“材料科学基础”课堂互动教学实践探索
——以北方工业大学材料专业为例

李 纯

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144）

2018年6月21日，教育部在成都召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议上，就加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力，提出了坚持“以本为本”，推进“四个回归”的具体要求[1]。“以本为本”进一步强调了本科教育在高校育人中的基石地位，而当前普遍“涣散”的大学生学习状态，使得高校教师思考和研究如何保障本科教学质量、进一步提高课堂教学含金量成为当务之急。课堂教学在本科教学和中学教学中的地位、意义是不同的，本科的课堂教学更强调“引导作用”的发挥，帮助学生提升学习主观能动性，增强自学的意愿和能力，促使课内外学习互为进益，最终实现综合能力的提高。因此，有必要针对“如何进一步提高课堂教学质量”开展实践探索。下面本文拟以北方工业大学（以下简称“我校”）材料专业为例，对“材料科学基础”课堂互动教学实践加以探索。

1 相关背景

按照我校材料专业培养方案[2]要求，“材料科学基础”课程于本科第三学期（即大二上学期）开设，是学生接触到的第一门材料类专业课，所以该课程格外强调帮助学生建立材料专业“组织结构影响性能”的思维模式，这与大一先修课程学习目标及方式差别较大，如果初期授课没有引导学生建立起专业兴趣，不能充分调动学生学习自主性，很容易使学生产生厌烦情绪，不但难以实现思维方式的成功转换，更可能诱发学生在此后的专业课程学习中自暴自弃。在近几年来的教学过程中发现，目前北方工业大学“材料科学基础”课程授课中存在的最主要问题恰是学生被动接受课堂知识为主，上课时间人在心不在，授课效率低下，且部分学生主观上畏难情绪严重，对课程的难度评估远高于实际情况。在上述情形下，教师授课尚未形成思维方式转换的有效引导，致使较多同学在学习中感到不得要领，难以坚持下去，从而放任自流，最终难以实现该课程在学生思维和能力上的训练预期。

针对上述问题，对该课程特点进行剖析发现，材料学科关注材料在加工和使用过程中组织结构与性能变化的微观机理，研究对象往往集中于肉眼不可见的微观世界，知识体系中动态微观过程的描述偏多，因此对学生理解力、空间想象力要求高，成为学生学习过程中的主要障碍。但是，与更为偏重抽象概念和逻辑推导的理论类、计算类课程相比，该课程则又具有“微观形象概念多、抽象概念少，定性描述多、定量计算少”的特点。因此，通过多种现代手段将“微观结果和过程”转换为“宏观模型”，理论上该课程具有较大的“直观性、有趣性”开发潜力。加之微观机理均与常规尺度的宏观现象有着直接或间接的因果对应关系，如果能将这些宏观现象通过实验或模型先行展示出来，引导学生通过课前研究、小组讨论等互动环节自发挖掘其内在原因，也有望成为激发学生学习积极性的一条途径。

基于上述分析，认为为“材料科学基础”课堂设计学生参与度高的互动教学环节是改善当前教学效果的一条可行途径。包括研发必要的授课教具（含学具）并应用于课堂教学、增加课堂上学生动手操作及讨论发言机会、理论知识讲授初期提前引导学生接触实验环节等具体措施。

上述措施中，教具（含学具）的研发与应用是践行“微观结构宏观化、微观过程直观化”这一改进思想的抓手，有望成为辅助教学活动、培养学生探索兴趣与能力、大幅增加课堂上学生参与度的重要互动用具。事实上，教具（含学具）在课堂教学活动中起到的积极作用已经被许多研究和实践所证实，尤其是在基础教育中已经获得了广泛的应用。相比之下，高等教育中教具的使用频率较低，且绝大多数为高校教师自制教具，除了美术、体育等艺体专业外，理工科专业的自制教具也主要集中在公共基础课的实验部分，辅助理论教学用途的高校教具更为不足，常见的只有传承于中学物理、中学化学的机械模型、分子结构模型[7]等几个较为有限的品类。具体到材料专业理论课教学的辅助教具更是鲜有研发，即使是自制教具，目前可借鉴的成熟经验也难以获得。

基于此，本文针对“材料科学基础”课程开展了一项包含教具研发的互动教学实践探索工作。

2 实践内容

2.1 实践时间与对象

实践时间：2019年秋季学期，课程共48学时，每周2学时。

实践对象：我校2018级材料专业本科生，含两个平行授课的实践课堂（其中实践课堂1为材料18-1班，共30名同学，实践课堂2为材料18-2班共19名同学。）

2.2 实践准备

实践准备包括参比数据汇总和硬件设施准备两个部分。

本研究采用2018年秋季学期为2017级材料专业本科生开设本课程所收集的学生期末考试卷面成绩及评教结果作为主要参比数据，该年度采用合班授课，简称“普通课堂”，共41名同学。授课环境为传统教室，教学方式以配合板书的PPT讲授为主，偶尔点名，穿插提问。课程共48学时，每周2学时。

硬件设施准备如下：

（1）获批使用智慧教室开展教学工作，课堂中学生以6人一组圆桌围坐方式上课，授课软件可与学生手机互联，实现点名、抽答、分组、现场答题、弹幕、评论等功能。

（2）利用球棍模型元件等道具完成自制教具（含学具）设计和制作。

（3）获批在学期初利用金相分析实验室完成课程绪论内容的讲授。

2.3 实践过程

根据教学流程的不同，可大致将课堂教学的实践过程分为三类，简述如下：

（1）配合实验观察的互动课堂，实施章节：第一章初识材料学，约2学时。

教学过程概述：介绍实验室制度与操作要求—依托虚拟工程问题，下发观察任务—教师讲解课程绪论，侧重研究方法和思路—指导学生完成观察任务，配合实验设备的操作体验，初步建立专业思维模式—基于观察结果提出本课程未来学习中可解决的诸多问题，提高学生学习意愿。

（2）教具学具使用为主的互动课堂，实施章节：第二章晶体结构，第三章晶体缺陷，第五章材料形变，约22学时。

教学过程概述：点名、分组—课堂小测（复习、导入）—教师讲授知识点，对相对较难想象和理解的内容（如晶体、位错等微观结构，位错运动、塑性变形机制等微观过程）配合如图1（a）所示的教具演示—围绕知识点，下发学具操作任务—学生利用如图1（b）所示的可拆分式学具分组讨论完成任务—组间交流与展示—课堂小测（练习、总结）。

图1 部分教具和学具展示

（3）分组讨论为主的互动课堂，实施章节：第四章固态扩散，第六章凝固理论，第七章相图分析，约24学时。

教学过程概述：点名、分组—课堂小测（复习、导入）—下发小组任务，引起学生疑问和关注—教师讲授知识点—教师详细解释小组任务及其与知识点的关联—学生分组讨论完成任务—完成组间任务或交流—课堂小测（练习、总结）。

3 实践效果

经过一学期的课堂互动教学实践，学生给予了较好的反馈。

3.1 互动教学课堂效果讨论

相较于传统合班授课课堂，人数的减少极大地促进了师生之间的沟通交流，明显有利于教学活动的开展。增加教具、学具等辅助道具后，多数学生对于集中研讨的知识点有了更好的接受度。智慧教室互动授课系统在课堂组织中起到了良好的作用，提高了学生课堂活动参与度，同时该系统可以及时收集学生端的反馈信息，有助于教师了解学生情况，调整授课进度。圆桌式座位不仅使得教学活动的组织更为灵活可行，而且可以随意走动的空间环境增加了分组讨论、学具拼插等过程中的师生互动。课程初期实验室讲授理论课的举措得到了学生的高度认可和好评，增加了课程的吸引力，为后续课程的讲授提供了良好的切入点。

在教学实践中对学生分组方式进行了探索，依次尝试了“自由分组”“随机分组”和“随机分组+两组交互”三种分组方式。基于学生意愿的自由分组方式效果欠佳，许多小组的组内同学之间有强烈的依赖情绪，仅依靠个别成员完成任务，讨论时间闲聊的情况也时有出现；随机分组方式也没有取得预期效果，组内同学之间常因为不太熟悉而缺乏交流，无法完成教师安排的教学活动；“随机分组+两组交互”的分组方式是指每次分组活动时设计两组略有不同的任务A和B，将学生随机分为偶数组，一半小组完成任务A，另一半小组完成任务B，之后完成不同任务的小组之间两两配对交互，交流展示并评价对方的完成情况，该方案很好地激发了学生的兴趣和主动性，收效显著，值得推广。

不论是分组讨论还是教具观察、学具拼插，都明显减慢了授课节奏，有限课堂时间不再能够涵盖传统课堂中所有的教学内容，许多“简单带过”的知识点难以在多数同学脑中留下印象。本学期尝试了给学生提供“自修内容”的方法，以期弥补课堂时间的不足，但预后效果不佳，有待进一步探索。

3.2 学生成绩对比分析

本文对实践前（2018年秋季学期，学生总人数41人）和实践后（2019年秋季学期，学生总人数49人）学生期末考试卷面成绩分布进行了分析。两次期末考试卷面题量、考试时间等客观因素相同，试卷总体难度相当，卷面成绩满分为100分。对比结果表明，实践后班级平均成绩由62.4分变化为63.3分，平均值变化不大，但相对高分的人数比例增加，其中优秀（90-100分）人数占比由原来的5%提高至10%，良好（80-89分）人数占比也提高了2%，同时不及格人数则下降了3%，反映出实践措施在提高学生期末成绩方面起到了一定的效果。然而，不及格同学的成绩却进一步降低，最低成绩由原来的36分下降至29分，且低分人数有一定幅度的增加，这可能与互动措施增加了学习对学生主观能动性的依赖程度有关，即被有效激发了学习主观能动性学生的学习效果提升了，而未被有效激发学习主观能动性学生的学习成绩反而有所下降，总体上造成班级成绩的区分度进一步增加，使得班级平均成绩的标准差由原来的14.8分增加到了18.0分，上升了22%。

3.3 评教结果对比分析

由于2019年学校评教采用了新的评估指标，具体指标名称有所变动，故筛选具有可比性的指标进行研究，评教结果对比如表1所示，按照评价对比角度分项。其中总体评价满分100分，分项指标满分10分。为保证数据一致性，使用生均评教结果与实践前评教结果对比。可以看出，互动措施实施后所关注评教项目均有不同程度的提升，其中最为重要的对比指标，即“课程意义与学生收获”项，提升了6%，提升幅度显著。

表1 实践前（2018年）与实践后（2019年）可比性评教指标生均评教结果对比

4 结束语

所开展的互动教学实践总体取得了良好的成效，但对于不同类型的学生所显示出的效果有所不同。促进效果最为显著学生群体是对学科学习有较强的心理愿望但行动力不足、学科知识理解有困难的学生，尤其教具、学具的使用在这类学生中得到了很好的反馈，其中很多学生反映希望能进一步放慢授课节奏、增加互动环节。而对于主观能动性高、课后自学能力和理解能力都很强的学生来说，互动教学拉慢授课节奏的缺点则不容忽视。实践中发现，保证充足的课后答疑时间十分必要，答疑可以精准地帮助这类学生解决具体问题，推进学习的深度和广度。另外，对于主观学习动力明显不足的学生，新措施没有取得预期效果，虽然因为点名机制的改良大幅降低了这类学生的旷课率，但因为课堂气氛较为轻松，反而增大了学生上课玩手机、闲聊等不良行为出现的概率，需要教师更多地关注和提醒。对此，类似“一对一”方式的教学模式有望更好地激发该类学生的学习动力。