高校理工类课程开放式教学模式探讨与实践

张妮

（金陵科技学院 材料与工程学院，江苏 南京 211100）

近年来，我国高等教育发展迅速，在招生和教学规模快速扩张的同时，各高校也在不断探索如何提高教学质量。由于理工类课程的理论性和逻辑性强、内容抽象、枯燥难懂，其教学改革难度也相对较大。目前，我国大部分高校的理工类课程仍坚持“以教师为中心”的传统教学模式进行课堂教学［1］。但是在我国教育科研体制改革中已明确指出，高等学校担负着培养高级专门人才和发展科学文化的重大任务，担负着国家基础研究和应用研究的重要任务。理工类课程的传统教学模式会极大限制我国高校科研职能的发挥，而开放式教学能充分体现“以学生为中心”的教育理念，对教学质量的提高具有重要意义。在开放式教学模式中，学生由被动地接受知识变为主动获取知识，教师引导和促进学生自己发现问题、提出问题和解决问题，将素质教育融于专业教育之中，从而使教学与科研互相促进，更好地实现高等教育的目标，培养创新型人才。

“结晶学与矿物学”课程是地质学、材料学、固体物理等专业重要的先行课程，具有高校理工类课程的典型特征，即具有较强的抽象性、系统性、完整性和实践性，充分体现在该课程的结晶学理论、矿物学通论、矿物学各论和实验四个教学模块中，因而在理工类课程中具有较强的代表性。笔者根据教学经验，按照教学目标，对“结晶学与矿物学”课程的开放式教学模式改革进行了必要性分析，并通过教学实践对其可行性进行探讨。

1.课程难点及传统教学模式

“结晶学与矿物学”课程知识点多且内容抽象枯燥，其中结晶学部分抽象难懂，矿物学内容繁杂难记，学习难度较大［2］。以往教学过程中，该课程的讲授往往以教师为主，不够重视或完全忽视了学生在学习活动中的主体性。教师采用的教学方法较为单调，理论部分主要通过课堂讲解和示范，实验课部分也是按照书本知识进行验证性实验。本校的“结晶学与矿物学”课程为宝石及材料工艺学专业学生大一下学期的专业基础课，共64学时，其中16学时为实验课。在传统的教学模式中，该课程的四大教学模块中均存在诸多教学弊端和难点，导致学生的学习效率和教师的教学效果均不够理想。

1.1 结晶学理论模块

该教学模块是体现理工类课程抽象性特点的典型代表。本课程从面角守恒定律出发，引出晶体对称和形态、晶体定向、单形与聚形等晶体宏观对称理论，介绍晶体内部结构对称、晶体化学、晶体生长等晶体微观理论［3］。该部分课程内容空间性和抽象性较强，逻辑结构严密，要求较强的空间想象力和逻辑推导能力；主要难点在于结晶学中很多概念是用空间几何模型加以展现和解释的，学生受理解能力和学习课时的限制，对一些较难的空间概念无法准确理解，并在短时间内无法熟练掌握各概念之间的严格界定。很多学生无法对后续知识点或难点顺利掌握，甚至在课程结束之后，仍会对关键性概念理解错误和混淆。教师主要借助道具和图片演示等方法教授相关抽象概念，并通过强调和重复的方式引导学生对易混淆的概念进行区分。但这种方法使学生过于依赖教师，对概念的理解流于形式，不能融会贯通。

1.2 矿物学通论模块

矿物学通论模块包括矿物的化学成分、形态、物理性质、地质形成条件等基础理论，是前修课程《普通地质学》和后续课程《宝石学基础》的过渡，体现了理工类课程系统性较强的特点。随着高校理工类课程教学进度的普遍加快，如何使知识点的系统性较好地传递给学生，成为矿物学模块的教学难点，具体表现在学生难以在短时间内熟练掌握甚至有效理解相关理论和概念间的逻辑关系，不明白为何所学？所学为何？无法将矿物学通论与各论的知识点联系。矿物学通论部分是矿物学的精髓，对各论知识点的传授至关重要，因此，传统方法是将该部分的知识点不分主次地逐条讲解，以体现其概念上的系统性，教学内容枯燥乏味，部分较难的知识点晦涩难懂，学生在学习过程中较为茫然。

1.3 矿物学各论模块

该教学模块体现了高校理工类课程的完整性。以“结晶学与矿物学”课程为例，该模块以晶体化学分类体系为线索，分别介绍矿物各大类、类、亚类、族、种的共性规律及每种矿物的具体特点，教学内容繁多，教材篇幅甚至高于结晶学理论和矿物学通论的总和。该部分教学的难点在于如何让学生掌握各大类（或类）矿物的一般性和各矿物种的特殊性，以及如何用晶体化学基本原理解释矿物的物理性质。传统教学模式是选取50～60种矿物进行讲解，在48个理论课时中，占用至少一半以上甚至更多，学生普遍反映该部分内容冗长，矿物的晶体化学部分理解困难，同类矿物间的物理性质相似，矿物类别之间容易混淆，因此被动教学劣势较为明显。

1.4 实验教学模块

除了具有较强的理论抽象性、系统性和完整性以外，实践性强是大部分高校理工类课程具备的第四大特点。例如在本课程中，晶体对称的空间概念需通过实践中的晶体模型建立，矿物的各种物理现象需通过实践中对具体矿物标本的观察认识。实验教学的难点在于如何能让学生运用对称要素组合定律和晶体定向原则确定对称型，以及如何通过矿物的物理性质来进行种属鉴定。目前，实验课教学模式以验证性实验为主，并严格对照教材上的内容进行，呆板枯燥，难以提高学生的逻辑性和创造性。另外，实验过程缺少师生间的互动，弱化了教师在实践教学中的指导作用。

2.不同教学模块的开放式教学实践探讨

教学方法是教师教的方法与学生学的方法的统一，前者必须依据后者，否则便会因缺乏针对性和可行性而不能有效实现预期的教学目标。开放式教学的核心是完成教师和学生在教学活动中角色的转换，教师由知识的传输者变为指导者，学生由知识的被动接受者变为知识的主动构建者。笔者认为，随着高校科研职能重要性的提高，高校理工类课程的教学模式应将学生的素质教育和科研能力作为重要的培养目标。因此，在进行教学模式研究时，需注重学生对基础理论的掌握和对学习积极性和创造性的提高，从而增加研究型学习的比重。针对传统教学模式中遇到的诸多问题，笔者对“结晶学与矿物学”课程的不同教学模块进行了开放式教学模式的实践，实现了预期教学目标，收获了良好的教学效果。

2.1 借助多样化教学媒介，简化抽象概念的难度

在本次结晶学理论模块的教学实践中，以演示教学法为主，程序教学法、提问法为辅。由于晶体的对称（包括对称要素及组合、对称操作和对称型等）是教学难点之一，课堂讲授中除了教学道具以外，还配合了GIF图件、Flash动画或晶体动画制作软件等，用来提高学生兴趣和教学效率，也有部分高校借助交互式教学多媒体来达到同样目的。后者可将文字、图形、声音、动画和视频等各种多媒体项目汇集在一起，根据程序和学生的响应情况执行特定功能，实现教师和学生的互动。结晶学中的一些基本知识，如晶体结构的表达和结构分析等，均是地质学、无机化学、固态物理和材料科学等相关学科所必需的基础知识。在教学过程中注重结合专业特点，从专业需求出发来举例和示范，从而提高学生的专业领悟能力。

教学实践结果显示，学生的学习能动性得到充分发挥。相比之前通过板书和模型讲解的方法，学生在生动的学习情境中能对较难的抽象概念更好地理解。例如用简单的对称要素代替各种旋转反伸轴的问题，教师通过动画演示或晶体制作软件，对旋转反伸轴的形成过程进行分解，学生对这一概念的理解更加清晰。在这个教学过程中，学生跟随教师的思路理解抽象概念中的难点，在与教师的积极互动中提高了学习的自信心，具体表现在会将课上无法理解的各类问题在课后与教师进行探讨。教师在课后反馈的问题中选取出代表性问题并在下次课集中讲解，从而使有限的学时获得更好的教学效果。

2.2 安排课上讨论小课题，提供开放式学习环境

在矿物学通论的教学模块中，采用了以讨论法为主、网络教学法为辅的教学方法。由于地质学专业（包括宝石及材料工艺学专业）学生在刚入校时便已接触《普通地质学》、《高等化学》等基础课程，后续专业课也会与该模块的部分知识点重复，因此该部分内容被适当精简。教师可充分利用计算机多媒体和网络技术，为学生提供开放式的学习环境。例如在授课时，提出若干小课题留待学生课后进行资料调研，学生通过教师提供的专业网站查询资料，与教师探讨专业问题或提交研究进展，课上分组讨论、得出结论并上台阐述，从而调动学生课前预习和课后自学的积极性。与小课题相关的科研成果则通过专题讲座的形式引入教学内容，以拓宽学生知识面，保持教学内容的新颖性。

在这一教学模块的教学实践中，讨论法的应用使该教学模块的课堂氛围更加活跃，学生愿意积极配合教师的要求进行讨论和交流，学习热情相对传统教学模式高，在培养学生科学思维和研究态度方面发挥了积极作用。例如学生在教师讲授重要知识点后会存在懂或不懂的问题，相比之前单纯回到书中本验证或寻找答案，学生在小课题研究和讨论过程中验证或寻找答案更有兴趣。他们在讨论过程中学会表达自己的研究成果，尝试与同学探讨研究之惑，敢于向教师抛出一系列难题。以上这些过程都会提高学生学习的信心，学习的自信心是教育和科研成功的首要心理素质。因此，将开放性教学模式引入理工类课程的通论教学模块中，可将科研与教学相结合，提高教学质量，同时激发学生思维和科研创新意识。

2.3 围绕专业浓缩知识点，激发学生专业求知欲

在矿物学各论模块的教学实践中，采用了以启发式教学法为主、参观法为辅的教学方法。根据专业需求的不同，有所侧重地选择了与专业相关性较大的矿物种属进行重点讲授。例如选取了硅酸盐大类、闪石类、透辉石类、萤石类等与宝石矿物相关的矿物种属进行了详细讲解，要求学生对这些矿物的成分、结构、形态、物性、成因产状和用途等各方面均熟练掌握［4］。给学生规定课后作业，例如要求学生选取最感兴趣的一种宝石矿物，从结晶学特征和矿物学特征出发，探讨它与相似矿物的鉴别方法。引导学生在互联网上查找资料，将教学由课堂延伸到课堂以外，让学生初步理解科研的意义，培养科学研究的思维习惯。

本次教学实践以激发学生的求知欲为主要目的，提高学生的参与程度。结果表明，学生在学习与自己专业关系密切的矿物种属时，注意力更加集中，记忆也更为深刻，在完成作业的过程中，其分析和解决问题的能力得到有效锻炼。在完成作业的过程中，学生结合书本知识和课外调研资料，初步学会如何对宝石或矿物进行鉴定，甚至拿出自己的宝石收藏小试身手。教学实践过程中还组织学生去地质博物馆参观各类美丽的矿物展品，学生在参观过程中感受到矿物的神奇和大自然的伟大，不仅对矿物这一概念形成更直观的理解，而且对矿物发生浓厚兴趣，提高学生对后续专业课的学习积极性。

2.4 利用“习明纳尔”教学法，提高研究型学习比例

本次教学实践在实验教学模块中以“习明纳尔”教学法为主、实验实习法为辅。前者意为高等学校里教师与学生以讨论班的形式进行的共同学术研讨。大部分实验课要达到验证理论课知识的目的，因此该部分教学需要强调学生理论联系实际的能力。在教学实践过程中，根据教学目标，在每次实习课上对学生提出几个核心要求，分小组进行答疑和小组间互相考核。例如每组随机选取一个晶体模型，寻找所有的对称要素，并根据对称要素的组合定律写出对称型，其他组判断结论的正确性，最后与教师共同探讨正确答案。通过此过程调动学生的学习主动性，增加师生间的互动，从而提高实验课的教学效率。另外，在规定的时间段开放或预约使用“结晶学与矿物学”实验室，为有需要的学生发展个人潜能创造了有利条件。今后也可通过采用未定名标本、到野外实地观察、去宝玉石市场实地考察等方法改进教学方式，将思考的主动权转交给学生。

教学实践结果表明，“习明纳尔”教学法在理工类课程的实验教学部分可充分发挥高校的科研职能。学生在实验过程中讨论热烈，小组间竞争意识强烈，在答案确定后，学生会针对答案的困惑向教师进行探讨，甚至提出多解的可能性。教师也在与学生探讨的过程中重新思考，达到了学术交流的目的。在开放的师生互动环境中，学生将对书本知识的原始认知，通过被动思维向主动思维的转变，经历反复的思考与讨论，由教师指引着带入新的认知水准。这一过程使教学与科研得到很好的契合，加强了高校理工类实验课的研究性功能，而不仅仅是验证理论。

笔者认为，如何使实验课的功能从验证性实验向综合性、设计性实验转变，是开放性教育模式的重要职能，也是目前理工类课程需要面对的教学改革难点。综合性实验是指实验内容涉及课程的综合知识和多项实验手段的实验，设计性实验是指教师给定实验目的与要求，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验［5］。以“结晶学与矿物学”课程为例，在实验教学中，可设计一些综合性实验，例如晶体培养与分析、矿物成因研究等，并在实验过程中借助一些现代大型仪器（包括X射线衍射分析、红外光谱测试、拉曼光谱分析等），完成一个综合性的实验报告，从而形成针对学生知识体系的完整训练。开展综合性实验对于实验标本和仪器的配备有一定要求，是目前理工类课程中实验教学改革中需要注意的问题。

3.结语

本次“结晶学与矿物学”课程的教学实践结果表明，开放式教学模式对高校理工类课程知识的有效传授、学生综合素质的提高及高校科研职能的加强等方面均起到积极作用。高校理工类课程的教学模式应本着“以学生为中心”的原则，根据教学模块的不同，灵活运用教学方法，增加研究性学习的比例，加强学生理解和逻辑思维能力，培养学生科学研究思维的能力，实现开放式教学的效果。当然，在开放式教学中，需根据专业差异和学生特点，随时对教学方法进行调整，使科研与教学环节更加紧密，充分发挥高校的科研职能。

［1］赵虹，党犇.“结晶学与矿物学”课程教学改革研究［J］.中国地质教育，2012，02：79-81.

［2］冯娟萍.“结晶学与矿物学”教学实践及探索［J］.陕西教育(高教版)，2013，09：58-59.

［3］廖宗廷，周祖翼，赵娟.试论我国宝石学教育的现状与发展对策［J］.中国地质教育，1997，04：13-15.

［4］赵珊茸.结晶学及矿物学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］周鼎武，赖少聪，张成立等.地质学实践教学新体系［J］.中国地质教育，2006（4）：47-53.