材料结构与性能课程线上线下混合式教学改革初探

陈小随

［摘 要］为加强材料结构与性能双一流本科课程建设，提高课程教学质量，提升学生的自主学习、科研思维、交流协作、实践创新等综合能力，培养兼具扎实的理论知识、熟练的实操技能、高尚的职业道德的复合型人才，文章在总结传统教学弊端的基础上，对课程体系和教学内容进行重构，采用线上线下混合式教学模式，同时兼顾经典与前沿、理论与实践，并引入多模块化过程考核评价方式进行教学改革探索，以供高校同类课程借鉴。

［关键词］材料结构与性能；课程改革；混合式教学；多模块化过程考核

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）01-0041-05

中南民族大学（以下简称我校）材料化学专业为湖北省高校战略性新兴（支柱）产业人才培养专业，2022年被评为国家一流本科专业建设点，旨在面向战略性新兴产业和支柱产业，培养德、智、体全面发展，具备材料专业知识和技能的工程应用型人才。作为材料化学专业基础课程之一的材料结构与性能，是一门理论和实践密切结合的课程，其涉及各类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料）的微观结构、显微结构与宏观力学、热学、磁学、电导、介电、光学等性能的相互作用机制，以及各种性能的测试表征方法等知识。该课程涉及的理论知识和实践技能对于提高尖端行业材料性能、升级高新技术等，具有十分重要的指导意义。如何在有限的专业课学时内培养学生扎实的理论知识功底，提升学生分析问题和解决问题的能力，使学生养成独立自主的学习能力和习惯，以铸就具有竞争能力和创新精神的复合型高素质专业人才，是新时代背景下授课教师面临的极大挑战[1-2]。

一、材料结构与性能课程面临的重点问题

以我校为例，材料結构与性能课程教学主要存在以下问题：

（一）课程理论性过强与学生基础薄弱的问题

我校是直属于国家民族事务委员会的民族高校，主要面向湖北、云南、甘肃、新疆等地区招收少数民族学生，目前少数民族学生人数占在校学生总人数的60%以上。由于教育水平和条件的不均衡，学生之间的基础知识水平有一定差异。有的学生受教育水平高、接受能力强、学习速度快，而有的学生基础相对薄弱，学习起来比较吃力。材料结构与性能课程具有非常强的理论性和综合性，知识点多且抽象，涉及面广，公式多且计算难，常常导致后进学生学不会，优秀学生学不饱，教师两头为难。

（二）课程教学时间短与培养目标高的矛盾

作为一所综合性高校，我校材料化学专业本科生当前所学的专业课程较多，分配给材料结构与性能的教学课时仅有32课时，该课程教学内容涉及力学、热学、电导、磁学、介电、光学等，这意味着每章节的教学课时平均仅约5课时。由于课时被压缩，教师为了完成教学内容，只能蜻蜓点水般讲解书面基础知识，缺少理论深度和横向拓展，导致学生一知半解、懵懵懂懂、知其然而不知其所以然。这与高水平、高技能、高素质的人才培养目标相差甚远。

（三）教材知识体系陈旧，与前沿知识脱节

近年来，新材料、新工艺、新理念层出不穷，相关知识不断更新，科技发展日新月异，而当前教材的内容远落后于实际知识体系及内容的更新，显示出当前教材知识体系及内容的局限性。随着互联网的发展，学生获取信息的手段和技术不断增加和更新，他们不再满足于陈旧的知识体系及内容，更期望了解和掌握最新鲜、最前沿的热点知识，也期望未来能够引领时代发展的潮流。现有的课程知识体系及内容已不能满足学生对学科前沿的渴望和追求，导致学生学习兴趣不高、动力不足。

（四）理论与实践衔接不足，学生认知程度低

本课程的传统课堂教学一般以填鸭式教学为主，教师专注于“口头教学”，学生专注于“理解记忆”，理论与实践之间缺乏有效联系和应用。这导致部分学生认知不足，难以将已有的专业知识运用到生产实际中，不能就具体的问题进行分析并提出切实可行的解决方案。实际材料的微观结构更多样、更复杂而各种性能也更变化多端，学生在面对这些不在课本范围内的实际问题时往往因为缺少解决问题的思路而束手无策。这导致部分学生专业知识水平不高，找工作时难以发挥专业优势，就业竞争力不强。

（五）考核方式单一，学生间差异性小

目前本课程的考核方式还是以平时作业和期末考试为主，过程考核形式单一，难易度不好把握，这导致部分学生平时学习敷衍，临考前以死记硬背等方式来应付考核。这种以应试为目的的短期突击法虽能让学生通过考核，但考核后相关基础知识会被学生快速遗忘。这种考核方式难以体现出学生的学习态度和学习能力的差异性，也难以筛选出优秀的学生。因此，该课程的过程考核方式必须多元化，期末考题也必须难易适中，要将理论记忆与实践运用相结合，以全面反映学生的自主学习能力、独立思考能力以及创新能力。

二、材料结构与性能课程的教学改革与实践设计

考虑到我校材料化学专业学生基础薄弱、课程教学分配学时短等问题，本课程教材的理论知识不能过深，必须有相应的实例补充说明。鉴于此，本课程教研团队选取了陈玉清、陈云霞主编并由化学工业出版社出版的《材料结构与性能》作为主教材。该教材集合了金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大材料体系，研究关于其成分、合成加工、组织结构与材料性能的相互关系，并延伸介绍了常用的材料测试和分析研究方法。这可为学生后续精确地设计、合成新材料，更精准地控制、预测其性能等打下坚实基础。该教材既有广度又有深度，还简化了公式推导过程，更侧重于材料结构对性能的影响分析，适合短学时材料类专业学生的学习。

（一）重构教学体系和内容，建立教学资源库

材料结构与性能课程涉及的材料类型多，包括金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料四大类；性能全，包括力学、热学、磁学、电导、介电和光学性能六大块。按照我校教学安排，本课程的先修课程为高分子物理课程，后修课程为复合材料课程。为了避免重复讲解、重点突出、与实际应用相结合，本课程以金属材料和无机非金属材料为主，高分子材料和复合材料略作对比，分成力学、热学、磁电（电学和磁学很多公式和性能类似，一起讲解更有助于学生理解）、介电性能四大模块（其中光学性能因课时少，应用相对较窄，以学生自学为主）。具体课时分配如下。

第一大模块（第1、2章）力学部分：材料结构—变形机制（弹性形变、塑性形变、高温蠕变）—断裂（断裂机制—微裂纹理论—断裂韧性—增韧）—应力应变曲线（8课时）。

第二大模块（第3章）热学部分：晶格热振动—热传导—热膨胀—抗热冲击性能（6课时）。

第三大模块（第4、5章）磁电部分：磁性/电导本质—磁矩/载流子—磁性分类/电导分类—磁畴与磁化曲线—应用（铁氧体结构与磁性/超导体及特性）（8课时）。

第四大模块（第6章）介电部分：电极化—微观机制（位移极化、松弛极化、自发极化）—介电损耗—介电强度—应用（压电体与压电性、热释电体与热释电性、铁电体与铁电性）（8课时）。

为了激发学生对本课程的学习兴趣、丰富学生的材料知识、开阔学生的材料视野、优化课堂管理，授课教师充分利用本校提供的科研查阅平台和网络科技知识平台（如新知识在线、XOM-L等），将材料的发展历史、中国瓷器的发展历史、高分子材料的发展趣事，纳米材料、先进陶瓷、形状记忆材料、奇异的功能高分子、金属玻璃、超导材料、功能陶瓷、光导纤维、未来钢铁材料、3D打印、海洋工程材料等知识，制作成丰富有趣的文档或小视频，供学生课前或课后观看，发散思维，促进学生对本课程乃至本专业的深入思考。另外，本课程教研团队还建设了材料博物馆，收集了各种金属、陶瓷、高分子材料以及复合材料，种类齐全、信息完整，可以提供本课程教学所需的各种材料道具并作为认知实践基地。

（二）线上线下混合式教学，优化多种教学手段

材料结构与性能课程内容较多、课时较少，仅靠课堂学习时间学生难以深入理解、融会贯通，这就对学生的课后学习提出了要求。而线上线下混合式教学为“以学生为中心”的课程改革注入了新的活力[3]。目前，我院教师与学生均已开通了超星学习通App账号。课前，授课教师将需要提前预习的知识点及相关小知识或视频发布到学习通上，学生在线上预习并完成预习作业，主要是名词解释、填空题、判断题等，以检验学生的预习及理解情况。有时，也可发布1～2道需要学生提前思考如何运用专业知识点解决实际问题的讨论题。同时，授课教师课前可通过学习通后台充分了解学生的预习情况，分析学生学习过程中的盲点和难点。课中，预习内容简要带过，着重讲解上述盲点和难点部分，并针对课前提出的讨论题开展小组讨论，促使学生开动脑筋，利用已学知识点分析并提出解决问题的措施，小组互相评分，教师总结。课后，针对课堂上的重难点内容布置需要深入理解和掌握的简答题、计算题和论述题等课后作业。同时，授课教师与学生保持沟通，随时就学习中遇到的问题进行线上沟通并解决。整体的授课路线为：线上预习→线下授课→线上作业→线上交流→提出问题→查阅资料→分析讨论→解决问题。通过线上线下互相配合、教师与学生随时沟通、书本知识与课外阅读紧密结合的模式，同时提升学生的学习兴趣、学习能力、沟通能力、协作能力和创新能力。

下面以“材料的结构与受力形变”为例，具体说明混合式教学的实施方案。

1.课前：教师提前发布学习任务——应力、应变、模量、泊松比等概念，让学生了解不同材料的应力应变曲线类型并进行比较，并布置预习测试题，同时发布讨论题“1912年4月14日，当时世界上最大、最豪华的客运邮轮泰坦尼克号右侧因与冰山碰撞发生了沉船事故，导致1500多名乘客失去了性命，请问是何种缘故导致船体快速沉降？如何从材料的角度避免这一灾难？”。学生提前去材料博物馆进行实践，近距离观察金属、陶瓷、塑料等不同材料在受力下的形变情况，并通过自主学习完成课前预习题。

2.课中：比较钢和铁，以钢的发明故事和应用引发学生对金属材料力学性能的探索兴趣，进而讲解应力、应变、模量、柔量、泊松比等概念和公式，模拟绘制应力应变曲线，让学生分析讨论各类材料显示的应力应变曲线的区别与联系，并了解曲线上重要性能参数的物理意义，带领学生从组成和结构方面分析影响材料弹性模量的因素。分析讨论泰坦尼克号的沉船原因，引出对材料脆性和韧性的认识。

3.课后：教师布置学习通作业，涉及上述概念的计算、弹性模量的比较以及在工程中的应用等。教师通过学习通与学生保持线上或线下的联系，随时可以解答学生的问题，提高学习效率。

此外，教师可以将教学与科研相联系，将最先进的科研进展以及自己或同事同行的科研成果引入课堂。如笔者的研究方向是高分子材料的加工与性能，与高分子材料的力学性能尤其是增强增韧研究与材料的改性比较密切，部分同事进行的是电池方面的研究，这些都与材料的电导性能密切相关，可以作为相关科研课题的实例，培养学生的科研兴趣，增强学生对材料结构与性能之间关系的了解与掌握。

（三）实践与理论相补充，提升学生的实践技能

材料结构与性能是一门实践性很强的课程。科学知识来源于实践，实践是发现、创造和突破科学真理的唯一窗口。重视实践教学，通过实践教学培养学生科学严谨的实验态度、细心谨慎的实验习惯、关注现象并善于思考的科学思维，让学生练就发现问题、分析问题、解决问题的实验能力，这是材料化学专业的人才培养目标，也是国家本科一流课程的建设目标[4]。因此，教师必须对现有实验教学体系的弊端进行改革，以培养出能满足现阶段国家和社会发展需求的技能型和创造型人才。

首先，开展实验教学。实验教学的项目必须与理论教学内容紧密联系且相互呼应[5]。基于此要求，本教研室编写了《材料科学基础实验》教材，并开展了与本课程理论密切联系的系列实验，共分为以下五大模块。

1.材料的結构与组成分析：X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱、金相显微镜、透射电子显微镜等。

2.材料的力学性能：材料弹性模量、抗弯强度、硬度、冲击韧性的测定及分析。

3.材料的热学性能：差热分析、线性膨胀系数、热导率、热变形温度的测定及分析。

4.材料的磁/电学性能：电阻率和电阻温度系数、磁化曲线和磁滞回线、居里温度的测定及分析。

5.材料的介电性能：介电常数和介电损耗、极化曲线的测试与分析。

其次，开展综合设计型实验。实验教师根据自己的科研项目提出课题方向，学生可以自行分组开展实验。每个学生都要亲身经历“文献调研—设计方案—操作实验—表征性能—分析验证结论—撰写报告”的完整科研流程，并在此过程中充分发挥主观能动性，培养科学思维和创新能力，强化实操技能和分析处理问题的能力。这种实践与理论相结合的方式不仅深化了学生对各类材料性能和機理的掌握，也启发了学生的科学思维和创新理念，更提升了学生的专业能力和专业素养[6]。

最后，鼓励学生积极参与业余科研。学院设有本科生—导师制度，为学生从事业余科研活动提供了良好的沟通平台。班导师制度又可有效引导学生早进实验室，充分累积实验成果，并以此为依托，积极参加中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、 “挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生化学实验创新设计竞赛、中国大学生高分子材料创新创业大赛和大学生化学（化工）学术创新成果报告会等赛事，进一步提升学生对科研的兴趣，培养学生的科研思维、创新能力、协作能力和交流汇报能力，使学生全面创新发展。

（四）多模块化过程考核，真实反映学生水平

基于上述调整课程教学内容、革新教学方式、多样化教学手段，以多模块化的过程考核取代传统单一的考核方式势在必行。经过多年教学我们发现，部分学生常常被动地完成教师设置的任务，其主观能动性必须由教师推动。本课程考核分为过程考核和期末考核两大部分，其中过程考核又分为课前课后测验、线上学习、课堂讨论、小组汇报、拓展训练等五大模块。多模块过程考核涉及学生的自主学习能力、理解记忆能力、动手操作能力、团队协作能力、口头和书面表达能力、分析和解决问题能力等，能使学生的综合能力在移默化中逐步提升[7]。具体考核标准及分值如下。

1.课前课后测验（20%）：涉及课程知识点的理解和应用，考查学生对专业知识的理解和记忆能力。

2.线上学习（5%）：通过学生对线上资源库和PPT课件的学习次数和时长，考查其自主学习能力。

3.课堂讨论（5%）：课前线上发布，主要是关于课堂知识点的应用实例，考查学生对实际案例的解析能力以及对相关理论知识的应用能力。

4.小组汇报（5%）：将课堂讨论题进行分组论述，并相互辩论评价，考查学生的交流协作能力。

5.拓展训练（10%）：在课程初始就发布任务，学生自由分组后，选取任一类材料，经文献调研或课外实践后，总结其结构组成、合成原理、拥有性能、测试方法、应用领域等，汇总成电子文档，并以PPT形式演示成果，教师和学生点评、演示并提问。此部分将占用2课时，主要考查学生的团队协作、书面汇总、PPT制作等能力。

6.期末考试（50%）：试卷题型多样化，涉及名词解释、单选题、多选题、判断题、简答题、计算题和综合论述题等，要求知识点覆盖广、难易比例适中、能体现学生成绩的差异性。该部分主要考查学生对本课程整体知识点的理解、掌握和运用情况。

通过构建多模块化、多功能化的新型考核评价体系，以考促学，在学习过程中提高学生的学习自主性、激发学生科学探索的热情、启迪学生科学的创新思维、提升学生的实践技能，从而培养出具有高级专业技能和优秀专业素质的全面人才[8]。

三、结语

材料结构与性能是材料化学专业重要的基础课程之一，也是该专业学生未来从事相关实践与科研工作的重要指导课程，该课程的教学内容和教学方式应该随着“双一流”课程建设的要求，不断进行改革与创新。针对本课程教学过程中面临的多重问题，如学生基础差别大、课程内容广泛、理论深而难、课本与前沿脱节、理论与实践分离、考核方式单一等，本文提出对该课程教学内容和教学方式的全面改革措施，引入线上线下混合式教学方式，将科学前沿融入经典理论，以科研与实践践行理论，并构建多模块化的过程考核评价体系，以期在提升学生理论知识和实践技能的同时，培养学生自主学习、独立思考、语言表达、创新思维、团队合作等综合能力，以满足国家和社会建设对本专业高质量人才的需求。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 朱圣清，杨菁菁，周仕龙.“材料物理”课程教学研究与实践[J].教育教学论坛，2021（36）：17-20.

[2］ 黄华东.基于“基础促进创新，实践推动科研”的《材料结构与性能》课程教学改革探索与实践[J].高分子通报，2022（8）：107-110.

[3］ 赵英，董斌，冯志庆，等.“四模块”嵌入下的混合式教学设计与实践：以功能材料专业物理化学基础课程为例[J].化学教育（中英文），2022，43（12）：85-91.

[4］ 胡杰珍，邓培昌，王贵.一流本科课程“材料物理化学”混合式教学改革刍议[J].科教导刊，2022（22）：47-49.

[5］ 韩霞，刘晓晖，曹宵鸣，等.材料结构与性能理论和实验课程的融合发展[J].化工高等教育，2021，38（6）：50-54.

[6］ 梁金，胡进波，许瀚.以创新思维与能力培养为导向的“材料物理性能”课程教学改革研究与实践[J].山东化工，2021，50（4）：220-221.

[7］ 朱玲玲，张宗涛，周轶凡，等.《材料物理性能》课程教学改革研究与实践[J].广州化工，2021，49（19）：132-134.

[8］ 汤金柱.工程教育背景下“材料物理性能”课程改革与探索[J].科技与创新，2022（12）：1-3.

［责任编辑：刘凤华］