《材料科学基础》线上线下混合式教学设计和实践探索*

王金晓，陈益峰，梁 玮，赵超亮，李 伟

(许昌学院化工与材料学院，河南 许昌 461000)

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》指出：要建立新型信息化教学观念，改进教学方法，进而帮助提高教学效果，同时促进优质教育资源的开发应用，创新在线和传统合理混合的新型教学模式，利用信息技术手段来推动学习者的自主学习、协作学习[1-2]。线上课程的建设与应用已成为现阶段高校教学信息化变革的重要举措。近年来，各高校纷纷开展各种线上课程平台支持的信息化教学实践。通过网络开展在线教学，在当代教育领域已经深入人心，采用这种方式进行教学的活动也越来越普遍[3]。随着实践的深入以及对在线教学的深刻反思和理性回归，人们也越来越清醒地认识到，混合式教学已成为目前教育的主流应用模式，它也是高等教育教学模式的现实选择。坚持贯彻“以学生为中心”的理念，线上教学与线下教学深度融合，可以打破空间限制，扩宽教育空间，创造新的可能性。通过线上线下教学模式的改革，课程内容会更加丰富，学生能够接触更多的优质教育资源，学到更多的知识并学以致用。线上线下混合教学模式更有利于融入思政教育，德育智育并重，达到立德树人的根本任务。

“材料科学基础”是材料类专业本科生必修的一门重要的专业基础课程，也是该专业硕士研究生入学考试的专业课程[4]，在大学二年级开设。本课程作为连接公共基础课与材料专业课以及实践活动的桥梁，是整个材料领域最基本的理论支撑，被誉为“打开材料科学殿堂的钥匙”。本课程为学生建立材料的物质结构、性质、加工及使用性能间的相互联系，为学生们进一步深入研究探索材料科学或更有效地在实际工业生产中应用材料科学知识提供基础。新工科教育已成为我国工程教育发展的新思维和新方向[5]。在“新工科”的背景下，该课程内容的有效构建、教学设计以及教学效果评价，对材料类专业学生后续专业课程的学习以及应用能力、创新能力的提升、爱国情和责任感的增强起到至关重要的作用。

针对课堂教学与线上教学如何有机结合的问题，本文给出了线上线下混合式教学模式设计思路和实践探索，以改变传统教学模式，适应新的网络平台教学环境，更好地利用在线学习的优势，取得更好的教学效果，提升教学质量。

1 课程知识体系及教学现状分析

“材料科学基础”通过阐述材料的组成与结构、制备与加工、性质、使用性能等材料科学与工程主要要素之间的相互关系及其制约规律。使学生掌握材料学的基本概念、科学原理与工程方法，掌握材料的组成与结构-制备与加工技术-性质-使役性能-材料用途之间相互关系及制约规律。了解新材料的结构特点和前沿应用方向，培养学生运用材料学知识对工程中出现的问题、现象及结果进行合理分析、设计并解决问题的基本能力，建立工程思维方式，提高学生的创新能力、团队合作意识、工匠精神，强化学生服务国家服务人民的社会责任感。

从教情来看，本课程采用传统线下教学模式有很多亟待解决的问题。教学方式单一，“课件+板书”的讲解，教学内容强调理论的记忆，教学方法“提问式”为主，会使较难的理论部分更加枯燥乏味，减弱学生的学习兴趣，未能激发学生高阶思维能力和创新能力；考核过程不够科学主要考察学生对基础知识的掌握情况，缺乏对思维过程、创新解决应用问题能力的考核；学生学习效果的反馈也不够全面，难于获得较为详实的统计数据真实反映学生的学习效果。

从学情来看，学生学习过程中，面临“原理规律多，知识点多，概念定义多”的三多的局面，理解和应用困难；能力方面，自主学习的能力有待提高，解决工程问题的能力相对欠缺；素质方面，对学习主体地位认识尚存不足。同时，学生对课堂教学吸引力有更高的要求。

线上线下混合式教学可以通过将传统教学的优势和线上学习的优势结合起来，充分实现学习环境的混合、学习资源的混合、学习方式的混合、教学效果的合理反馈，进而实现有效的教学。因此，如何针对本门课程的特点，设计线上线下混合式教学成为本门课程提升教学效果的核心问题。本课程进行了初步的线上线下混合教学设计与实践探索。

2 教学方案设计与实践

2.1 课程建设的思路

课程建设过程中，始终遵循学校办学定位及专业特点，以培养材料学科学研究与工程技术人才为总体目标。坚持以学生为中心，立德树人为根本任务，对课程进了改革。

(1)理清主线，突出重点：课程在材料科学与工程学科四要素经典模型基础上建立了“三位一体科技合一”模型。课程内容以材料的存在状态即“相”为核心，以组成与结构-缺陷-性能及其测试-材料合成及加工工艺-工程实际应用-环境效应为主线展开，逐步形成特色化的产教融合，突出应用型人才培养的双向思维教学法。

(2)利用线上教学资源将重点、难点碎片化：充分利用线上优秀课程资源和学习通在线平台对重点知识碎片进行强化训练，并设置学习效果测试，加深学生对知识的理解和应用，激发学生自觉主动获取知识的热情。

(3)结合教学内容的建设和教学的有效设计，强化工程意识，融入课程思政：课程内容兼顾材料四要素中的应用，注重学生科学的创新性思维方法的培养，强化解决实际工程问题的能力与行业技术升级创新研发能力，进行爱国主义教育，强化社会责任感。

2.2 教学方案设计

教师通过网络平台下发课程教学大纲、进度表、课程网站、教材和参考资料等资源，让学生首先了解该课程学习目标、学习内容、各章节学习重点、难点；借助建设的课程网络资源，依托网络交流工具形成学习共同体，部分内容网上学习、网上讨论、在线提交作业、网上答疑、网上教学资源共享，课堂检测网上学习效果，针对性讲解，增强与学生互动，学生讲解，加强与学生的双向交流，营造协作互助、共同进步的学习氛围，使每个学生都能够积极高效地完成学习任务，实现自我学习和自身提高的可持续教育。

2.3 教学实施过程

教学组织实施的目的在于回归“教”与“学”的本分、回归“授人以渔”的教育初心，回归“材料人”献身材料、铸造材料灵魂的青春梦想，通过知识体系的构筑、线上与课堂学习的调控与组织引导学生自主学习。

教学组织实施的核心是以学生为主体，借助线上教学资源引导学生自主学习，达到知识巩固强化与拓展的目标，提升学生自学能力，课堂教学注重启发式、讨论式、研究式的教学方法，通过课堂讨论、设置小专题任务、课堂翻转演练等多元化互动式课堂教学模式，培养学生的“织网”思维能力，一方面能够将分散的知识碎片连接成网，注重知识的交叉性、系统性；另一方面能够将理论知识与实际的工业应用串接成网，注重知识的应用性。引入OBE课程体系设计理念，加强实践环节建设，通过项目设计，构建新型先进的实践教学体系，注重夯实学生基础的同时，也注重创新精神、创业能力培养，为学生后续长远发展奠定良好基础。

以赛促教，以赛促改，以赛促学，促进校际专业交流，拓宽学生视野，充分激发学生的专业兴趣，有利于学生树立自信心，发挥潜能，不断提高材料类专业人才培养质量。

本课程线上主要利用名校名师名课，线上优质资源和网络平台发布任务、活动、讨论。线下采用多种教学活动如引导式、讨论式、案例式、任务式等开展教学。线上线下混合教学可以分为三个阶段：课前、课中和课后。以扩散中菲克定律为例，具体教学实施过程如下：

课前，教师首先建立“案例、习题、微课和实践”资源库。案例库：包含与扩散知识应用的案例，如我国国防装备储箱气瓶的设计，非稳态扩散知识应用到钢材渗碳强化等方面，增强所学知识与科技前沿技术的关联性，提升学生的学习兴趣，传输工匠精神，强化为祖国建设的责任感。实践库：理论与实践的结合强化知识，提高问题的解决能力。教师构建与扩散有关的资源体系，优化重排资源，课前学习内容上传到网络平台，通过平台向学生传送任务、实施课前检测、组织在线讨论，学生在线任务探究、自主学习、自测。

课堂上：首先在线考勤，准确掌握学生到课情况。课程开始前，通过线上课堂测验、提问等进行前测，评价学生学习效果，根据结果即时调整策略，聚焦问题、组织教学活动，适时进行在线随堂测试、答疑解惑。课程讲授过程中通过归纳讲解、演示、提问、举例、讨论等，强化学生对知识的理解；本节课主线是扩散过程中有两大定律菲克第一定律和菲克第二定律，如何将扩散两大定律菲克第一定律和菲克第二定律应用到实际的工程问题，前提首先判断扩散属于稳态扩散还是非稳态扩散。

针对稳态扩散更适合用菲克第一定律，讲解该定律之后，应用到工程实际中，为了减少氢气的渗漏现象，多采用球形容器、选用氢的扩散系数及溶解度较小的金属、以及尽量增加容器壁厚等，拓展到高技术领域如储箱高压气瓶的设计同样依据此扩散求解结果，对气体的渗透率要求极高，提升学生的学习兴趣，传输工匠精神，强化为祖国建设的责任感，融入课程思政元素。

对于非稳态扩散情况比较复杂，应对具体问题进行分类，借助边界条件和初始条件，求解菲克第二定律，针对每一种情况均进行了应用讲解，重点是恒定源的扩散，恒定源在工程上紧密相关的是钢的表面热处理进行的渗碳和渗氮，工程上渗碳主要为了得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件，渗氮主要为了得到高硬度耐磨的表面层，恒定源还与制备技术中经常采用的真空除气密切相关，增强所学扩散知识与工程应用的连接紧密性，激发学生学习兴趣，让学生深刻意识到学有所用。

课后，让学生总结本节课中几种具体工程问题所涉及的扩散知识的求解方程，让学生习惯于课后总结，进行学习方法引导。通过网络平台发放作业，利用课程的多种网络交流软件进行交流并答疑，并鼓励学生利用在线资源进行反复学习，内化知识。利用多元化的评价反馈机制，教师：通过网络平台、交流软件等进行个性化答疑、反思后调整策略、持续改进；学生：达到知识提升、能力提升和情感升华。

2.4 多元化的评价与反馈机制

课程实行由网络在线平台支撑、评价方法多元的评价体系，充分体现学生“个性化”兼顾“协作性”的学习状态，对学生的综合素质进行评价，提升其知识应用技能，协助其发掘自身潜能，建立自信。“评价对象”贯穿教学全过程，“评价主体”增加学生互评，“评价方法”增加展示和探究能力的评价，“信息反馈”更加注重即时反馈。成绩评定，摒弃传统的“考勤+作业+考试”评价模式，将平时成绩提升到总分的40%，同时降低平时成绩中作业成绩比例，注重学习全过程评价，包括课前学习情况(在线内容学习、在线测试)、课中在线随堂测试、课堂提问、讨论、翻转课堂以及任务教学等，实现由知识点向重视问题解决方案的思维转变，紧密贴合应用型人才培养的宗旨。

2.5 改革成效

采用线上线下混合式教学模式后，逐渐充实了网上教学资源，结合材料的发展不断更新资源，使学生不受时空限制，自主地获取便于自学的教学资源。课程网络平台提高了学生对教学资源的有效利用，教学效果明显提高，期末成绩有所提升。在线发布的调查问卷结果也显示，开展线上学习后，学生反映比以前更感兴趣，加深了对知识点的理解，对于线上线下混合比较满意，培养了自主获取知识的能力，增强了创新意识。学生以课程理论(铁碳合金相图及相关知识点)为指导，多次在全国大学生金相技能大赛获奖，“以赛促教、以赛促学”，学生的积极性充分调动起来。

3 结 语

通过线上线下混合式课程建设，将传统教学方式的优势和网络化学习的优势结合起来，提高教师参与教学的热情，使教学内容、教学手段、教学方法和评价机制更加完善。同时，更好地体现了“以学生为中心”的教学理念，提高学生的学习兴趣和主动性，培养了自主获取知识的能力，增强了创新意识。但在实施过程中，构建案例库的挖掘和师生学习共同体的建设还存在不足之处，将在今后的教学过程中不断完善优化。