材料科學基礎課程全周期互動式教學的改革探索

毛海軍 萬 紅 朱利安 劉希月

國防科技大學空天科學學院材料科學與工程系，湖南 長沙 410073

一、概述

如果以青銅器時代為起點，把約7000年的材料發展歷史壓縮到一天，每1小時相當于291年，在這一天的前23 個小時里，材料的發展極其緩慢，幾百上千年才會出現一種新材料，材料的飛速發展集中在最后的1小時內，尤其是最后半小時呈現井噴式的發展。材料的迅猛發展得益于材料科學的不斷發展和日益完善。材料科學的重要性在于其發展是人類文明演進的標志。人類歷史的分期都是以制作生活生產工具的材料為標志的，比如石器時代、青銅時代、鐵器時代、鋼鐵時代，以及現在以高分子材料、電子材料等為代表的新材料時代。材料科學的發展推動著人類社會的進步。此外，20 世紀70年代人們把材料、信息、能源作為現代社會發展的三大支柱；20 世紀80 年代，隨著高技術群的興起，又把新材料技術、信息技術和生物技術并列作為新技術革命的重要標志。因此，材料科學是現代科學技術發展的基礎和支柱。鑒于材料科學在社會發展中的重要性，各大院校幾乎都開設立了材料科學專業。

材料科學的主要任務是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、性質和效能之間的關系，這四者也被稱為材料科學四要素。而材料科學基礎課程介紹的正是與四要素相關的基本概念、四要素之間相關作用相互影響的基本原理，以及利用四要素之間的相互關系進行材料開發和制備的基本方法。這就決定了材料科學基礎在材料類專業學生培養方案中的課程地位。材料科學基礎是最重要的學科基礎必修課，它是所有材料類專業課的基礎，是整個材料專業課程體系的核心與紐帶，其他專業課都是在它的某個分支上的延伸或者是在此基礎上的拓展。例如材料分析測試課程是以材料科學基礎課程講述的材料結構的相關知識為基礎的，材料加工原理課程則是以材料結構的形成和轉化的相關知識為基礎，材料失效與防護課程是對材料科學基礎課程涉及的材料的使用效能和組織結構的關系等相關知識進一步延伸，工程材料學和功能材料學課程則是對材料科學基礎課程講述的材料科學四要素的全面深化，并且材料科學基礎課程也是指導學生完成材料綜合實踐及本科畢業設計的理論基礎。

二、材料科學基礎教學改革內容

（一）課程施教難度及改革必要性分析

通過對材料科學基礎課程的學習將達到如下學習目的：使學生掌握材料科學的基本概念和基本原理；幫助學生建立材料科學研究的基本思維體系，培養學生運用基礎理論解決材料工程實際問題的能力；為進一步學習后繼專業課程、從事材料科學研究和工程技術工作打下堅實的理論基礎。針對該教學目的，本課程要講授的重點內容包括“晶體學基礎”“固體材料的結構”“晶體缺陷”“材料的塑性變形”“回復與再結晶”“固體中的擴散”“相圖理論”“凝固理論”和“固態相變”共九章內容，其中“晶體學基礎”“固體材料的結構”和“晶體缺陷”主要是圍繞固體結構的特點以及如何描述固體結構展開，“材料的塑性變形”和“回復與再結晶”則是講述在力、熱等作用下材料結構的形成與轉化規律。另外，“晶體學基礎”“固體材料的結構”“晶體缺陷”“材料的塑性變形”和“回復與再結晶”這五章也可歸結為材料的結構特點以及結構與力學性能之間的關系，也就是金屬強化理論?！肮腆w中的擴散”和“相圖理論”分別從動力學和熱力學角度闡述結構轉化的基本規律，“凝固理論”和“固態相變”則是利用結構轉化的基本規律對組織結構進行調控。由此也可以看出，首先，本課程內容龐雜、理解和記憶難度大，具體表現在原理規律多：涉及原理、規律幾十個；概念定義多：名詞、定義近300個；關聯學科多：物理、化學、金屬及陶瓷等；抽象內容多：微觀結構和結構轉變過程看不見、摸不著。其次，材料科學基礎是材料專業學生的首門專業課，學生在此前幾乎無專業基礎。本課程的開課時間為大二下學期和大三上學期，處于學生的課業高峰期，兩學期平均周學時都在20 課時以上，學生學習任務重。再加之目前新時代國防和軍隊建設迫切需求新型軍用材料工程專業人才，促成了“強軍新工科”理念的發展。而工科教育更注重學生的全方位發展，增加了各種實踐環節的教學，導致新一輪培養方案中基礎理論課程的課內學時大幅壓縮。因此，如何在有限的學時內最大限度地提升學生的學習效率成為當務之急。

（二）教學改革手段及措施

針對該情況，我們利用雨課堂這款智慧教學工具實施全周期互動式教學改革，將教學過程拓展為課前、課中和課后三個環節?！坝暾n堂”是清華大學教育辦公室和MOOC 平臺“學堂在線”教育開發的一款將“教育”和“互聯網”糅合在一起的混合式教學軟件，通過構造“智慧課堂”充分利用信息化技術手段提高教育教學質量。首先，利用“雨課堂”可以將用于普通課堂教學的PPT 課件傳輸到手機微信，再利用微信公眾號傳送到學生手機微信，讓學生們在微信上觀摩授課過程，突破了傳統教室內空間的限制，而且在學習過程中學生可以實時反饋信息，方便教師了解學生學習動態。其次，利用“雨課堂”可以實現在線測試和研討?！坝暾n堂”擁有在線答題功能，在授課過程中教師可以隨時通過“雨課堂”推送測試題給學生，實時檢測學生的學習效果，便于教師了解學生對相應知識點的掌握程度。此外，教師還可以通過“雨課堂”推送預習資料、課后作業和復習資料等教學資源，學生可以隨時隨地查看并進行碎片化和自主化學習，同時將遇到的問題實時反饋給老師。因此，利用“雨課堂”可以實現“課前自學—課中互動—課后鞏固”的全周期互動式教學環節：課前發布預習內容及預習問題，完成知識記憶、知識引用及拓展；課中聚焦知識主線的學習，采用預習效果及已學知識的測試，問題的引入、問題的研討，知識點的梳理與講解的形式，完成知識要點的學習；課后環節，通過作業完成知識的理解與應用，通過課外拓展問題的研討深化對知識的理解及能力的培養?！坝暾n堂”的全周期互動式教學能夠動態地反映整個教學過程，突破傳統教學的時空限制，使學生更高效輕松地學習。具體改革措施包括：

1.重構課程教學內容。梳理知識體系，理清教學主線，將教學內容劃分為知識主線及主線的引申兩大部分，使教學過程中的知識脈絡更加清晰，學生更加易于理解和掌握。結合教學模式改革，加強課程中的基礎理論與材料科學和工程的聯系，依據布魯姆認知模型，提升課程的高階性，并注重能力培養與價值體系的塑造。

2.改進教學模式。研討型教室與“雨課堂”軟件相結合，構建智慧教室，采用小班化分組模式開展教學。通過案例式教學、問題式教學、研討式教學、動態考核等方式，開展以學生為學習中心的教學模式改革，注重調動學生的積極性與參與性，提升課程挑戰度，注重創新性思維的培養。在教學過程中，始終營造認真、嚴謹、科學的學習環境，使思政教育潤物無聲。

3.加強課程資源建設。為配合教學模式改革，不斷優化課件內容，在課件上用更多的問號和省略號代替句號、感嘆號；不斷完善視頻資源、教具、模型、案例庫、分級試題庫的建設。分級試題庫包括強化基本概念及基本理論掌握的基礎題庫、強化基礎知識應用和提升課程挑戰度的綜合題庫（包括計算題、問答題、綜合分析題、案例解決方案設計、設定目標達成的解決方案等）。優質課程視頻用于引導學生的課外學習。教具、動畫將微觀結構可視化，結構轉變形象化。針對材料科學的工程應用背景，引入大量貼近生活生產、貼近武器裝備的使用與維修、貼近科技前沿與裝備發展的案例，引導學生創新思維，培育學生“探本求真”的科學態度和“姓軍為軍”的使命意識。

4.改進考核方式。借助“雨課堂”軟件，將單一的終結性考核轉化為涵蓋課前、課中和課后的過程性考核與最終考核相結合的方式，其中過程考核占比40%，最終考核占60%?？己朔绞降母母锾嵘苏n堂活躍度，提高了教學的針對性，也使學習成績評價更為合理。

（三）改革措施實施案例簡介

下面以反應擴散這節內容的教學為例，介紹全周期互動式教學方式的實施。課前通過“雨課堂”發布預習內容及預習問題，引導學生完成相應的線上視頻課程及教材章節的學習。課中，首先利用“雨課堂”進行課前測試，測試學生對前序知識及預習內容的掌握程度。而后，通過兩個例子“齒輪表面通過滲碳獲得一定深度滲碳層以增大強度提高耐磨性”與“空氣中置放一定時間的金屬表面易形成一定厚度的氧化層”提出問題：滲碳層和氧化層是如何形成的？有新相形成的擴散體系中，擴散組元及新相的分布有何特點？通過問題的引入，引導學生了解本次課要解決的問題是什么；通過對常見的純金屬板的氧化過程的研討，引導學生知道如何解決問題，再將研討過渡到基本概念及基礎理論的全面闡述，完成知識的講解；通過“雨課堂”發布課堂練習，加深學生對所學知識的理解和應用，通過對課堂練習問題的進一步翻轉，開展高階性訓練，深化學生對知識的理解；最后通過研討貼近軍事科技前沿的案例“高超聲速飛行器的鼻錐和翼前緣表面Ir 改性熱防護涂層的制備”，引燃課堂，進一步拓展知識的應用，培養創新性科學思維及分析解決問題的能力。課后，通過“雨課堂”的討論區發布與案例相關的拓展問題：你能分析一下影響涂層厚度的主要因素嗎？若要得到擴散元素在涂層中的擴散激活能，如何設計實驗？由此引導學生進行課外研討，深化基礎理論的應用。如上所述利用“雨課堂”進行全周期互動式教學，在提高學生學習效率的同時，也注重了對學生自主學習能力的培養。

三、結語

通過全周期互動式教學方式的改革，我們創新了教學內容：凝練了材料科學基礎理論的知識核心及發展主線，強化了材料科學基礎理論與工程實踐和科學研究的聯系，注重課程思政建設，重構了重視知識、能力與價值共同培養的教學內容，增強了學生學習的獲得感。優化了教學模式：結合信息技術和網絡資源，通過聚焦知識主線的課內學習、強化自我學習能力及知識應用與拓展能力培養的課外學習，拓展了教學空間，突出了學生的學習主體地位。教學改革使課堂教學的效率顯著提高，課堂活力顯著增強，并強化了科學方法與科學思維的培養，提升了課程的高階性、創新性和挑戰度。豐富了教學資源：動畫、教具的建設使微觀結構及其轉變可視化，降低了課程學習難度；通過分級試題庫的建設，支撐了對知識記憶、理解、應用及深化能力的培養；通過優質課程視頻資源的建設，使學生自我學習能力得到提高；通過案例庫的建設，加強了基礎理論課程與生產生活、武器裝備和科學研究的關聯度，并有效地支撐了課程教學的實施及課程目標的達成。改革了考核方式：以形成性考核取代了單一的終結性考核，增強了課堂活力，及時掌握了學生的學習動態，也使學生學習效果評價更為科學合理。

國防科技大學人才培養目標是為全軍培養通用專業和聯合作戰保障人才。材料科學與工程專業畢業生應具備武器裝備試驗、使用、維護和維修能力和解決材料科學與技術實際問題的能力，以及具備在試驗評估技術、無人作戰、新概念武器、人工智能等領域任職所需的材料科學與工程專業知識和實踐技能，為提高我軍信息化作戰能力、新型裝備的發展和新型戰斗能力的生成貢獻關鍵力量。材料科學基礎作為軍用材料工程專業的專業基礎理論課程，在達成人才培養目標的過程中發揮著極其重要的作用。在平時的教學中，我們只有與時俱進，不斷進行教學改革創新，積極探索新的教學方式，全面提高教學效率，方能不辱使命。