整性以外，實踐性強是大部分高校理工類課程具備的第四大特點。例如在本課程中，晶體對稱的空間概念需通過實踐中的晶體模型建立，礦物的各種物理現象需通過實踐中對具體礦物標本的觀察認識。實驗教學的難點在于如何能讓學生運用對稱要素組合定律和晶體定向原則確定對稱型，以及如何通過礦物的物理性質來進行種屬鑒定。目前，實驗課教學模式以驗證性實驗為主，并嚴格對照教材上的內容進行，呆板枯燥，難以提高學生的邏輯性和創造性。另外，實驗過程缺少師生間的互動，弱化了教師在實踐教學中的指導作用。

2.不同教學模塊的開放式教學實踐探討

教學方法是教師教的方法與學生學的方法的統一，前者必須依據后者，否則便會因缺乏針對性和可行性而不能有效實現預期的教學目標。開放式教學的核心是完成教師和學生在教學活動中角色的轉換，教師由知識的傳輸者變為指導者，學生由知識的被動接受者變為知識的主動構建者。筆者認為，隨著高校科研職能重要性的提高，高校理工類課程的教學模式應將學生的素質教育和科研能力作為重要的培養目標。因此，在進行教學模式研究時，需注重學生對基礎理論的掌握和對學習積極性和創造性的提高，從而增加研究型學習的比重。針對傳統教學模式中遇到的諸多問題，筆者對“結晶學與礦物學”課程的不同教學模塊進行了開放式教學模式的實踐，實現了預期教學目標，收獲了良好的教學效果。

2.1 借助多樣化教學媒介，簡化抽象概念的難度

在本次結晶學理論模塊的教學實踐中，以演示教學法為主，程序教學法、提問法為輔。由于晶體的對稱（包括對稱要素及組合、對稱操作和對稱型等）是教學難點之一，課堂講授中除了教學道具以外，還配合了GIF圖件、Flash動畫或晶體動畫制作軟件等，用來提高學生興趣和教學效率，也有部分高校借助交互式教學多媒體來達到同樣目的。后者可將文字、圖形、聲音、動畫和視頻等各種多媒體項目匯集在一起，根據程序和學生的響應情況執行特定功能，實現教師和學生的互動。結晶學中的一些基本知識，如晶體結構的表達和結構分析等，均是地質學、無機化學、固態物理和材料科學等相關學科所必需的基礎知識。在教學過程中注重結合專業特點，從專業需求出發來舉例和示范，從而提高學生的專業領悟能力。

教學實踐結果顯示，學生的學習能動性得到充分發揮。相比之前通過板書和模型講解的方法，學生在生動的學習情境中能對較難的抽象概念更好地理解。例如用簡單的對稱要素代替各種旋轉反伸軸的問題，教師通過動畫演示或晶體制作軟件，對旋轉反伸軸的形成過程進行分解，學生對這一概念的理解更加清晰。在這個教學過程中，學生跟隨教師的思路理解抽象概念中的難點，在與教師的積極互動中提高了學習的自信心，具體表現在會將課上無法理解的各類問題在課后與教師進行探討。教師在課后反饋的問題中選取出代表性問題并在下次課集中講解，從而使有限的學時獲得更好的教學效果。

2.2 安排課上討論小課題，提供開放式學習環境

在礦物學通論的教學模塊中，采用了以討論法為主、網絡教學法為輔的教學方法。由于地質學專業（包括寶石及材料工藝學專業）學生在剛入校時便已接觸《普通地質學》、《高等化學》等基礎課程，后續專業課也會與該模塊的部分知識點重復，因此該部分內容被適當精簡。教師可充分利用計算機多媒體和網絡技術，為學生提供開放式的學習環境。例如在授課時，提出若干小課題留待學生課后進行資料調研，學生通過教師提供的專業網站查詢資料，與教師探討專業問題或提交研究進展，課上分組討論、得出結論并上臺闡述，從而調動學生課前預習和課后自學的積極性。與小課題相關的科研成果則通過專題講座的形式引入教學內容，以拓寬學生知識面，保持教學內容的新穎性。

在這一教學模塊的教學實踐中，討論法的應用使該教學模塊的課堂氛圍更加活躍，學生愿意積極配合教師的要求進行討論和交流，學習熱情相對傳統教學模式高，在培養學生科學思維和研究態度方面發揮了積極作用。例如學生在教師講授重要知識點后會存在懂或不懂的問題，相比之前單純回到書中本驗證或尋找答案，學生在小課題研究和討論過程中驗證或尋找答案更有興趣。他們在討論過程中學會表達自己的研究成果，嘗試與同學探討研究之惑，敢于向教師拋出一系列難題。以上這些過程都會提高學生學習的信心，學習的自信心是教育和科研成功的首要心理素質。因此，將開放性教學模式引入理工類課程的通論教學模塊中，可將科研與教學相結合，提高教學質量，同時激發學生思維和科研創新意識。

2.3 圍繞專業濃縮知識點，激發學生專業求知欲

在礦物學各論模塊的教學實踐中，采用了以啟發式教學法為主、參觀法為輔的教學方法。根據專業需求的不同，有所側重地選擇了與專業相關性較大的礦物種屬進行重點講授。例如選取了硅酸鹽大類、閃石類、透輝石類、螢石類等與寶石礦物相關的礦物種屬進行了詳細講解，要求學生對這些礦物的成分、結構、形態、物性、成因產狀和用途等各方面均熟練掌握［4］。給學生規定課后作業，例如要求學生選取最感興趣的一種寶石礦物，從結晶學特征和礦物學特征出發，探討它與相似礦物的鑒別方法。引導學生在互聯網上查找資料，將教學由課堂延伸到課堂以外，讓學生初步理解科研的意義，培養科學研究的思維習慣。

本次教學實踐以激發學生的求知欲為主要目的，提高學生的參與程度。結果表明，學生在學習與自己專業關系密切的礦物種屬時，注意力更加集中，記憶也更為深刻，在完成作業的過程中，其分析和解決問題的能力得到有效鍛煉。在完成作業的過程中，學生結合書本知識和課外調研資料，初步學會如何對寶石或礦物進行鑒定，甚至拿出自己的寶石收藏小試身手。教學實踐過程中還組織學生去地質博物館參觀各類美麗的礦物展品，學生在參觀過程中感受到礦物的神奇和大自然的偉大，不僅對礦物這一概念形成更直觀的理解，而且對礦物發生濃厚興趣，提高學生對后續專業課的學習積極性。

2.4 利用“習明納爾”教學法，提高研究型學習比例

本次教學實踐在實驗教學模塊中以“習明納爾”教學法為主、實驗實習法為輔。前者意為高等學校里教師與學生以討論班的形式進行的共同學術研討。大部分實驗課要達到驗證理論課知識的目的，因此該部分教學需要強調學生理論聯系實際的能力。在教學實踐過程中，根據教學目標，在每次實習課上對學生提出幾個核心要求，分小組進行答疑和小組間互相考核。例如每組隨機選取一個晶體模型，尋找所有的對稱要素，并根據對稱要素的組合定律寫出對稱型，其他組判斷結論的正確性，最后與教師共同探討正確答案。通過此過程調動學生的學習主動性，增加師生間的互動，從而提高實驗課的教學效率。另外，在規定的時間段開放或預約使用“結晶學與礦物學”實驗室，為有需要的學生發展個人潛能創造了有利條件。今后也可通過采用未定名標本、到野外實地觀察、去寶玉石市場實地考察等方法改進教學方式，將思考的主動權轉交給學生。

教學實踐結果表明，“習明納爾”教學法在理工類課程的實驗教學部分可充分發揮高校的科研職能。學生在實驗過程中討論熱烈，小組間競爭意識強烈，在答案確定后，學生會針對答案的困惑向教師進行探討，甚至提出多解的可能性。教師也在與學生探討的過程中重新思考，達到了學術交流的目的。在開放的師生互動環境中，學生將對書本知識的原始認知，通過被動思維向主動思維的轉變，經歷反復的思考與討論，由教師指引著帶入新的認知水準。這一過程使教學與科研得到很好的契合，加強了高校理工類實驗課的研究性功能，而不僅僅是驗證理論。

筆者認為，如何使實驗課的功能從驗證性實驗向綜合性、設計性實驗轉變，是開放性教育模式的重要職能，也是目前理工類課程需要面對的教學改革難點。綜合性實驗是指實驗內容涉及課程的綜合知識和多項實驗手段的實驗，設計性實驗是指教師給定實驗目的與要求，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗［5］。以“結晶學與礦物學”課程為例，在實驗教學中，可設計一些綜合性實驗，例如晶體培養與分析、礦物成因研究等，并在實驗過程中借助一些現代大型儀器（包括X射線衍射分析、紅外光譜測試、拉曼光譜分析等），完成一個綜合性的實驗報告，從而形成針對學生知識體系的完整訓練。開展綜合性實驗對于實驗標本和儀器的配備有一定要求，是目前理工類課程中實驗教學改革中需要注意的問題。

3.結語

本次“結晶學與礦物學”課程的教學實踐結果表明，開放式教學模式對高校理工類課程知識的有效傳授、學生綜合素質的提高及高校科研職能的加強等方面均起到積極作用。高校理工類課程的教學模式應本著“以學生為中心”的原則，根據教學模塊的不同，靈活運用教學方法，增加研究性學習的比例，加強學生理解和邏輯思維能力，培養學生科學研究思維的能力，實現開放式教學的效果。當然，在開放式教學中，需根據專業差異和學生特點，隨時對教學方法進行調整，使科研與教學環節更加緊密，充分發揮高校的科研職能。

［1］趙虹，黨犇.“結晶學與礦物學”課程教學改革研究［J］.中國地質教育，2012，02：79-81.

［2］馮娟萍.“結晶學與礦物學”教學實踐及探索［J］.陜西教育(高教版)，2013，09：58-59.

［3］廖宗廷，周祖翼，趙娟.試論我國寶石學教育的現狀與發展對策［J］.中國地質教育，1997，04：13-15.

［4］趙珊茸.結晶學及礦物學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］周鼎武，賴少聰，張成立等.地質學實踐教學新體系［J］.中國地質教育，2006（4）：47-53.