多模態理論視角下高校課程教學模式探索
——以計算機在材料工程中的應用為例

文志勤 王鳴澤 李 優 鄒正光 吳 一

（桂林理工大學材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

計算機在材料工程中的應用是材料學科的一門重要專業必修課程，它有助于加強學生對專業課知識的理解并轉化為實踐，同時夯實學生專業基礎，提升科研能力。在全面推進新工科建設的大背景下，無論是學生還是教師都面臨著嚴峻的挑戰。當代大學生需要擁有很強的計算機應用能力，才能適應新工科教育改革的新要求， 材料類專業學生在學習材料科學與工程的基礎理論和工藝時，需掌握用計算機來解決材料科學中的問題。但這門課程本身具有知識面廣、理論性強、內容偏多等特點，在高校目前的教學模式下很難有效地開展。如何對高校的教學模式進行改革， 培養出滿足當今社會發展所需的具有極強計算機應用和實踐能力并且可以獨立解決材料工程中所面臨的一系列棘手問題的新一代材料人，成為當前的重要任務。基于更好地讓學生主動的接受課堂知識以便于更好地掌握實踐技能，本文以計算機在材料工程中的應用課程為例，將多模態理論應用在教學育人的全過程。

1 多模態理論的意涵

多模態理論在某種意義上是人類通過視覺、聽覺、味覺、觸覺以及嗅覺五種感知能力跟外部環境之間進行的互動。這也符合著名語言學家顧曰國教授的理論，人類是通過感覺器官同外界進行交流的。由此誕生了不同的交際模式：單模態和多模態。傳統單模態是學生通過一種或兩種模態感知文化知識，獲得文化信息。而多模態理論是將多種感官，如聲音、圖像以及動作等，融合在一起獲取文化知識和信息。相比于單模態理論下的教材中心、課堂中心、教師中心的傳統教育體系。多模態理論教學模式更注重在平等的原則下，培養學生實踐動手為主的學習形式。因此，多模態理論的教學模式是一種通過建構學習共同體，明確主題、學生參與及自主學習，成員間互相交流、討論和分享以促進學生實踐能力。基于此，將視、聽、說的多模態理論應用于課程教學，能夠充分發揮學生的主觀能動性，有利于營造自由開放的課堂環境，擺脫傳統課堂死氣沉沉的教學氛圍，使學生更好更快的走入課堂獲取知識。

2 計算機在材料工程中的應用課程教學現狀以及教學模式探索

2.1 計算機在材料工程中的應用課程教學現狀

由于該課程知識覆蓋面廣泛、理論性強、深度和難度大，在目前高校的應試教育的模式下，該課程教學中仍存在許多問題。一是課程內容多，且前沿知識相對匱乏；二是課程教學重理論輕實踐，科教育人體現不足；三是教學模式單一，教學方法缺乏理論指導，以“學生為中心”的理念不凸顯。這就使學生很難真正將理論和實踐結合起來，嚴重影響了課程的育人效果。因此，如何讓學生積極主動的學習計算機方法來解決材料領域的一系列問題， 將計算軟件和材料的實際應用有機結合起來，成為當前課程改革的方向和重點。

2.2 計算機在材料工程中的應用課程教學模式探索2.2.1 豐富教學內容，體現科教融合

從宏觀上來講，計算機在材料工程中的應用是一門時效性很強的課程， 因此必須對教學內容進行改革。一是整合、豐富教學內容，去除已經淘汰的教學內容。例如，數學模型及數值求解方法知識陳舊，計算機模擬部分的蒙特卡洛模擬、元胞自動機、相場法理論性強且本科生較少應用該理論解決實際問題， 因此，擯棄該部分的課程內容；計算機應用于材料檢測與現代材料檢測方法及其實驗課重疊， 移除該部分內容。二是注重前沿知識的更新，普適前瞻性概念和應用實例。例如，在授課過程中講授材料基因方法的理念及其在材料科學領域的應用；同時讓學生課后查閱材料基因方法在計算材料方面的具體實例，課上與其他學生分享這一實例。這種指向特定的學習任務或學習目標的多模態教學方式，有助于增強師生、生生之間相互交流，人人參與互動，分享知識和資源，培養學生自主學習和實踐動手能力。

在教學過程中實現科教融合。教師可以通過增加計算機在材料科學中的前沿性和創新性成果對學生進行普及，并通過設計一些問題來推動學生的實踐能力。例如，在講授計算機在材料設計中的應用時，不再以固定案例作為教材，而是查閱最新的文獻進行實例講授，從視覺上、聽覺上拓寬學生的知識面。同時結合材料設計軟件——Materials Studio 讓學生進行實踐操作和練習。既讓學生掌握相關的前沿知識，又注重培養學生實踐動手能力，從而調動學生的學習興趣，通過在課堂中增強實操練習突顯科教育人。課后，布置開放課題，讓學生形成創新小組，利用所學計算軟件預測材料結構和性能，完成科研問題探索，培養學生的創新能力，實現以科研育人的目標。基于此，利用多模態理論從視覺、聽覺、實踐等方面靈活完成課程的教學任務。

2.2.2 革新教學方法和手段，發揮網絡教學優勢

現有的課程教學多采用板書、PPT 的傳統教學模式，對實踐性很強的課程來講已再不適用。如第一性原理的理論方法，學生們理解起來很困難，聽起來更是枯燥無味，若仍采用傳統教學方法則達不到預期效果。因此，采用故事教學法進行概述講解，通過圖片和視 頻 介 紹 哈 特 里（Hartree）、福 克（Fock）、霍 恩 伯 格（Hohenberg）和科恩（Kohn）等科學家的事跡和貢獻，進一步講解Hartree-Fock 方程、非均勻電子系統的密度泛函理論和求解多體系統基態的Kohn-Sham 方程，將第一性原理的理論基礎以故事形式串連，讓學生從視覺、聽覺和觸覺等多個模態獲取該理論知識。同時，增加第一性原理方法的實例講授，通過多模態互動以及感知能力使學生主動思考， 訓練學生的創新思維，培養學生主動發現和解決問題的能力。

開展線上線下混合式教學。精選一些網絡優質課程作為理論和實踐授課的線上資源庫。同時，針對課程的重難點制作一些與課程相關的微課，構建線上學習與線下學習相結合、 理論學習與虛擬仿真相結合、教師演示與學生動手相結合、真實接受式學習與網絡自主學習相結合、師生間課堂交流與網絡交流相結合的混合式教學模式。一是課前自主學習。教師將重要知識點制作成小視頻， 通過網絡平臺提前推送給學生，學生通過觀看視頻了解即將學到的新知識，學生可以通過可視化視頻結合教師的講解從視覺、聽覺和互動上多模的形式及多個角度了解、掌握知識點。二是課堂互動講授。教師通過講授課件以及播放相關動畫等方法，從視覺上充分調動學生的興趣。并且教師提出知識點的相關問題增加課堂交流與互動。這種互動可以促進師生交流， 還能對教學內容給予評價、反饋，及時發現并改正問題。三是課后開放探索。教師布置一些相關的開放性課題。學生課后完成開放性課題研究，并觀看教師共享的講解視頻，培養學生科學研究能力和創新思維。課前預習、課上互動講解、課后自主探索，三者緊密結合，使學生從視覺、聽覺、感官等多個模態吸收相關知識，實現“學、教、做互動”體驗式教學，培養學生實踐動手能力和創新思維。

3 推廣價值

多模態教學方法注重調動學生的多個感官，為學生營造視聽說課堂的氛圍與環境，有利于提高學生的學習興趣和知識掌握的熟練程度，具有推廣價值。

3.1 以生為本，立德樹人

計算機在材料工程中的應用課程教學改革探索中體現了以生為本、立德樹人的教育理念。教師運用以生為本理念采用多模態教學方式開展教育活動，要注重將學生視為主體，并積極采用因材施教的教育原則，促成學生的綜合發展。同時注重學生實踐應用能力的培養，著眼于激發學生的興趣，凸顯學生的主體地位，使學生在自主學習、合作探究等多模態活動中切實感受學習的樂趣。進而培養學生的學習意識和學習能力，做到“以學生為中心”培育兼具創新能力和實踐應用能力的優秀材料學子。此外，還要注重灌注德育教育，在課程中融入思政教育，提升學生愛國家、愛集體的意識，提升學生的道德素養，切實實現學校培養人、發展人的教育目標。

3.2 科教融合，協同育人

科教育人過程中， 教師是知識的轉化者、 傳播者、引領者、促進者，學生是知識的接受者，更是主導者。計算機在材料工程中的應用課程教學采用科教融合的方式，將教學與科研融合，可實現科教促長。同時，教師從視、聽、說、感知、互動等多個模態進行教學， 讓學生從多個角度更深的理解理論并運用理論知識來解決材料科學問題， 促進學生對知識的吸收，增強學生的創新能力和實踐應用能力，做到科教協同育人。

3.3 教學做一體，多元化育人

采用多模態理論進行計算機在材料工程中的應用教學，教師將理論或案例以動畫、視頻等方式進行講解，并采用線上線下混合的模式進行教學，從課前預習、課中互動講授、課后探索三個方面對學生進行系統化訓練，激發學生從不同模態直觀化的接收學習內容，使學生主動參與學習，培養學生實踐動手能力，從視覺、聽覺、感知能力、互動性上來增強教學活動，做到“學、教、做互動”一體化教學，實現多元化育人。

4 結語

隨著新工科建設全面、深入推進，社會對運用人才提出了更高的需求，有必要對課程進行深入改革與探索。本文以多模態理論為教學指導，通過豐富教學內容、科教融合、革新教學方法和手段、發揮網絡教學優勢等方式從視、聽、說、感知能力、互動能力等多個模態對計算機在材料工程中的應用進行教學模式探索，激發學生的學習興趣，提升學生對知識的接受能力，以培養學生創新能力和實踐應用能力，從而推動課程教學高質量發展。