新工科背景下冶金工程專業(yè)基礎(chǔ)課多媒體教學的再探討

摘" 要：針對以板書為主的傳統(tǒng)教學手段缺乏直觀性、嚴重影響學生理解和掌握冶金工程專業(yè)基礎(chǔ)課基本理論和概念的問題，現(xiàn)代化多媒體教學模式因其形象逼真的視覺效果、高效有趣的講授特點，成為當今課堂教學的主流方向。其中，多媒體課件的質(zhì)量高低是決定教學效果的關(guān)鍵，而圍繞教學大綱的材料選取與制作技巧是重中之重。課上課下及時修改更正不足，優(yōu)化完善課件內(nèi)容和展現(xiàn)方式，保證課件的與時俱進，才能不斷提升多媒體教學的效果和質(zhì)量，才能引導(dǎo)學生主動學習、自我探索，自發(fā)積極參與到課堂教學的主戰(zhàn)場，助力學生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)與提升。

關(guān)鍵詞：新工科；冶金工程；多媒體教學；教學質(zhì)量；專業(yè)基礎(chǔ)課

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）29-0034-04

Abstract： In view of the lack of intuitiveness of the traditional teaching method based on blackboard writing， which seriously affects the students' understanding and mastery of the basic theories and concepts on the metallurgical engineering basic courses， the modern multimedia teaching mode has become the mainstream direction of classroom teaching because of its vivid visual effect， efficient and interesting teaching characteristics. Among them， the quality of multimedia courseware is the key to determine the teaching quality， and the selection skills of materials on syllabus are the most importantfactor. In order to improve the effect and quality of multimedia teaching， we should modify and correct the shortcomings in time after class， optimize the content and display way of courseware， and ensure that the courseware keeps pace with the times， students can be guided to take the initiative to learn and explore themselves spontaneously， and actively participate in the main battlefield of classroom teaching， helpingthem to analyze and solve problems.

Keywords： new engineering; metallurgical engineering; multimedia teaching; teaching quality; professional basic course

北京科技大學（以下簡稱“我?！保┑囊苯鸸こ虒W科是國家一級重點學科，同時也是我校的優(yōu)勢特色學科，連續(xù)數(shù)年學科評估獲評A+，“軟科世界一流學科排名”全球第一，著重培養(yǎng)冶金領(lǐng)域的領(lǐng)軍型人才和高級工程技術(shù)人才。為了實現(xiàn)人才的培養(yǎng)目標，專業(yè)系統(tǒng)的課程設(shè)置是學生掌握基礎(chǔ)知識、提高能力水平的保障。冶金物理化學等是冶金工程專業(yè)本課生的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，要求學生必須掌握的知識點包括難于理解且抽象的基本概念如活度及標準態(tài)、繁雜枯燥的相圖如三元系相圖、無從下手的多元多相反應(yīng)動力學等。在尚未開始學習之前，由于同學間的屆屆相傳而產(chǎn)生畏懼困難、消極抵觸的情緒[1]。因此，對于高校專業(yè)基礎(chǔ)課教學而言，培養(yǎng)學生的學習興趣、激發(fā)學生的學習熱情從而提升課堂教學效果成為首要解決的問題。

多媒體教學兼具課堂知識容量大、形象、直觀等優(yōu)點，能夠?qū)⒄Z言文字融匯進表格圖形，借助音頻、動畫、視頻等多種方式講授內(nèi)容，利用形象生動的畫面逐步分解復(fù)雜抽象、枯燥無味的難題，引起學生視覺、聽覺的共鳴。這樣的教學模式在一定程度上使教學內(nèi)容一目了然，不但能夠加深學生對抽象概念、定理、相圖的深入理解和掌握，還可以激發(fā)學生學習的主觀能動性[2]。在有限的教學時間內(nèi)增進師生互動和生生互動的頻次，在保證教學質(zhì)量的前提下，極大提升教學效率[3]。

一" 傳統(tǒng)多媒體教學的設(shè)計特色

以冶金工程專業(yè)基礎(chǔ)課程冶金物理化學教學為例，多媒體教學設(shè)計具有以下特點[4]。

（一）" 微觀的問題宏觀化

冶金物理化學動力學部分教學內(nèi)容重點是講解清楚多元多相反應(yīng)的具體歷程，找出限制性環(huán)節(jié)，定量導(dǎo)出其動力學方程。以氣-固反應(yīng)為例，比如含鐵球團的間接還原反應(yīng)、含鋅粉塵的直接還原過程等。針對反應(yīng)FeO+CO=Fe+CO2，其相應(yīng)的反應(yīng)步驟包括：還原反應(yīng)剛剛開始時，CO氣體從氣體邊界層擴散到FeO固體表面，兩者在表面處發(fā)生反應(yīng)后生成了固態(tài)Fe和CO2氣體，接下來生成的CO2氣體從Fe表面擴散到氣體邊界層，隨后進入氣體的本體中。一旦反應(yīng)開始，則上述含鐵球團的反應(yīng)歷程增加至五步，即CO氣體的外擴散和內(nèi)擴散，CO2氣體的內(nèi)擴散和外擴散，以及界面化學反應(yīng)[5-6]。

針對上述宏觀氣-固反應(yīng)的具體微觀歷程的推演與講解，傳統(tǒng)基于板書的教學過程，即使教師在黑板上畫出簡單的示意圖以增進學生的理解，力求使學生通過教師事無巨細的描述獲得初步認知，然而，涉及反應(yīng)過程中反應(yīng)物與產(chǎn)物的微觀物相變化以及界面處的吸附、化學反應(yīng)、脫附步驟，學生無法獲得具體直觀的感官認知，只能死記硬背知識點，不能真正了解問題的本質(zhì)。但是，如果將上述這些微觀過程均以動畫游戲的生動形式或借助其他多媒體技術(shù)形象地表現(xiàn)出來，不但能夠極大激發(fā)出學生深厚的探究興趣，同時也能大大加深學生對抽象反應(yīng)歷程的認識，做到真正掌握分析問題、解決問題的本質(zhì)。

（二）" 靜態(tài)的問題動態(tài)化

我們發(fā)現(xiàn)，在講解相圖相關(guān)內(nèi)容時，相較于冶金領(lǐng)域經(jīng)常涉及的二元系相圖[6]，例如CaO-SiO2、CaO-Al2O3、FeO-CaO等，三元系相圖在空間幾何構(gòu)成上復(fù)雜多變，給具體分析問題的過程中帶來許多麻煩。即便是對于一些空間想象力豐富的理工科專業(yè)同學來講，在其進行分析計算、解決實際空間問題時也會常常感覺困難重重。特別值得一提的是，針對含有一個二元不穩(wěn)定化合物生成的復(fù)雜三元系相圖，在分析某一特定三元組成的體系冷卻時，由于高溫熔融生成的新物質(zhì)的理化特性各有不同，尤其是凝固相變過程錯綜復(fù)雜，很容易使人誤入歧途，導(dǎo)致錯誤的冷卻途徑和結(jié)果。學生往往難以分析想象在復(fù)雜的三維空間環(huán)境中，具有特定組成的體系隨溫度降低而產(chǎn)生的物相結(jié)構(gòu)變化與液相的凝固終點，畏難情緒與日俱增，見到稍微復(fù)雜的相圖就害怕，輸在了心理上[7]。通過借助多媒體動畫技術(shù)，我們可以利用空間相圖逐步拆解的動畫模式，獲得投影平面圖進行點線面物理意義的闡釋；利用動態(tài)的步冷曲線的連續(xù)變化和每個相變過程的動畫展示，將靜態(tài)的、不連續(xù)的冶金過程活躍起來，不斷刺激學生的大腦使其始終處于興奮狀態(tài)，獲得相對深刻的記憶。

（三）" 表達的方式多元化

例如，在講解冶金動力學的難點之一相際傳質(zhì)，推導(dǎo)多相反應(yīng)動力學公式過程中，有效邊界層概念的引入和闡述就可以利用多種現(xiàn)代化技術(shù)手段來進行展現(xiàn)。一幀幀的圖像描繪、生動的短視頻分析等，都將賦予枯燥的理論推演以豐富的生命活力，促使學生由不愿意學習轉(zhuǎn)變?yōu)橄矚g學習，師生關(guān)系和睦融洽，改善教學效果[8]。

（四）" 教學的內(nèi)容充實化

大量教學實踐表明，采用多媒體教學可以為教師節(jié)省大量的時間，簡單的圖像和動畫能夠清晰地展現(xiàn)出大篇幅語言文字的描述結(jié)果。因此，在同樣的教學時間內(nèi)，教師可以針對某一重點內(nèi)容，從不同角度、不同層次、不同廣度加以說明和挖掘，同時，對不同水平學生而言，真正做到有的放矢、因材施教。通過營造良好的課堂氛圍，加深學生對課堂教學內(nèi)容知識的深層次理解，力爭做到舉一反三、融會貫通，切實掌握當堂課的教學內(nèi)容。長此以往，取得良好的教學效果。

總之，采用現(xiàn)代化多媒體技術(shù)進行課堂教授，綜合協(xié)同利用形象生動的音頻、視頻等手段助力學生理解和把握重點和難點內(nèi)容，激發(fā)學生的求知欲和自我提升的能動性。

二" 多媒體教學的優(yōu)化與改進措施

為了確保多媒體教學的順利進行，精良課件的設(shè)計制作、優(yōu)化改進與完善是必備的前提條件，極大影響課堂的教學質(zhì)量和教學效率，同時也成為全面提高課堂教學效果的關(guān)鍵所在[8]。

（一）" 立足課程的教學大綱，針對具體的課堂教學內(nèi)容，精心設(shè)計制作課件

根據(jù)課程教學大綱的要求，在內(nèi)容客觀充實、邏輯清晰的基礎(chǔ)上，最大限度做到重點內(nèi)容突出、難點知識簡化、層次分明、生動具體?；诖?，在組織、制作多媒體課件時應(yīng)該著重從以下幾方面入手，做到有的放矢。

針對每節(jié)課的教學目的和目標設(shè)定，廣泛收集密切相關(guān)的教學資料。例如，不同時期傳統(tǒng)經(jīng)典的冶金物理化學教材和講義，不同年代的課程輔導(dǎo)資料和筆記、專著及期刊雜志中相應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究，以及與冶金物理化學緊密相連的相應(yīng)學科如物理化學、無機化學等資料，尤其是一些典型的影像、視頻、圖片和軟件等等，都將成為鮮活豐富的素材在課件制作過程中發(fā)揮各自獨特的作用。特別是那些開創(chuàng)冶金物理化學學科的科學家的生平、求學經(jīng)歷、學術(shù)貢獻及真理探究等，增加了理工科課堂講授的人文性，同時融思政于教學實踐活動。針對某一公式原理的引出，不再是干巴巴的邏輯推演，而是將定理或理論提出的前期背景、發(fā)展歷程、模型修正娓娓道來，讓學生仿若身臨其境，極易引起其共鳴，加深對基礎(chǔ)理論的認識和理解。

在制作課件的具體過程中要時刻兼顧課件所具有的實用性和藝術(shù)性。背景模式和顏色的選擇是整個課件的基調(diào)，要求簡潔明朗、顏色柔和且飽和度低，人眼長時間觀看時非常舒適，不容易疲累。文字的描述則是課件內(nèi)容的關(guān)鍵，其中章節(jié)的標題、關(guān)鍵詞匯、重點語句的闡釋等要求醒人耳目、抓牢學生的眼球。為了達到上述目標，文字的顏色與背景顏色反差要大，字體選擇、大小搭配、位置確定和出現(xiàn)次序等都需要與教師講解以及強調(diào)的順序協(xié)調(diào)一致。重要的是，文字出現(xiàn)的時間應(yīng)該能夠基于課堂內(nèi)容的難易程度，學生對于重點、難點的理解程度以及學生平均做筆記的速度，做到及時調(diào)整。力爭引導(dǎo)學生跟著老師的講課思路走，避免只顧低頭記錄，錯過師生互動的最佳時機。當涉及到反應(yīng)方程式及公式推導(dǎo)時，應(yīng)盡量做到整個邏輯推理過程在一頁PPT上展示出來，保證學生邏輯思維的連貫性。在此基礎(chǔ)上，針對字體較小的部分，可以進行局部放大，做到心里有數(shù)。切記不要頻繁跨頁推導(dǎo)，確實不能在一頁PPT上寫出完整過程時，可以將上一頁PPT中的最后兩三行，在下一頁PPT中再次重復(fù)出現(xiàn)，避免學生的思維斷檔，在今后的復(fù)習過程中不知所云。

作為多媒體技術(shù)的重要特色之一，色彩斑斕的圖片、生動活潑的動畫、信息豐富的短視頻是教師制作課件的最愛，同時也是學生聽課時的享受。以Ellingham圖講解如何分析判斷CO與H2的還原能力大小為例[5，7]，我們可以在此圖中利用不同顏色、形狀、粗細的線條將涉及到的反應(yīng)的相應(yīng)線段突出勾勒出來，學生能夠清晰地找到CO、H2參與還原反應(yīng)的變化趨勢。根據(jù)H2-H2O線與反應(yīng)2CO＋O2＝2CO2的？駐fG*-T線相交于1 083 K（810 ℃）可以初步判斷出，在標準狀態(tài)下，當反應(yīng)溫度高于810 ℃時，H2的還原能力強于CO。這為目前國家倡導(dǎo)的“2030年碳達峰、2060年碳中和”的低碳、低能耗冶金工藝革新提供了一定的理論基礎(chǔ)。另外，對于某些抽象概念的精確引出，例如對真實溶液中的活度概念的準確引出，可以首先講解拉烏爾定律以及亨利定律描述的定量規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，針對相應(yīng)濃度的取值范圍的要求，先給出明確的結(jié)論，再講解活度出現(xiàn)的時機與條件，啟發(fā)學生積極思考，分析并提出解決問題的思路與方法[9-10]。教師上課時采用不同的教學活動元素、手段及方式，能夠極大減輕學生大腦神經(jīng)的緊張程度，促使學生在身心愉悅的前提下，積極主動自覺地投入到課堂學習和師生互動、生生互動的教學實踐活動中。

另外，多媒體技術(shù)在講解冶金物理化學課程的難點，如多元系相圖、多相反應(yīng)動力學機理等方面，擁有傳統(tǒng)板書教學過程不可比擬的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在課件制作過程中。針對復(fù)雜枯燥的教學內(nèi)容采取化整為零、逐一分解的方式，將涉及的圖形、圖表、數(shù)據(jù)等拆分成獨立存在的簡單單元，根據(jù)自定義動畫進入或退出的動作方式，分散開來逐一展示。在此基礎(chǔ)上，學生的畏難情緒可以降低，同時借助對簡單基本概念、公式、定理的掌握，重新進行自我吸收與整理，逐漸增強克服一個個困難的信心。盡管上述制作過程加大了教師的工作量，但由此帶來的教學效果的提升、學生認知的提高是令人滿意的[11]。

例如，在分析解決鋼鐵企業(yè)冶煉工藝過程中出現(xiàn)的具體問題時，針對實際的高爐渣、鋼渣等復(fù)雜多元渣系，教學中通常以CaO、SiO2、Al2O3物質(zhì)組成的CaO-SiO2-Al2O3三元相圖（如圖1所示）[5]的圖形幾何特點以及相應(yīng)的物理含義進行系統(tǒng)闡述。根據(jù)上述三種物質(zhì)的酸堿特性可知，在高溫熔融條件下，它們之間會相互發(fā)生化學反應(yīng)，生成多種穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的化合物。從圖1中我們可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的二元化合物標注在濃度三角形的三條邊上，包括硅酸一鈣、硅酸二鈣、七鋁十二鈣等等；生成的三元化合物標注在三角形的內(nèi)部，包括鈣斜長石、含鋁方柱石等。在講解過程中，首要任務(wù)就是根據(jù)相圖規(guī)則和熱力學平衡原理，在三元相圖的投影平面圖中明確標出所有物質(zhì)的初晶區(qū)?？紤]到構(gòu)成CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖的幾何元素形式過于繁多和復(fù)雜，因此，為了使得學生能夠清楚了解相圖中點、線、面元素之間的空間關(guān)系，明晰它們各自分別代表著什么物理意義，在配合教學和制作電子課件時，教師可以根據(jù)具體需求，按照由簡入繁的步驟，將整個相圖逐個精確地進行分解化簡，勾繪出若干個結(jié)構(gòu)簡單且清晰準確的完整三元系相圖，接著進行系統(tǒng)分析討論。基于課程講解重點及難點的具體情況，在學生全面掌握冶金過程中常見的典型二元系相圖類型后，我們嘗試在具體教學及實踐案例中，將此相圖分解成學生熟悉的三種類型，利用不同顏色線條構(gòu)成的三角形圖形進行標記，即簡單共晶三元系相圖、含有一個穩(wěn)定二元化合物的相圖以及只含有一個不穩(wěn)定二元化合物的三元系相圖。針對上述不同類型的三元系逐一進行解析，從定性和定量角度詳細描述并計算冷卻過程中不同相變階段的物理化學特征，包括各個平衡階段的反應(yīng)方程式、共存物相的種類和含量、自由度的變化以及體系最終冷卻終點的位置。學生們能夠直觀地觀察到分解后相應(yīng)單元所處的位置以及變化的方向和趨勢，引導(dǎo)學生積極參與分析討論，大膽闡明自己的想法，最終通過對比評判，找到問題所在，加深對于相圖的理解和掌握。

（二）" 基于課堂效果反饋，及時修改更新和完善課件內(nèi)容及制作技巧

采用多媒體技術(shù)精心制作的課件是保障高質(zhì)量課堂教學的關(guān)鍵和前提。只有通過日復(fù)一日、年復(fù)一年的課堂講授實踐、不斷矯正磨合師生間的互動交流，才能真正做到知己知彼、游刃有余，切實提高教學效果和教學效率。然而，不可避免的是，針對不同班級、不同授課對象而言，即使課前綜合考慮了各個方面的因素，在具體的講授和展示過程中也很難做到萬無一失、十全十美。首先，對于課堂講解過程中發(fā)現(xiàn)的文字錯誤、公式推導(dǎo)問題、邏輯的不完善等，教師都應(yīng)該在每次課后及時進行改正和優(yōu)化，并且還要在接下來講解新內(nèi)容前給予說明，同時也要指導(dǎo)學生作出相應(yīng)的更正，確保所學知識的正確性和完整性。其次，課上講授節(jié)奏的調(diào)控、難點重點內(nèi)容的突出、學生參與程度的把握及最新前沿研究的引入，都可以依據(jù)學生的反饋實時進行調(diào)整，通過取長補短，不斷改進、優(yōu)化、完善課件，實現(xiàn)多媒體教學的進一步發(fā)展。

（三）" 將傳統(tǒng)以板書為主的教學方法與現(xiàn)代多媒體教學形式有機密切結(jié)合起來

基于前面總結(jié)的多媒體教學的特點可以發(fā)現(xiàn)，多媒體教學既能使得一些傳統(tǒng)教學內(nèi)容體系里尚未真正涉及到的且大量存在的復(fù)雜微觀問題通過圖片、動畫的形式展現(xiàn)出來，還能夠豐富教學手段和教學方式，課堂信息量也達到了最大限度的擴大。另外，更有意義的是，多媒體技術(shù)的應(yīng)用為教師在課堂教學提供了更加充足的時間。教師在有效合理的時間范圍內(nèi)安排組織學生積極參與課堂活動、平等交流，充分調(diào)動參與活動的每個學生的能動性，將學生的被動參加轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒g的主動交流分享，進而提高課堂教學效果。

但是，值得注意的是，在許多冶金工程專業(yè)基礎(chǔ)課實際教學中，基本概念的闡述、基本公式與原理的推導(dǎo)往往是教學的重點和難點，多媒體技術(shù)在這方面也存在著自身的缺陷。因此，針對過于繁瑣抽象的公式推導(dǎo)以及理論推演的講解，邏輯推理較為嚴密的傳統(tǒng)板書教學過程更勝一籌。此時，我們可以借鑒這種傳統(tǒng)的教學方式，根據(jù)專業(yè)基礎(chǔ)課程各章節(jié)主要知識內(nèi)容的特點，將傳統(tǒng)教學方法與多媒體技術(shù)教學的長處適當匹配與結(jié)合，相輔相成，協(xié)同發(fā)揮兩者的作用，促進學生扎實掌握物理化學基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)其深度分析復(fù)雜問題的能力。

三" 結(jié)束語

多媒體技術(shù)在教學過程中因其課堂知識容量大、直觀形象、引人入勝等特點，成為教學方式的主流。課件的制作質(zhì)量是決定教學效果的關(guān)鍵，其中，根植教學大綱的材料選取與制作技巧是提升多媒體教學的必備基礎(chǔ)；基于課堂效果反饋，及時修改更新和優(yōu)化完善課件內(nèi)容，是不斷提升多媒體教學效果的保障；充分重視每位學生的思維動態(tài)，因材施教、有的放矢，才能助力提高學生參與討論分析問題、解決問題的主觀能動性，最大限度發(fā)揮多媒體教學的優(yōu)勢，實現(xiàn)課堂教學工作效率和教學質(zhì)量的雙提升。

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