“结晶学与矿物学”课程多元混合教学改革探索

吕雪莹,高儇博,曹 铮,罗 龙

(重庆科技学院 石油与天然气工程学院,重庆 401331)

0 引言

“结晶学与矿物学”是地质类专业重要的专业必修课,也是地质类本科生继普通地质学或地球科学概论之后,所接触的第二门专业基础课。该课程面对大一学生,是学生真正踏入地质学专业的第一步,对于培养学生对地质专业的兴趣、建立地质思维以及树立正确的科研观至关重要。传统教学以教师传授、学生被动学习为主,学生学习兴趣不高、很难养成主动学习的习惯,从而导致教学效果欠佳。且近三年来受疫情影响,线上授课也已成为教学的重要手段,传统的“PPT+讲授”的教学模式已不适用。20世纪90年代以来,多媒体教学逐渐在高校中施行,教学效率有了很大的提高[1]。在PPT中增加动画,能使抽象的知识更加形象化。2018年4月,《教育信息化2.0行动计划》的发布使人们更加清晰地认识到:只有将新技术与教学进行深度的融合,变革传统的以教师为主体的教学模式,建立从学生视角出发的知识体系与授课方式,才能激发学生自主学习的兴趣。而“结晶学与矿物学”课程内容复杂、涉及知识面广,既考查学生的逻辑思维能力,又要求学生具备动手操作的实践能力,学生学习难度较大。而传统的教学方式使这门课显得枯燥乏味,学生的学习兴趣不浓。因此,综合应用多种教学资源、教学方式及教学平台,开展多元混合式教学,是提升学生学习兴趣和实现人才培养目标的重要手段。

1 “结晶学与矿物学”教学模式改革的必要性

如何在学时有限的情况下保证专业课程教学的质量,已成为当前高校教学改革中迫切需要解决的问题[7]。近年来,多个教学团队改革与实践发现,多种教学方式与教学资源融合,可显著提升教学成效。如引入“慕课堂”“雨课堂”等智慧教学工具实现线上与线下结合[1][8-11]、激活学生主体思维,充分发挥BOPPPS架构提高学生课堂参与度[12],亦有教学团队借助信息化技术手段探索虚拟仿真教学[13][14],让学生充分利用课余时间和开放式课程资源共享实验教学平台反复进行学习,明显提高了教学成效。如何将理论教学和实践教学有机融合,使学生将所学理论知识与抽象复杂的晶体结构融会贯通,是解决结晶学与矿物学理论与实践脱节的关键。因此,构建多元混合教学模式,充分利用有限学时,有利于学生高效理解抽象庞杂的课程内容。

2 “结晶学与矿物学”课程教学现状

“结晶学与矿物学”一直是我院教学的重点和难点,是地质类专业的核心专业基础课程,也是学生专业知识积累和专业兴趣建立的关键课程,现已列入我院2022—2024年一流课程建设计划中。与同类院校相比,我院“结晶学与矿物学”课程建设仍存在以下问题。

2.1 教学资源不系统

该课程包括结晶学与矿物学两大部分,其中结晶学聚集晶体的核心内容是晶体的共同规律,要求学生具有较强的逻辑思维能力,这对空间想象力和逻辑思维能力差的学生是很大的挑战,教师在讲授时也很难。矿物学则主要研究具体矿物晶体,对学生的实践操作能力有很高要求。学生在学习过程中会感到缺乏系统性和规律性,难以掌握鉴定各类矿物的有效方法,对于刚接触这门课程的学生而言,容易出现学习兴趣和积极性不足的情况。

当前,我院采用理论课与实验课分开教学的形式,理论和实践脱节、学生理解难度大;理论课程授课环节以教师为主体,学生接受程度和学习效果不好;相关实践环节主要采用的是实验室晶体模型与矿物手标本观察,并未针对学生后续学习该课程及矿产勘探中的应用开展相关实践操作或训练,教学资源不系统,导致学生学习难度大。因此,急需重新梳理教学内容、调整教学体系、改变教学手段。

2.2 授课方式单一

我院“结晶学与矿物学”课程包括32学时的理论课和16学时的实验课,而同类石油和地矿类院校的总学时平均为80～100学时。在学时有限情况下,为顺利完成教学计划与培养目标,不得不采用传统的面授模式,在短时间内讲授大量知识,导致学生主动思考的空间有限。对于知识体系庞大且抽象复杂的课程内容来说,在学时有限的情况下,这种传统教学模式容易导致学生学习兴趣不足,且课堂互动有限,教学反馈不及时。加之受近三年来新冠肺炎疫情的影响,线上授课也逐渐成为主要上课方式之一,传统的教学方式并不适用。

受传统教学方法和考核方式的局限性、学生学习兴趣不浓和学习难度大等问题的影响,导致学生该课程学习效果不理想,课程目标达成度偏低,不足0.75。

3 多元混合式教学探索

3.1 重构课程知识体系

结合我院专业特色和人才培养需求,从学生视角出发,按照理论教学、课内实验分类原则,对相关教学内容进行分类和设计,梳理出该课程必备的知识体系。

对照理论教学授课内容,搜集整理实验室内的晶体模型、矿物标本等,并将实验课与理论课内容相融合,从而避免重复授课;同时提高教学效率和教学效果,让学生有更多感性认识,如晶体的对称操作、矿物物理性质鉴定等内容,均可作为理论与实践一体化教学的内容。

卤汁1，邵阳市某食品有限公司提供，采集工厂复卤过程中所用的卤汁，采集频率为每天1次，连续采集3个月，共采集90批次；卤汁2，武冈市某食品有限公司提供，采集工厂复卤过程中所用的卤汁，采集频率为每天1次，连续采集3个月，共采集90批次。

使用多种教学资源与教学手段授课:我院选用的是赵珊茸主编的教材,该课程已由中国地质大学(武汉)建立了MOOC精品课程,其中有大量的三维动画、视频等可用于该课程教学;搜集并整理其中现有的“结晶学与矿物学”相关教学资源,如可以形象直观反映晶体对称特点的图片、动画、模型等,这些资源可用于课堂教学环节,亦可作实践教学的素材。如晶体的对称操作、47种几何单形、14种布拉维格子等内容,均可充分利用多种教学资源进行教学。矿物学各论部分则可以采用翻转课堂、启发式教学等手段,让学生借助类比学习方法,充分调动学习主动性。

因我院“结晶学与矿物学”学时相较于同类高校略有不足,且受疫情影响,线上授课可作为提升教学效果的重要补充。梳理学生进行的自学、类比学习等容易理解和掌握的内容,作为线上线下一体化授课内容,可通过课堂讨论、课后作业及QQ群等手段,检验学生学习效果,如晶体的生长简介、矿物学各论等非重点内容,内容相对简单易懂,可让学生课后自学。

3.2 理论与实践一体化教学

目前,我院“结晶学与矿物学”课程学时有限,需将实践性较强的知识点融合对应的理论教学。现以“结晶学”部分第三章“晶体的宏观对称”为例,详细说明理论与实践一体化教学实施过程。将该部分教学内容安排在实验室进行教学,并将理论授课与实践授课时间安排在同一天的上午或下午。下面以“晶体的对称要素”为例,具体说明实施过程。

(1)理论知识讲授

按照大纲要求,利用PPT对相关概念进行讲解,讲授晶体的对称要素组合定理,并利用动画向学生展示各类对称要素的内涵,引申晶体为什么没有五次对称轴而生物界却很常见,讲解晶体微观结构与外在形态的统一,融入科学精神、哲学思维等思政元素。

(2)对称操作演示

利用立方体的晶体模型,详细讲解四种对称要素的对称操作及对称型的推导,进而让学生自己拿着模型动手操作,切身体会各种对称要素特点及对应的对称操作,讲解包括晶体在内自然界很多物质都具有对称性,融入人与自然应和谐共处的观念,引导学生建立科学的物质观。

(3)学生动手操作

教师讲解后,以小组为单位,再让学生自主观察并找出三方单锥、四方单锥、六方单锥、菱面体等晶体模型上的对称要素,并鼓励学生充分讨论,在此过程中随时关注学生的学习状态,并引导学生去发现问题,及时解答学生的疑问,提升其动手操作能力。

(4)考核

距离课程结束30分钟左右的时候,随机抽取10～12块晶体模型,让学生观察判断,学会运用对称要素组合定律正确写出晶体对称型,然后按照重庆科技学院实验报告的格式撰写完整的晶体对称要素操作报告。教师及时反馈,学生及时改进。考核形式侧重学生对知识的融会贯通,增强学生解决问题的能力。

3.3 多种教学方式融合的课堂教学

在理论课讲授及实验教学过程中,在直接教授基础理论知识的基础上,采用典型案例法、翻转课堂、启发式教学等多元化教学方式。如在讲授矿物的概念时,可以提问“晶体与矿物有什么区别与联系?”通过启发学生积极思考,帮助学生构建结晶学与矿物学知识框架,培养学生创新思维能力;在讲授“晶体对称定律”时,可以采用典型案例式教学,引入准晶体的相关基础知识,加深学生印象,引起学生共鸣,既可以生动地讲解为什么自然界的晶体没有五次对称轴,又可以将思政元素有效融合;在考查学生实践能力时,可以采用翻转课堂式教学,选择几个代表性切入点,让学生通过查阅资料分享自己的观点,从而大大激发学生学习的原动力,如在课后作业可以布置“学校南门雕像的主要造岩矿物肉眼鉴定”任务,让学生课下去学校南门观察主题雕像,利用课堂所学的矿物鉴定的相关理论知识,识别并鉴定雕像中的主要造岩矿物,并确定所用的岩石类型,学生可以通过分组讨论,形成报告,在课堂上分享小组成果。此举不仅可以加深学生的理解,又可以培养和提高学生主动思考的意识。

3.4 线上与线下一体化教学

因学时有限,不能在课堂上花费很长时间开展思政教育,且受疫情影响,线上教学逐渐占据重要地位[15],因此可通过线上与线下一体化教学,提高教学效率;在课后作业环节引入思政元素,引导学生发现问题、积极讨论,并通过QQ、雨课堂等线上渠道反馈学习效果。根据以上“结晶学与矿物学”教学环节内容的设计,结合我院现有教学资源的特点,课前通过雨课堂平台发布重点知识习题,课中利用小测验强化重点知识,课后通过练习题或思考题的形式帮助学生复习和巩固所学内容,形成一套多元化授课的教学材料,为今后结晶学与矿物学一体化教学资源的扩充提供基础。现以“结晶学”部分第三章“晶体的宏观对称”为例,详细说明雨课堂授课模式的教学实施过程。

(1)发布课前预习

“结晶学”部分第三章涉及晶体的对称特点、对称要素、对称操作等基础概念,涵盖了晶体对称要素的组合定理、对称型的推导等抽象的理论知识,包括32个对称型、3个晶族7个晶系的对称特点,如果没有做好课前预习工作,学生在课堂学习过程中很容易跟不上老师的上课节奏,难以理解晶体的对称要素组合定理,更不用说深刻理解晶体的分类原则及各大晶系的对称特点,掌握利用晶体对称要素组合定理判断对称型的正确与否。这种抽象性、空间想象力强的内容在“结晶学与矿物学”课程后续章节的学习过程中经常出现,因此学生对于概念和定义的理解不到位,不知道晶体对称分类原则及对称特点,更难理解后续第四章“晶体定向”原则相关内容。为此,可以在课前发布本课重要知识点的小练习。

(2)课堂讲授

重点讲解“发布课前预习”中学生没有理解和掌握的知识点,如晶体的对称轴只有二、三、四、六等五种对称轴,没有五次对称轴,学生很难理解。针对这个问题教师精心设计两道练习题,让学生在掌握晶体的对称轴的含义以及所对应的对称操作的基础上,理解五次对称轴不符合晶体的格子构造和晶体的对称特点。

(3)课后作业

课后通过主观分析题和客观选择题、判断题等形式帮助学生复习和巩固所学内容,选择题和判断题考查学生对基础概念的理解和掌握情况,主观分析题主要考查学生运用知识的能力,如可以让学生判断对称型是否正确,并利用晶体的对称要素组合定理详细说明原因;同时,让学生课后查阅资料,论证为什么晶体没有五次对称轴,而在生物界却普遍存在,讨论五次对称轴能否为非生物与生物结构之间联系的相关研究搭起一座桥梁,激发学生的科学精神、哲学思维。

3.5 多元混合教学模式考核方式改革

目前,我院该课程的理论部分考核主要采用期末考试占60%,平时成绩占40%的计算方式,实践教学则采用实验报告进行成绩评定。在上一轮授课中初步采取传统授课模式融合MOOC在线教学资源及雨课堂在线平台,对教学考核方式进行改革,强化教学过程中多元化的考核方式,如表1所示。课程目标达成度有了显著提高,均在0.77以上。

表1 教学考核方式设计表

4 结语

“结晶学与矿物学”课程内容抽象复杂,既考查学生的逻辑思维能力,又要求学生具备动手操作的实践能力,目前我院该课程存在教学资源不系统、授课方式单一等问题,无法满足应用型人才培养的需要。在重新梳理课程体系的基础上,将实验教学融入常规教学中,采用多种教学方式融合、线下与线上相结合等方法,探索多元混合式教学改革,并改进考核模式,取得了较好的教学效果。