“材料科學基礎”課堂互動教學實踐探索
——以北方工業大學材料專業為例

李 純

（北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144）

2018年6月21日，教育部在成都召開的新時代全國高等學校本科教育工作會議上，就加快建設高水平本科教育、全面提高人才培養能力，提出了堅持“以本為本”，推進“四個回歸”的具體要求[1]?！耙员緸楸尽边M一步強調了本科教育在高校育人中的基石地位，而當前普遍“渙散”的大學生學習狀態，使得高校教師思考和研究如何保障本科教學質量、進一步提高課堂教學含金量成為當務之急。課堂教學在本科教學和中學教學中的地位、意義是不同的，本科的課堂教學更強調“引導作用”的發揮，幫助學生提升學習主觀能動性，增強自學的意愿和能力，促使課內外學習互為進益，最終實現綜合能力的提高。因此，有必要針對“如何進一步提高課堂教學質量”開展實踐探索。下面本文擬以北方工業大學（以下簡稱“我?！保┎牧蠈I為例，對“材料科學基礎”課堂互動教學實踐加以探索。

1 相關背景

按照我校材料專業培養方案[2]要求，“材料科學基礎”課程于本科第三學期（即大二上學期）開設，是學生接觸到的第一門材料類專業課，所以該課程格外強調幫助學生建立材料專業“組織結構影響性能”的思維模式，這與大一先修課程學習目標及方式差別較大，如果初期授課沒有引導學生建立起專業興趣，不能充分調動學生學習自主性，很容易使學生產生厭煩情緒，不但難以實現思維方式的成功轉換，更可能誘發學生在此后的專業課程學習中自暴自棄。在近幾年來的教學過程中發現，目前北方工業大學“材料科學基礎”課程授課中存在的最主要問題恰是學生被動接受課堂知識為主，上課時間人在心不在，授課效率低下，且部分學生主觀上畏難情緒嚴重，對課程的難度評估遠高于實際情況。在上述情形下，教師授課尚未形成思維方式轉換的有效引導，致使較多同學在學習中感到不得要領，難以堅持下去，從而放任自流，最終難以實現該課程在學生思維和能力上的訓練預期。

針對上述問題，對該課程特點進行剖析發現，材料學科關注材料在加工和使用過程中組織結構與性能變化的微觀機理，研究對象往往集中于肉眼不可見的微觀世界，知識體系中動態微觀過程的描述偏多，因此對學生理解力、空間想象力要求高，成為學生學習過程中的主要障礙。但是，與更為偏重抽象概念和邏輯推導的理論類、計算類課程相比，該課程則又具有“微觀形象概念多、抽象概念少，定性描述多、定量計算少”的特點。因此，通過多種現代手段將“微觀結果和過程”轉換為“宏觀模型”，理論上該課程具有較大的“直觀性、有趣性”開發潛力。加之微觀機理均與常規尺度的宏觀現象有著直接或間接的因果對應關系，如果能將這些宏觀現象通過實驗或模型先行展示出來，引導學生通過課前研究、小組討論等互動環節自發挖掘其內在原因，也有望成為激發學生學習積極性的一條途徑。

基于上述分析，認為為“材料科學基礎”課堂設計學生參與度高的互動教學環節是改善當前教學效果的一條可行途徑。包括研發必要的授課教具（含學具）并應用于課堂教學、增加課堂上學生動手操作及討論發言機會、理論知識講授初期提前引導學生接觸實驗環節等具體措施。

上述措施中，教具（含學具）的研發與應用是踐行“微觀結構宏觀化、微觀過程直觀化”這一改進思想的抓手，有望成為輔助教學活動、培養學生探索興趣與能力、大幅增加課堂上學生參與度的重要互動用具。事實上，教具（含學具）在課堂教學活動中起到的積極作用已經被許多研究和實踐所證實，尤其是在基礎教育中已經獲得了廣泛的應用。相比之下，高等教育中教具的使用頻率較低，且絕大多數為高校教師自制教具，除了美術、體育等藝體專業外，理工科專業的自制教具也主要集中在公共基礎課的實驗部分，輔助理論教學用途的高校教具更為不足，常見的只有傳承于中學物理、中學化學的機械模型、分子結構模型[7]等幾個較為有限的品類。具體到材料專業理論課教學的輔助教具更是鮮有研發，即使是自制教具，目前可借鑒的成熟經驗也難以獲得。

基于此，本文針對“材料科學基礎”課程開展了一項包含教具研發的互動教學實踐探索工作。

2 實踐內容

2.1 實踐時間與對象

實踐時間：2019年秋季學期，課程共48學時，每周2學時。

實踐對象：我校2018級材料專業本科生，含兩個平行授課的實踐課堂（其中實踐課堂1為材料18-1班，共30名同學，實踐課堂2為材料18-2班共19名同學。）

2.2 實踐準備

實踐準備包括參比數據匯總和硬件設施準備兩個部分。

本研究采用2018年秋季學期為2017級材料專業本科生開設本課程所收集的學生期末考試卷面成績及評教結果作為主要參比數據，該年度采用合班授課，簡稱“普通課堂”，共41名同學。授課環境為傳統教室，教學方式以配合板書的PPT講授為主，偶爾點名，穿插提問。課程共48學時，每周2學時。

硬件設施準備如下：

（1）獲批使用智慧教室開展教學工作，課堂中學生以6人一組圓桌圍坐方式上課，授課軟件可與學生手機互聯，實現點名、抽答、分組、現場答題、彈幕、評論等功能。

（2）利用球棍模型元件等道具完成自制教具（含學具）設計和制作。

（3）獲批在學期初利用金相分析實驗室完成課程緒論內容的講授。

2.3 實踐過程

根據教學流程的不同，可大致將課堂教學的實踐過程分為三類，簡述如下：

（1）配合實驗觀察的互動課堂，實施章節：第一章初識材料學，約2學時。

教學過程概述：介紹實驗室制度與操作要求—依托虛擬工程問題，下發觀察任務—教師講解課程緒論，側重研究方法和思路—指導學生完成觀察任務，配合實驗設備的操作體驗，初步建立專業思維模式—基于觀察結果提出本課程未來學習中可解決的諸多問題，提高學生學習意愿。

（2）教具學具使用為主的互動課堂，實施章節：第二章晶體結構，第三章晶體缺陷，第五章材料形變，約22學時。

教學過程概述：點名、分組—課堂小測（復習、導入）—教師講授知識點，對相對較難想象和理解的內容（如晶體、位錯等微觀結構，位錯運動、塑性變形機制等微觀過程）配合如圖1（a）所示的教具演示—圍繞知識點，下發學具操作任務—學生利用如圖1（b）所示的可拆分式學具分組討論完成任務—組間交流與展示—課堂小測（練習、總結）。

圖1 部分教具和學具展示

（3）分組討論為主的互動課堂，實施章節：第四章固態擴散，第六章凝固理論，第七章相圖分析，約24學時。

教學過程概述：點名、分組—課堂小測（復習、導入）—下發小組任務，引起學生疑問和關注—教師講授知識點—教師詳細解釋小組任務及其與知識點的關聯—學生分組討論完成任務—完成組間任務或交流—課堂小測（練習、總結）。

3 實踐效果

經過一學期的課堂互動教學實踐，學生給予了較好的反饋。

3.1 互動教學課堂效果討論

相較于傳統合班授課課堂，人數的減少極大地促進了師生之間的溝通交流，明顯有利于教學活動的開展。增加教具、學具等輔助道具后，多數學生對于集中研討的知識點有了更好的接受度。智慧教室互動授課系統在課堂組織中起到了良好的作用，提高了學生課堂活動參與度，同時該系統可以及時收集學生端的反饋信息，有助于教師了解學生情況，調整授課進度。圓桌式座位不僅使得教學活動的組織更為靈活可行，而且可以隨意走動的空間環境增加了分組討論、學具拼插等過程中的師生互動。課程初期實驗室講授理論課的舉措得到了學生的高度認可和好評，增加了課程的吸引力，為后續課程的講授提供了良好的切入點。

在教學實踐中對學生分組方式進行了探索，依次嘗試了“自由分組”“隨機分組”和“隨機分組+兩組交互”三種分組方式?；趯W生意愿的自由分組方式效果欠佳，許多小組的組內同學之間有強烈的依賴情緒，僅依靠個別成員完成任務，討論時間閑聊的情況也時有出現；隨機分組方式也沒有取得預期效果，組內同學之間常因為不太熟悉而缺乏交流，無法完成教師安排的教學活動；“隨機分組+兩組交互”的分組方式是指每次分組活動時設計兩組略有不同的任務A和B，將學生隨機分為偶數組，一半小組完成任務A，另一半小組完成任務B，之后完成不同任務的小組之間兩兩配對交互，交流展示并評價對方的完成情況，該方案很好地激發了學生的興趣和主動性，收效顯著，值得推廣。

不論是分組討論還是教具觀察、學具拼插，都明顯減慢了授課節奏，有限課堂時間不再能夠涵蓋傳統課堂中所有的教學內容，許多“簡單帶過”的知識點難以在多數同學腦中留下印象。本學期嘗試了給學生提供“自修內容”的方法，以期彌補課堂時間的不足，但預后效果不佳，有待進一步探索。

3.2 學生成績對比分析

本文對實踐前（2018年秋季學期，學生總人數41人）和實踐后（2019年秋季學期，學生總人數49人）學生期末考試卷面成績分布進行了分析。兩次期末考試卷面題量、考試時間等客觀因素相同，試卷總體難度相當，卷面成績滿分為100分。對比結果表明，實踐后班級平均成績由62.4分變化為63.3分，平均值變化不大，但相對高分的人數比例增加，其中優秀（90-100分）人數占比由原來的5%提高至10%，良好（80-89分）人數占比也提高了2%，同時不及格人數則下降了3%，反映出實踐措施在提高學生期末成績方面起到了一定的效果。然而，不及格同學的成績卻進一步降低，最低成績由原來的36分下降至29分，且低分人數有一定幅度的增加，這可能與互動措施增加了學習對學生主觀能動性的依賴程度有關，即被有效激發了學習主觀能動性學生的學習效果提升了，而未被有效激發學習主觀能動性學生的學習成績反而有所下降，總體上造成班級成績的區分度進一步增加，使得班級平均成績的標準差由原來的14.8分增加到了18.0分，上升了22%。

3.3 評教結果對比分析

由于2019年學校評教采用了新的評估指標，具體指標名稱有所變動，故篩選具有可比性的指標進行研究，評教結果對比如表1所示，按照評價對比角度分項。其中總體評價滿分100分，分項指標滿分10分。為保證數據一致性，使用生均評教結果與實踐前評教結果對比。可以看出，互動措施實施后所關注評教項目均有不同程度的提升，其中最為重要的對比指標，即“課程意義與學生收獲”項，提升了6%，提升幅度顯著。

表1 實踐前（2018年）與實踐后（2019年）可比性評教指標生均評教結果對比

4 結束語

所開展的互動教學實踐總體取得了良好的成效，但對于不同類型的學生所顯示出的效果有所不同。促進效果最為顯著學生群體是對學科學習有較強的心理愿望但行動力不足、學科知識理解有困難的學生，尤其教具、學具的使用在這類學生中得到了很好的反饋，其中很多學生反映希望能進一步放慢授課節奏、增加互動環節。而對于主觀能動性高、課后自學能力和理解能力都很強的學生來說，互動教學拉慢授課節奏的缺點則不容忽視。實踐中發現，保證充足的課后答疑時間十分必要，答疑可以精準地幫助這類學生解決具體問題，推進學習的深度和廣度。另外，對于主觀學習動力明顯不足的學生，新措施沒有取得預期效果，雖然因為點名機制的改良大幅降低了這類學生的曠課率，但因為課堂氣氛較為輕松，反而增大了學生上課玩手機、閑聊等不良行為出現的概率，需要教師更多地關注和提醒。對此，類似“一對一”方式的教學模式有望更好地激發該類學生的學習動力。