材料科學基礎課程的“四重構”與“兩創新”教學改革

田相鑫，章 強，李傳明，劉 偉，苗 欣

（1.臨沂大學 材料科學與工程學院，山東 臨沂 276000；2.臨沂大學 國際教育交流學院，山東 臨沂 276000）

2017 年是中國工程教育發展史上里程碑式的一年，新工科建設的“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”均在這一年出臺，為中國高等教育新工科發展擘畫了藍圖，指明了方向，提供了路徑[1-3]。針對新工科建設和發展要求，全國各大高校開始結合自身特色，主動思考，積極行動，在校企、校校、校地、校家等不同層次、不同維度開展了協同育人的教育改革與探索。與此同時，“復旦共識”明確指出，我國高等工程教育專業認證體系已經實現國際實質等效，基于產出導向（Out-come based Education）和以學生為中心的教育理念也日益深入人心[4-5]。從人才培養方案入手，結合學生自身發展和服務國民經濟發展的需求，重新構建人才培養目標，建立更加科學的課程體系，依據課程在人才培養方案中的支撐關系重構課程目標，進而實現對課程內容、課堂組織模式、課程資源及考核方式的深入改革，目前正方興未艾。

此外，現代科學技術的迅速發展同樣在教育領域產生了深遠的影響[6-7]。一方面，互聯網和現代信息技術不斷進入教育教學領域，智慧教室、微格教室等教學與學習環境的更新，包括國家精品課程在內的網絡資源的極大豐富，都對教師的教和學生的學提出了新的更高的要求。另一方面，伴隨中國互聯網行業一同成長起來的“00后”已經成為大學的絕對主力，利用智能手機、平板、電腦等電子設備獲取知識已經成為他們與生俱來的本能，學生的學習習慣和特點已經發生了根本性的改變。但是，教學模式僵化，教學內容落后，教學實踐脫節等問題在廣大中國高校的教學中仍然普遍存在，已經難以與當代大學生的學習需求和學習特點相匹配。中國高等教育學會前副會長陳浩教授就曾直言，不進行異常教學方法的革命性變革，不足以搬掉阻礙人才培養質量提升的一大屏障，不足以煥發大學教育活力青春[8]。因此，高等教育課堂教學模式的改革亟待深入推進。

為此，本文以材料科學與工程領域傳統基礎課程——材料科學基礎的教學改革實踐為例，基于以學生為中心和產出導向的教育理念，分析了當代大學工程教育中普遍存在的痛點問題。基于雨課堂和BOPPPS 模式（即導言（Bridge-in）、目標（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Postassessment）、總結（Summary）），對課程目標和理念、教學內容和資源、教學環境和模式及教學團隊設計了“四重構”教學改革方案，并針對課程思政建設、教學評價模式進行了“兩創新”，收到了良好的改革效果，并希望能夠對其他工程類專業基礎課程的改革提供思路和借鑒作用。

一、教學過程中的“痛點”問題分析

材料科學基礎課程是材料類專業國家質量標準中建議開設的重要專業基礎課程。在材料類專業的知識體系和課程設置中，它處于公共通識課程與專業核心課程之間的橋接部分，具有承上啟下的重要作用。隨著國家深入推進新工科建設發展、高校中專業工程教育認證工作的進一步鋪開及教育信息化的發展，傳統的材料科學基礎課程教學模式已經無法滿足行業要求和學生需求，嚴重影響了學習質量和對培養目標的有效支撐。具體地，材料科學基礎課程教學存在如下三個“不足”的問題。

（一）特色育人功能不足

材料科學基礎課程的特色育人功能主要體現在三個維度上。首先，材料科學基礎課程源于金屬材料方面的專業課程，包括金屬學、金屬物理學等，知識體系和框架仍然延續著金屬材料的專業特點，沒有很好地體現對高分子材料、無機非金屬材料、復合材料等專業的培養特點，也沒有很好地融入目前先進材料的設計和發展理念，不能有效承擔材料科學與工程專業寬口徑的人才培養任務。其次，教學內容更新緩慢，缺乏對最新研究成果的吸收和更新，課程的創新性、高階性和挑戰度不足。第三，教學手段不足，課程知識大水漫灌，“老師一人累，學生集體懵”的現象仍頻繁出現。

（二）實踐育人功能不足

材料類專業屬于實驗學科，對于實驗、實踐的要求很高。但是，材料科學基礎課程中所涉及的內容又具有理論性強和抽象性強的特點，很多專業術語、概念、現象對于學生而言首次接觸，缺乏直觀印象，更不知道這些知識的實際應用場景，純粹的理論講解效果較差。因此，在授課過程中進行理論與生產實踐和科學研究的有機融合，充分滿足學生的研究、創新、創業需求，是材料科學基礎課程改革的一個重要方向。

（三）思政育人功能不足

專業課程的教學往往注重知識的傳授，對學生價值觀的引領作用不強，思政育人功能薄弱，而思政教育對專業教育的反哺功能就更加不足。寓價值引領于專業教育，實現思政教育的春風化雨、潤物無聲，充分發揮專業課程思政育人功能，實現思政教育與專業教育的有機互補、相互促進，是材料科學基礎課程改革的另外一個重要方向。

二、基于學生健全發展的教學改革“四重構”

針對材料科學基礎課程在實際教學過程中存在的“三不足”問題，本論文通過深入研究和課堂實踐，將學生發展為中心和產出導向的教育理念深度融合，系統提出了教學目標與教學理念重構、教學資源與課程內容重構、教學環境與教學模式重構、教學團隊重構的“四重構”的教學設計創新和改革方案，并進行了教學實踐，如圖1 所示。

圖1 材料科學基礎課程的“四重構”與“兩創新”教學改革

教學目標與教學理念重構。表1 為學團隊在人才培養方案重新修訂的基礎上進行頂層設計和整體布局，基于OBE 理念，以學生發展為中心作為基礎，重新構筑了課程教學目標。重構之后的教學目標更加體現了學生在教學過程中的主體地位，能夠對畢業要求實現更加有效的支撐，滿足OBE 的人才培養要求。同時，知識—能力—思維與三階課程目標深度融合，形成了層次分明又聯系密切的教學目標體系。

表1 基于產出導向和“以學生為中心”的教學目標重構

教學資源與課程內容重構。在教學目標重構的基礎上，教學團隊以“寬口徑、厚基礎、個性化”為指導，對課程內容進行了梳理、更新和重構。“寬口徑”重在對教學內容進行廣度拓展，例如在金屬材料專業的教學中，融入一定的高分子材料、新能源材料的相關內容，幫助學生打開學習和研究的思維。“厚基礎”則重在針對性地對教學內容進行深度強化，例如在高分子材料專業教學中，擴充、深挖關于范德華力、氫鍵的相關教學內容。“個性化”則重在針對培養專業方向，對教學內容進行個性化定制，例如在金屬材料專業的教學中強化準晶態的講解，并進行高熵合金的介紹。在課程內容的重構基礎上，教學團隊重視吸納近期的重要研究成果，對課程內容進行了更新，例如對于大角度晶界的授課中，就根據最新的研究成果介紹了大角晶界中存在的對稱結構。在教學資源建設方面，依托“智慧樹”平臺，本課程建設了線上課程，為學生課下學習量身打造了在線課堂，并從科學前沿、教師科研、工程實踐三個維度，師生共建了教學案例庫，將課堂教學與科學研究、生產實踐進行了有機融合，極大地激發了學生的學習熱情和創造性思維。目前，教學案例庫中包含科學前沿案例100 余項，教師科研案例20 余項，工程實踐案例40 余項。

教學環境與教學模式重構。針對當代學生的學習特點和教育信息化的發展，教學團隊依托智慧樹平臺建設了材料科學基礎的在線課程，并充分借助國家精品課程的在線開放資源，實現了線上-線下的深入融合，為學生提供了更加全面的學習資源。此外，如圖2 所示，本課程采用了基于雨課堂和BOPPPS 的課堂模式，有機統一“課前—課中—課后”的整個學習環節，有效幫助教師掌握學生的學習效果，把握學生的學習軌跡，實現教與學的有效融合。在這一模式下，學生的學習自主性和積極性得到了激發和調動，有相當一部分記憶、理解型知識可以從課堂轉移到課下，釋放了課堂時間，師生可以就更加復雜的課程內容進行充分和深入的探討，教學互動與翻轉課堂的設置也會更加充分和有效。此外，本課程還進行了實踐教學場景的拓展與創新，創設了“傳統教室-智慧教室-實驗室-生產車間”的四重教學空間，并積極帶領學生參與全國大學生金相技能大賽、“挑戰杯·揭榜掛帥”專項賽、熱處理創新創業大賽等賽事，著力打通專業課程與實踐實訓、創新創業、科學前沿之間的壁壘，激發學生主動學習探索的熱情。

圖2 基于雨課堂的BOPPPS 課堂組織模式設計

教學團隊的重構。針對學生的培養方向和個性化學習的需求，結合教師自身教育經歷、科研方向和產業背景，對教學團隊進行了重構，并且建立定期教學研討、師生交流互動的制度，最大程度保證“寬口徑、厚基礎、個性化”教學設計的順利實施。

三、課程思政的科學布局與設計創新

專業課程思政建設在高校育人育才并舉的教育教學目標中具有重要的地位，課程思政與專業課程之間應當是相輔相成，互相促進的關系。根據專業和課程特點，本課程編制了思政培養目標，從尖端制造破瓶頸、工程實例建思維、科學前沿促創新、科技報國有擔當、環境保護樹意識、文理交融增溫度、感人事跡立榜樣及紅色精神揚旗幟八個模塊進行了思政元素的深入挖掘，形成了內容豐富、時代性教育性強、與課程內容結合緊密的課程思政案例庫，既春風化雨，潤物無聲，又驚濤拍岸，醍醐灌頂。

四、多維度、立體化考核體系的創設與課程評價機制的創新

科學的考核體系是良好教學效果的保證，教學團隊基于課程目標，制定了多維度、立體式的教學評價與反饋機制，并且利用背景評估（Context）-輸入評估（Input）-過程評估（Process）-成果評估（Product）的課程評估模式（CIPP 模式）建立了全方位的課程評估改進體系。

根據表2 可知，依托雨課堂平臺，教學團隊將過程性考核細分為圖文考核、隨堂測試等7 個維度，每個維度給建立了具體的評價標準，涵蓋課前—課中—課后全部學習階段，并且利用雨課堂平臺進行團隊任務的布置和課程思政教學效果的評價與考核。

表2 “多維度、立體式”教學考核體系的構成和占比

此外，如圖3 所示，教學團隊基于CIPP 模式對課程進行了全局化的整體評估，持續更新教學內容，改進教學手段，優化教學資源，保證課程教學的健康、可持續發展。

圖3 基于CIPP 模式的材料科學基礎課程評價體系

五、教學成效與課程建設反思

隨著教學改革的進行和深化，學生學習成績穩定提升，實踐創新能力明顯增強，教師教學能力得到鍛煉，課程示范推廣效應也在逐漸顯現。如圖4 所示，在命題策略穩定，命題難度系數基本不變的情況下，學生卷面成績總體呈現上升趨勢。另外，在2020—2022 年連續三屆研究生入學考試中專業課程（材料科學基礎）的平均成績也在穩步提高，有力證明了課程改革和創新的成效。

學生實踐創新能力也得到了明顯的提高。自2018 年以來，以教學團隊教師作為主要發起者和組織者，已經連續成功舉辦了三屆校級大學生金相技能大賽，參與人數逐年增多。截至2021 年，共有19 人次在省級以上金相技能大賽獲獎，其中全國一等獎1 項，二等獎3 項，并在“挑戰杯·揭榜掛帥”專項賽中獲得全國二等獎的優異成績，從另一個角度證明了課程改革和創新的成效。

圖4 材料科學基礎課程歷年卷面成績及研究生入學考試專業課程（材料科學基礎）平均成績對比

六、結束語

材料科學基礎是材料類專業的核心基礎課程，本論文針對教學過程中存在的“三不足”痛點問題，遵循以學生為中心的教學理念，從教學目標與教學理念、教學資源與課程內容、教學環境與教學模式、教學團隊四個層面設計了“四重構”的改革方案，并針對課程思政建設和教學評價反饋機制進行了“兩創新”設計。自教學改革實施之后，學生學習效果、實踐創新能力及教師教研能力都得到了明顯提高，收到了良好的改革效果，并為更多專業課程的教學提供了改革設計參考。