新形势下《材料科学基础》课程的混合教学改革探讨

张瑞英 刘 军 许 萍

(内蒙古工业大学材料科学与工程学院， 呼和浩特 010051)

随着全球新冠疫情的施虐蔓延，线上教育变成教育改革中非常重要的一种教学手段。尽管线上学习近几年一直存在，但是由于设置的不够完善，导致其教学效果并不是很理想，很难与线下教育相媲美。2019年的一场新冠疫情大流行，使线下教育条件受限，为了“停课不停教，停课不停学”，教学工作再次把线上教育重视起来，开始重新思考如何改进线上教育来提高教学效果[1-3]。正是这种新形势下促成了教育工作者在线上教学上投入大量精力，摸索如何优化线上授课模式，线上授课的经验越来越多，线上教育得到了空前发展。随着国内疫情得到控制，线下教育再次启动，但是线上教育的一些优势已经渗入教学中，线上和线下教育的相互配合使得教育教学体系越来越不断完善。

材料科学基础课程是属于材料科学与工程学科领域的专业基础课，该课程为材料专业学生的专业基础课，是学好其它材料专业课程必须掌握的一门课程，也是材料专业考研必考科目，因此它的地位在材料科学领域中举足轻重。全国各大院校对这门课程的建设都比较重视[1-4]。由于材料科学基础学习需要有高等数学、大学物理、物理化学、固体物理、材料热力学等课程的知识支撑。因此对学生的基础知识掌握要求较高。再者课程内容繁杂，涉及大量概念需要去理解记背。课程还包含很多材料内部结构变化的相关知识，它要求学生具有很好的空间思维能力，内容生涩、抽象难以理解，这造成此门课程的学习难度。同时，由于该课以理论知识为主，学习比较枯燥，不容易激起学生的学习兴趣。如果没有合适的教学方法，会导致教学效果不佳。

近几年课程体系改革，学时数在不断减少，受课程学时的限制，完全采用线下授课的方式已经不能满足学习的需要。而且疫情当下，线下教育受到了限制，我们必须随时进行线上线下授课的切换，因此，在授课环节中我们加入线上教学内容，一般采取了线上线下混合进行的教学模式即“混合教学”。混合式教学把传统教学的时间和空间都进行了扩展，“教”和“学‘不一定都要在同一的时间同一的地点发生，它拓展了教和学的时间和空间[5]。混合教学的理念以能力培养为主，注重将面授教学与在线教学的互补，发挥最大优势。如何使这种教学模式在教学中发挥其优势，是我们每位教师探索的方向。本文针对自己讲授“材料科学基础”课程过程中获得一些经验，对混合式教学过程进行探讨。

一、线上直播成为教学的重要组成

近几年疫情的反复不断，为了保证停课不停学，导致授课方式不得不由传统线下模式切换为线上进行，网络直播课也成为我们教学方式的一种，目前多个网络平台都具有直播功能，材料科学基础课，我们采用智慧树直播。直播课存在的问题是与学生不能面对面交流，为了弥补这一问题，了解学生的学习状态，我们主要利用智慧树课堂里面的“举手”“签到”“随机提问”“随堂测试”等互动工具对学生进行实时监督，学生隔着屏幕回答问题，少了平时线下的拘谨，在评论区内回答问题非常踊跃积极，思想非常活跃。课后结合智慧树平台完成作业并预习下节内容，进一步保障了上课效果和教学质量。

二、线上线下结合教学中引入科研并展示最新研究

材料科学基础课程因具有知识点多、部分知识较深奥抽象难以理解的特点，好多学生学习主要采取机械性记忆为主，这就导致学生学习缺乏对所学知识有机联系的深刻认识，因此学生学习积极性深受打击，学习兴趣不高，教学效果差。为提高学生的学生兴趣，我们在课程授课过程中引入自己或他人一些科研内容，通过对科研中具体组织与性能关系的分析，使学生理解材料成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，提高学生学习专业知识的兴趣，并用课程中的知识点分析科研实例，将空洞的专业知识与解决实际问题结合起来。例如我们在课堂中展示自己采用不同细化剂及细化方式获得的铝合金组织照片给学生，使学生对材料中的晶粒的形态、大小有更加直观认识。让他们分析合金细化的原因，总结影响合金晶粒大小的因素有哪些，从而获得控制晶粒大小的手段。但是，在课堂中学时有限不能占用太多时间去列举太多实例，这样我们就会在自己课程的网上平台展示。在材料科学基础课程中位错是一个非常重要而且抽象难以理解的一个概念，这一知识点往往是学生学习本课程的一个重点同时也是一个难点。为了加深学生对这一概念的理解，我们会在讲授课程中展示自己课题中组织的位错透射电镜照片，让学生直观的看到位错，了解位错在材料中真实存在形态。同时我们还在网站上收集了大量最新研究在透射电镜下观察到的位错的动态视频，动态观察位错网和位错缠结现象，让同学们对位错概念、形态、运动加强理解。

另外，科学发展日新月异，理论知识在不断的更新，知识内容体系和教学方法的实时更新已成为当下材料科学与工程学科发展的迫切要求。课本上的传统理论部分并能完全符合新材料研究，理论知识需要根据实际新材料发展不断延伸。例如对于细晶强化的理解，目前课本统一解释为，细化晶粒可使晶界增多阻碍位错运动，最终导致强度升高。但是，随着进一步研究发现，这一理论的前提是在常规晶粒尺寸状态获得。由于制备技术的提高，晶粒的尺寸在不断的减小，当晶粒尺寸降低到纳米级尺寸时，由于晶粒内位错数量的急剧降低，材料的强度和塑性韧性都是随晶粒尺寸的减小不是增加反而降低，如图1所示。这时我们将在上课时引入最新研究，对书本中的理论知识进行拓展，让学生不能固化于课本知识，勇于探索新理论，增加对材料理论知识学习的兴趣，提高科学研究的好奇心。

图1 晶粒尺寸与强度的关系

三、教学与实践相结合

为了与国际工程教育接轨，这几年全国高校都纷纷参加了工程质量认证，其目标是能培养学生独立分析问题和解决复杂工程问题的能力。材料科学基础为纯理论课程，如果仅仅讲授课本知识，很容易使知识成为空中楼阁，不知道用在何处，更谈不上培养学生解决复杂工程问题能力。为使学生对所学知识有感性认识，加深对知识点的理解及记忆，在教学过程中加入实际的实例，例如在讲到塑性变形和回复再结晶章节时，可以在课堂上拿两个锯条，一个普通锯条，一个退火的锯条，让学生亲自将两个锯条掰断，感受不同的断裂，用所学知识分析出现不同断裂的原因，加深组织决定性能这一主线的理解。通过举例足金、24K金和18K金，让学生说出这三种合金成分上有什么区别，强度和硬度又有什么区别，最终引出固溶强化的概念，并通过对比成分分析固溶强化的影响因素。通过弯曲铁丝、铅丝，感受硬度变化，引出加工硬化、热加工和冷加工概念，并引导学生对所学强化方式进行总结，分析深层次的影响原因，知其然而更知其所以然，把位错和强化联系起来，提高学生的学习兴趣。与理论教学相比，实验教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性等特点，是高校本科教学中一个重要的教学环节，对培养学生的实践和创新能力有着至关重要的作用[6]。本课程还在不同章节根据所学内容安排了5个实验，让学生通过亲自操作实验，培养学生的团结合作能力和动手能力，并加深专业知识的理解。

四、适时增加轻松内容调节课堂气氛

理论知识抽象且枯燥，往往使课堂教学枯燥乏味，不能有效激活学生的学习激情，这就要求教师调节课堂气氛。如果能用风趣幽默的课堂语言描述问题及相关知识，会使学生学习轻松，注意力更加集中。教师还可以在教学中也引入一些有趣的历史事件加强组织结构决定性能的理解，例如引入“拿破仑的纽扣”，使学生理解同素异构概念，材料结构对性能影响之大。使学生意识到学习专业知识的重要性。开启学生轻松的求知心态学习状态。

五、研讨式教学

笔者所在学校材料科学基础课程采取了“教师引导+学生主体”的研讨式教学。教师在课前设置问题导向、在课堂上学生在教师引导下主动求知、积极参与课堂互动，在研讨过程中，促进学生积极思考，深化对知识的理解，培养学生学会思考问题和解决问题的方法，强化参与意识和主动精神，提高自信和沟通能力，逐渐抛弃自己在听课和作业环节中的被动属性。

线下课程还专门设立一节讨论课，对课本中涉及的几种金属强化方式进行分组讨论，说明各种强化的区别及强化机理，并指出在生活中这几种强化方式的应用。通过讨论课不同组成员的分工合作完成查资料、论述、讨论、总结等过程，使学生对所学知识进行融会贯通、把知识点连成一个线，加深对位错作用的理解，使枯燥的知识生动起来，同时锻炼了学生之间的组织、合作、协调的能力，使工程质量认证理念在课程中进一步深化。

由于学时有限，多数讨论采用线上进行，我们在课程网上平台增加讨论区，设立课程中几个难点问题进行讨论。讨论区分两个模块，一模块采取教师给出讨论问题，具体问题具体讨论。二模块采取学生提出问题，教师和学生参与讨论解决学生不能理解的问题。通过师生共同交流，加强教师与学生以及学生与学生的互动，了解学生的知识掌握程度，发挥学生主动思考的能力，提高学生的创造力和想象力。

六、线上线下合理配合

课程采用线上和线下两种模式。在疫情反复不断的情况下，我们可以完全采取线上教学，当疫情结束后可实现无缝切换为线下为主线上合理配合的教学模式。对于课程中主要的内容通过ppt动画模拟、模型相结合讲授的教学方式我们采用线下教学。 但是由于课程内容量大，学生人数多，课堂上的讲授很难在第一时间让所有的学生领会。而且，教师在课堂上组织的讨论只能在很小的范围内进行，能够在课堂上参与的人数和所能花费时间都是有限的。这是产生线下教育存在教学内容多而学时少的矛盾。另一个问题，由于近年来学生的扩招，导致学生质量参差不齐，学生学习风气不好，尽管线下经常留作业，但是上交的作业质量很差，几百名的学生可能只有几个版本的作业，效果并不理想，最终导致考试及格率明显降低。

为了解决这一问题，提高教学质量，在课程网络平台加入了各章节课程讲解视频，学生根据自己知识掌握情况可对相应章节内容视频进行温顾，达到对知识的掌握。平台还设计了 “材料科学基础”课程网上作业、单元测试系统。单元测试采用题库随机抽题，每位学生的测试内容并不相同，这就杜绝了互相拷贝作业的问题。通过单元测试整体掌握学生每单元的学习情况。课前在在线平台中加入需要学生掌握的几个知识点的简单问题，上课时当讲完相应内容后，在课堂中加入了随堂测试，随时检查每个学生对知识点的掌握情况，既增加了学生的参与度，同时免去了上课占用大量提问问题的时间。课后对学生在线平台学生提交的课堂问答进行统一批阅，在第二节课对存在的关键或共性的问题进行统一解决。 对于简单章节可以采取课后同学看视频学习，学习完成后完成单元测试，如果不通过，需通过继续观看视频或在讨论区和老师进行讨论解决问题，再次进行单元测试，直到通过为止。系统实施后可以显著提高教师的工作效率。通过这些反馈，让教学的活动更加具有针对性，不但让学生学得明白，也让教师教得明白，提高师生互动效果，教师可以对学生在学习中提出的问题和作业进行管理，促进教学改革。

七、思政教育与理论知识相结合

由于近年来学生接收的信息渠道增多，受各种声音充斥在网络，导致部分学生难以分清真假，对正确的人生观与价值观塑造产生挑战，课程思政建设急需加强[7][8]。因此，在课程讲授中加入了思政环节。例如讲到晶体缺陷时，强调完美与不完美是辩证统一的，不完美(缺陷)是必然的，像我们每个人一样，没有完人，但是并不是不完美(缺陷)就是缺点，就像位错，当位错增加到一定数量后反而可以使材料强度提高，这时这种不完美反而成为了优点。教育大家任何事情都是对立统一的，接受自己的不完美，发挥自己的长处，扬长避短，做一个对社会有用的人才。在绪论中通过讲解我国古代文明，激发同学们及爱国情怀。通过引入材料科学领域科学家的科学事迹，激发学生对科研人员的崇拜之情，促进学习新知识、新方法，勇于创新的科研热情。

建设一门好的课程的不易，是一个反反复复、循序渐进的一个完善过程。是在不断出现问题解决问题的一个过程，而且课程的建设与学习的主体必须相配套，不同的学习者学习同样的课程是需要不同的建设方式，不同层次的高等院校，培养学生去向及目标不同，为了满足培养不同类型的人才需求，课程建设的侧重点稍有不同。我们应该根据自己学校的定位，学生的实际情况制定相应适合自己学生的课程体系，从而为社会培养出优秀的专业人才。