材料結構與性能課程線上線下混合式教學改革初探

陳小隨

［摘 要］為加強材料結構與性能雙一流本科課程建設，提高課程教學質量，提升學生的自主學習、科研思維、交流協作、實踐創新等綜合能力，培養兼具扎實的理論知識、熟練的實操技能、高尚的職業道德的復合型人才，文章在總結傳統教學弊端的基礎上，對課程體系和教學內容進行重構，采用線上線下混合式教學模式，同時兼顧經典與前沿、理論與實踐，并引入多模塊化過程考核評價方式進行教學改革探索，以供高校同類課程借鑒。

［關鍵詞］材料結構與性能；課程改革；混合式教學；多模塊化過程考核

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）01-0041-05

中南民族大學（以下簡稱我校）材料化學專業為湖北省高校戰略性新興（支柱）產業人才培養專業，2022年被評為國家一流本科專業建設點，旨在面向戰略性新興產業和支柱產業，培養德、智、體全面發展，具備材料專業知識和技能的工程應用型人才。作為材料化學專業基礎課程之一的材料結構與性能，是一門理論和實踐密切結合的課程，其涉及各類材料（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料）的微觀結構、顯微結構與宏觀力學、熱學、磁學、電導、介電、光學等性能的相互作用機制，以及各種性能的測試表征方法等知識。該課程涉及的理論知識和實踐技能對于提高尖端行業材料性能、升級高新技術等，具有十分重要的指導意義。如何在有限的專業課學時內培養學生扎實的理論知識功底，提升學生分析問題和解決問題的能力，使學生養成獨立自主的學習能力和習慣，以鑄就具有競爭能力和創新精神的復合型高素質專業人才，是新時代背景下授課教師面臨的極大挑戰[1-2]。

一、材料結構與性能課程面臨的重點問題

以我校為例，材料結構與性能課程教學主要存在以下問題：

（一）課程理論性過強與學生基礎薄弱的問題

我校是直屬于國家民族事務委員會的民族高校，主要面向湖北、云南、甘肅、新疆等地區招收少數民族學生，目前少數民族學生人數占在校學生總人數的60%以上。由于教育水平和條件的不均衡，學生之間的基礎知識水平有一定差異。有的學生受教育水平高、接受能力強、學習速度快，而有的學生基礎相對薄弱，學習起來比較吃力。材料結構與性能課程具有非常強的理論性和綜合性，知識點多且抽象，涉及面廣，公式多且計算難，常常導致后進學生學不會，優秀學生學不飽，教師兩頭為難。

（二）課程教學時間短與培養目標高的矛盾

作為一所綜合性高校，我校材料化學專業本科生當前所學的專業課程較多，分配給材料結構與性能的教學課時僅有32課時，該課程教學內容涉及力學、熱學、電導、磁學、介電、光學等，這意味著每章節的教學課時平均僅約5課時。由于課時被壓縮，教師為了完成教學內容，只能蜻蜓點水般講解書面基礎知識，缺少理論深度和橫向拓展，導致學生一知半解、懵懵懂懂、知其然而不知其所以然。這與高水平、高技能、高素質的人才培養目標相差甚遠。

（三）教材知識體系陳舊，與前沿知識脫節

近年來，新材料、新工藝、新理念層出不窮，相關知識不斷更新，科技發展日新月異，而當前教材的內容遠落后于實際知識體系及內容的更新，顯示出當前教材知識體系及內容的局限性。隨著互聯網的發展，學生獲取信息的手段和技術不斷增加和更新，他們不再滿足于陳舊的知識體系及內容，更期望了解和掌握最新鮮、最前沿的熱點知識，也期望未來能夠引領時代發展的潮流。現有的課程知識體系及內容已不能滿足學生對學科前沿的渴望和追求，導致學生學習興趣不高、動力不足。

（四）理論與實踐銜接不足，學生認知程度低

本課程的傳統課堂教學一般以填鴨式教學為主，教師專注于“口頭教學”，學生專注于“理解記憶”，理論與實踐之間缺乏有效聯系和應用。這導致部分學生認知不足，難以將已有的專業知識運用到生產實際中，不能就具體的問題進行分析并提出切實可行的解決方案。實際材料的微觀結構更多樣、更復雜而各種性能也更變化多端，學生在面對這些不在課本范圍內的實際問題時往往因為缺少解決問題的思路而束手無策。這導致部分學生專業知識水平不高，找工作時難以發揮專業優勢，就業競爭力不強。

（五）考核方式單一，學生間差異性小

目前本課程的考核方式還是以平時作業和期末考試為主，過程考核形式單一，難易度不好把握，這導致部分學生平時學習敷衍，臨考前以死記硬背等方式來應付考核。這種以應試為目的的短期突擊法雖能讓學生通過考核，但考核后相關基礎知識會被學生快速遺忘。這種考核方式難以體現出學生的學習態度和學習能力的差異性，也難以篩選出優秀的學生。因此，該課程的過程考核方式必須多元化，期末考題也必須難易適中，要將理論記憶與實踐運用相結合，以全面反映學生的自主學習能力、獨立思考能力以及創新能力。

二、材料結構與性能課程的教學改革與實踐設計

考慮到我校材料化學專業學生基礎薄弱、課程教學分配學時短等問題，本課程教材的理論知識不能過深，必須有相應的實例補充說明。鑒于此，本課程教研團隊選取了陳玉清、陳云霞主編并由化學工業出版社出版的《材料結構與性能》作為主教材。該教材集合了金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料四大材料體系，研究關于其成分、合成加工、組織結構與材料性能的相互關系，并延伸介紹了常用的材料測試和分析研究方法。這可為學生后續精確地設計、合成新材料，更精準地控制、預測其性能等打下堅實基礎。該教材既有廣度又有深度，還簡化了公式推導過程，更側重于材料結構對性能的影響分析，適合短學時材料類專業學生的學習。

（一）重構教學體系和內容，建立教學資源庫

材料結構與性能課程涉及的材料類型多，包括金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類；性能全，包括力學、熱學、磁學、電導、介電和光學性能六大塊。按照我校教學安排，本課程的先修課程為高分子物理課程，后修課程為復合材料課程。為了避免重復講解、重點突出、與實際應用相結合，本課程以金屬材料和無機非金屬材料為主，高分子材料和復合材料略作對比，分成力學、熱學、磁電（電學和磁學很多公式和性能類似，一起講解更有助于學生理解）、介電性能四大模塊（其中光學性能因課時少，應用相對較窄，以學生自學為主）。具體課時分配如下。

第一大模塊（第1、2章）力學部分：材料結構—變形機制（彈性形變、塑性形變、高溫蠕變）—斷裂（斷裂機制—微裂紋理論—斷裂韌性—增韌）—應力應變曲線（8課時）。

第二大模塊（第3章）熱學部分：晶格熱振動—熱傳導—熱膨脹—抗熱沖擊性能（6課時）。

第三大模塊（第4、5章）磁電部分：磁性/電導本質—磁矩/載流子—磁性分類/電導分類—磁疇與磁化曲線—應用（鐵氧體結構與磁性/超導體及特性）（8課時）。

第四大模塊（第6章）介電部分：電極化—微觀機制（位移極化、松弛極化、自發極化）—介電損耗—介電強度—應用（壓電體與壓電性、熱釋電體與熱釋電性、鐵電體與鐵電性）（8課時）。

為了激發學生對本課程的學習興趣、豐富學生的材料知識、開闊學生的材料視野、優化課堂管理，授課教師充分利用本校提供的科研查閱平臺和網絡科技知識平臺（如新知識在線、XOM-L等），將材料的發展歷史、中國瓷器的發展歷史、高分子材料的發展趣事，納米材料、先進陶瓷、形狀記憶材料、奇異的功能高分子、金屬玻璃、超導材料、功能陶瓷、光導纖維、未來鋼鐵材料、3D打印、海洋工程材料等知識，制作成豐富有趣的文檔或小視頻，供學生課前或課后觀看，發散思維，促進學生對本課程乃至本專業的深入思考。另外，本課程教研團隊還建設了材料博物館，收集了各種金屬、陶瓷、高分子材料以及復合材料，種類齊全、信息完整，可以提供本課程教學所需的各種材料道具并作為認知實踐基地。

（二）線上線下混合式教學，優化多種教學手段

材料結構與性能課程內容較多、課時較少，僅靠課堂學習時間學生難以深入理解、融會貫通，這就對學生的課后學習提出了要求。而線上線下混合式教學為“以學生為中心”的課程改革注入了新的活力[3]。目前，我院教師與學生均已開通了超星學習通App賬號。課前，授課教師將需要提前預習的知識點及相關小知識或視頻發布到學習通上，學生在線上預習并完成預習作業，主要是名詞解釋、填空題、判斷題等，以檢驗學生的預習及理解情況。有時，也可發布1～2道需要學生提前思考如何運用專業知識點解決實際問題的討論題。同時，授課教師課前可通過學習通后臺充分了解學生的預習情況，分析學生學習過程中的盲點和難點。課中，預習內容簡要帶過，著重講解上述盲點和難點部分，并針對課前提出的討論題開展小組討論，促使學生開動腦筋，利用已學知識點分析并提出解決問題的措施，小組互相評分，教師總結。課后，針對課堂上的重難點內容布置需要深入理解和掌握的簡答題、計算題和論述題等課后作業。同時，授課教師與學生保持溝通，隨時就學習中遇到的問題進行線上溝通并解決。整體的授課路線為：線上預習→線下授課→線上作業→線上交流→提出問題→查閱資料→分析討論→解決問題。通過線上線下互相配合、教師與學生隨時溝通、書本知識與課外閱讀緊密結合的模式，同時提升學生的學習興趣、學習能力、溝通能力、協作能力和創新能力。

下面以“材料的結構與受力形變”為例，具體說明混合式教學的實施方案。

1.課前：教師提前發布學習任務——應力、應變、模量、泊松比等概念，讓學生了解不同材料的應力應變曲線類型并進行比較，并布置預習測試題，同時發布討論題“1912年4月14日，當時世界上最大、最豪華的客運郵輪泰坦尼克號右側因與冰山碰撞發生了沉船事故，導致1500多名乘客失去了性命，請問是何種緣故導致船體快速沉降？如何從材料的角度避免這一災難？”。學生提前去材料博物館進行實踐，近距離觀察金屬、陶瓷、塑料等不同材料在受力下的形變情況，并通過自主學習完成課前預習題。

2.課中：比較鋼和鐵，以鋼的發明故事和應用引發學生對金屬材料力學性能的探索興趣，進而講解應力、應變、模量、柔量、泊松比等概念和公式，模擬繪制應力應變曲線，讓學生分析討論各類材料顯示的應力應變曲線的區別與聯系，并了解曲線上重要性能參數的物理意義，帶領學生從組成和結構方面分析影響材料彈性模量的因素。分析討論泰坦尼克號的沉船原因，引出對材料脆性和韌性的認識。

3.課后：教師布置學習通作業，涉及上述概念的計算、彈性模量的比較以及在工程中的應用等。教師通過學習通與學生保持線上或線下的聯系，隨時可以解答學生的問題，提高學習效率。

此外，教師可以將教學與科研相聯系，將最先進的科研進展以及自己或同事同行的科研成果引入課堂。如筆者的研究方向是高分子材料的加工與性能，與高分子材料的力學性能尤其是增強增韌研究與材料的改性比較密切，部分同事進行的是電池方面的研究，這些都與材料的電導性能密切相關，可以作為相關科研課題的實例，培養學生的科研興趣，增強學生對材料結構與性能之間關系的了解與掌握。

（三）實踐與理論相補充，提升學生的實踐技能

材料結構與性能是一門實踐性很強的課程。科學知識來源于實踐，實踐是發現、創造和突破科學真理的唯一窗口。重視實踐教學，通過實踐教學培養學生科學嚴謹的實驗態度、細心謹慎的實驗習慣、關注現象并善于思考的科學思維，讓學生練就發現問題、分析問題、解決問題的實驗能力，這是材料化學專業的人才培養目標，也是國家本科一流課程的建設目標[4]。因此，教師必須對現有實驗教學體系的弊端進行改革，以培養出能滿足現階段國家和社會發展需求的技能型和創造型人才。

首先，開展實驗教學。實驗教學的項目必須與理論教學內容緊密聯系且相互呼應[5]。基于此要求，本教研室編寫了《材料科學基礎實驗》教材，并開展了與本課程理論密切聯系的系列實驗，共分為以下五大模塊。

1.材料的結構與組成分析：X射線衍射、拉曼光譜、X射線光電子能譜、金相顯微鏡、透射電子顯微鏡等。

2.材料的力學性能：材料彈性模量、抗彎強度、硬度、沖擊韌性的測定及分析。

3.材料的熱學性能：差熱分析、線性膨脹系數、熱導率、熱變形溫度的測定及分析。

4.材料的磁/電學性能：電阻率和電阻溫度系數、磁化曲線和磁滯回線、居里溫度的測定及分析。

5.材料的介電性能：介電常數和介電損耗、極化曲線的測試與分析。

其次，開展綜合設計型實驗。實驗教師根據自己的科研項目提出課題方向，學生可以自行分組開展實驗。每個學生都要親身經歷“文獻調研—設計方案—操作實驗—表征性能—分析驗證結論—撰寫報告”的完整科研流程，并在此過程中充分發揮主觀能動性，培養科學思維和創新能力，強化實操技能和分析處理問題的能力。這種實踐與理論相結合的方式不僅深化了學生對各類材料性能和機理的掌握，也啟發了學生的科學思維和創新理念，更提升了學生的專業能力和專業素養[6]。

最后，鼓勵學生積極參與業余科研。學院設有本科生—導師制度，為學生從事業余科研活動提供了良好的溝通平臺。班導師制度又可有效引導學生早進實驗室，充分累積實驗成果，并以此為依托，積極參加中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、 “挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生化學實驗創新設計競賽、中國大學生高分子材料創新創業大賽和大學生化學（化工）學術創新成果報告會等賽事，進一步提升學生對科研的興趣，培養學生的科研思維、創新能力、協作能力和交流匯報能力，使學生全面創新發展。

（四）多模塊化過程考核，真實反映學生水平

基于上述調整課程教學內容、革新教學方式、多樣化教學手段，以多模塊化的過程考核取代傳統單一的考核方式勢在必行。經過多年教學我們發現，部分學生常常被動地完成教師設置的任務，其主觀能動性必須由教師推動。本課程考核分為過程考核和期末考核兩大部分，其中過程考核又分為課前課后測驗、線上學習、課堂討論、小組匯報、拓展訓練等五大模塊。多模塊過程考核涉及學生的自主學習能力、理解記憶能力、動手操作能力、團隊協作能力、口頭和書面表達能力、分析和解決問題能力等，能使學生的綜合能力在移默化中逐步提升[7]。具體考核標準及分值如下。

1.課前課后測驗（20%）：涉及課程知識點的理解和應用，考查學生對專業知識的理解和記憶能力。

2.線上學習（5%）：通過學生對線上資源庫和PPT課件的學習次數和時長，考查其自主學習能力。

3.課堂討論（5%）：課前線上發布，主要是關于課堂知識點的應用實例，考查學生對實際案例的解析能力以及對相關理論知識的應用能力。

4.小組匯報（5%）：將課堂討論題進行分組論述，并相互辯論評價，考查學生的交流協作能力。

5.拓展訓練（10%）：在課程初始就發布任務，學生自由分組后，選取任一類材料，經文獻調研或課外實踐后，總結其結構組成、合成原理、擁有性能、測試方法、應用領域等，匯總成電子文檔，并以PPT形式演示成果，教師和學生點評、演示并提問。此部分將占用2課時，主要考查學生的團隊協作、書面匯總、PPT制作等能力。

6.期末考試（50%）：試卷題型多樣化，涉及名詞解釋、單選題、多選題、判斷題、簡答題、計算題和綜合論述題等，要求知識點覆蓋廣、難易比例適中、能體現學生成績的差異性。該部分主要考查學生對本課程整體知識點的理解、掌握和運用情況。

通過構建多模塊化、多功能化的新型考核評價體系，以考促學，在學習過程中提高學生的學習自主性、激發學生科學探索的熱情、啟迪學生科學的創新思維、提升學生的實踐技能，從而培養出具有高級專業技能和優秀專業素質的全面人才[8]。

三、結語

材料結構與性能是材料化學專業重要的基礎課程之一，也是該專業學生未來從事相關實踐與科研工作的重要指導課程，該課程的教學內容和教學方式應該隨著“雙一流”課程建設的要求，不斷進行改革與創新。針對本課程教學過程中面臨的多重問題，如學生基礎差別大、課程內容廣泛、理論深而難、課本與前沿脫節、理論與實踐分離、考核方式單一等，本文提出對該課程教學內容和教學方式的全面改革措施，引入線上線下混合式教學方式，將科學前沿融入經典理論，以科研與實踐踐行理論，并構建多模塊化的過程考核評價體系，以期在提升學生理論知識和實踐技能的同時，培養學生自主學習、獨立思考、語言表達、創新思維、團隊合作等綜合能力，以滿足國家和社會建設對本專業高質量人才的需求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 朱圣清，楊菁菁，周仕龍.“材料物理”課程教學研究與實踐[J].教育教學論壇，2021（36）：17-20.

[2］ 黃華東.基于“基礎促進創新，實踐推動科研”的《材料結構與性能》課程教學改革探索與實踐[J].高分子通報，2022（8）：107-110.

[3］ 趙英，董斌，馮志慶，等.“四模塊”嵌入下的混合式教學設計與實踐：以功能材料專業物理化學基礎課程為例[J].化學教育（中英文），2022，43（12）：85-91.

[4］ 胡杰珍，鄧培昌，王貴.一流本科課程“材料物理化學”混合式教學改革芻議[J].科教導刊，2022（22）：47-49.

[5］ 韓霞，劉曉暉，曹宵鳴，等.材料結構與性能理論和實驗課程的融合發展[J].化工高等教育，2021，38（6）：50-54.

[6］ 梁金，胡進波，許瀚.以創新思維與能力培養為導向的“材料物理性能”課程教學改革研究與實踐[J].山東化工，2021，50（4）：220-221.

[7］ 朱玲玲，張宗濤，周軼凡，等.《材料物理性能》課程教學改革研究與實踐[J].廣州化工，2021，49（19）：132-134.

[8］ 湯金柱.工程教育背景下“材料物理性能”課程改革與探索[J].科技與創新，2022（12）：1-3.

［責任編輯：劉鳳華］