基于OBE理念的材料类专业基础课教学改革与实践

    刘敬肖 史非 姜淑文 张晶晶 刘素花

    

    

    摘? 要：在工程教育专业认证背景下，基于成果导向（OBE）理念的课程教学改革势在必行。文章针对材料类专业基础课，以无机材料科学基础课程为例，基于OBE理念对材料类专业基础课的教学内容和教学模式进行了研究及探索，通过在课堂教学中引入科研案例和思政元素，提高学生对专业的学习兴趣和学习动力，建立了以科研案例为引导的研讨式教学及线上线下混合式教学模式，为培养学生成为综合素质高、工程实践和创新能力强的应用型人才提供了指导。

    关键词：材料类专业;无机材料科学基础;OBE理念;教学改革

    中图分类号：G642 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）11-0110-05

    Abstract： Under the background of engineering education professional certification， the curriculum teaching reform based on the idea of OBE is imperative. In this paper， aiming at theprofessional basic courses of materials， taking the course Fundamentals of Inorganic Materials Science as an example， the teaching content and teaching mode of basic courses of materials specialty based on OBE concept are studied and explored. Through introducing scientific research cases and ideological and political elements intoclassroom teaching， improve students' interest in learning and learning motivation. The research/discussion and online/offline hybrid teaching mode guided by scientific research cases are established， which provides guidance for students to become applied talents with high comprehensive quality， strong engineering practice and innovation ability.

    Keywords： materials specialty; fundamental of inorganic materials science; OBE concept; teaching reform

    前言

    在工程教育专业认证背景下，成果导向教育（Outcome based education，简称OBE）的理念和要求为高等学校工科专业建设指明了方向。工程教育专业认证遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心和持续改进。其中，成果导向教育（Outcome based education，简称OBE）理念强调4个方面的问题：想让学生取得的学习成果是什么？为什么要让学生取得这样的学习成果？如何有效地帮助学生取得这些学习成果？如何知道学生已经取得了这些学习成果？《材料类专业工程认证标准》提出，无机非金属材料工程专业学科基础课程应包含：材料科学基础，材料工程基础，材料研究方法与测试技术，无机材料性能，无机非金属材料工艺学，无机非金属材料生产设备等知识领域。

    “无机材料科学基础”作为无机非金属材料工程专业的主干课程和专业核心基础课，在无机非金属材料工程领域创新和应用型人才培养过程中起着举足轻重的作用，因此，在工程教育专业认证背景下，基于OBE理念，对“无机材料科学基础”课程教学内容和教学模式进行改革和探索研究具有重要意义。

    一、以工程实践案例为引领、渗透思政意识的课堂教学内容改革

    首先，基于OBE理念，重新审视课程教学大纲和课堂教学内容，力争在课堂教学中引入工程实践案例，渗透思政信息，激发学生学习兴趣和学习动力，促进学生思考，提高其分析问题能力和为祖国繁荣富强努力学习的强大决心。无机材料科学基础教学内容可归纳为三个大的模块：1. 无机材料微观结构模块：主要内容为晶体结构、结构缺陷、固溶体等;2. 无机材料表面界面模块：主要内容为固体表面与界面、胶体化学原理;3. 无机材料热力学和动力学模块：主要内容为熔体、相平衡、扩散、相变、固相反应和烧结等基础理论。三个模块的相关基础理论知识相互融合，在无机功能材料的组分设计、结构调控和制备过程中发挥着重要作用。通过学习，学生应在掌握三个大模块的内在和相互之间关系理论基础上，在无机非金属材料的生产、研究和开发中能够发挥较强的分析问题和解决工程实际问题的能力。

    在以前的传统教学中，教学内容通常以教材为中心，教学内容和教学活动容易受到教材和教学大纲的束缚，且教学内容与工程实践案例结合很少，缺乏创新性。早些年毕业的大学生在回顾起“无机材料科学基础”（原名无机材料物理化学）课程的学习时，普遍认为该课程具有理论强、抽象难懂、不易理解的特点。如果课堂教学不能充分体现出课程内容在指导实际生产、科研实践中的重要性，那么就会在很大程度上影响学生的学习积极性，甚至造成部分学生感觉课程枯燥、不愿学、学不进去或为了考试死记硬背知识点的现象。

    在工程教育专业认证背景下，OBE理念促使课组教师重新思考和改革课程教学内容，重要举措之一就是将科研实践案例引入到课堂教学内容中，使原来抽象难懂、枯燥的理论教学转变为生动具体的理论/实践高度融合的以工程实践案例为引领的案例式教学;并且，通过渗透思政信息，培养学生的爱国情怀、学习兴趣和学习动力。教师通过幻灯片和视频展示科研成果，介绍相关材料制备基本原理、关键技术及其在各行业应用的典型案例，激发学生科研兴趣。实践表明，通过引入生动具体的工程实践案例，把生产和科研实践中的实际问题带到教学中，容易吸引学生的注意力，激起学生听课过程中的思考和分析，使教学中原本枯燥的理论和原理进入学生头脑，并使学生了解无机材料的最新进展，了解完成高水平科研项目所需要的综合理论知识结构和工程实践能力，促使学生产生很强的学习欲望。在课堂教学中，教师针对现实工程问题与学生一起讨论、分析，探讨解决问题的对策，并通过介绍国内外著名专家、学者和对比国内外相关领域发展现状，间接渗透思政意识，不仅会让学生感觉课程理论知识如此重要，产生必须要学好课程的强烈愿望，而且，还会促使学生思考，提高学生在爱国热情驱动下的分析问题能力和學习动力。例如，在讲到相变章节中的“二级相变”及“居里温度”等相关理论知识时，引入教师在有关“热敏陶瓷”的科研项目研究过程中遇到的问题和事例，并通过介绍“居里夫人”和“居里”科学家的科学实验事例和追求科学的献身精神，使学生对二级相变的内涵、“居里温度”含义和科学钻研精神有了更深层次的理解。在讲到相变章节中析晶过程相关理论时，引入教师在科研项目“牙齿修复用二硅酸锂玻璃陶瓷”的研究成果，用以帮助学生理解“析晶过程中成核、晶体生长过程”相关理论及其在指导特种功能微晶玻璃实际生产科研中的重要作用;当介绍到当前国内牙齿修复材料市场被国外进口的二硅酸锂产品所垄断、急需国人研发出具有自主知识产权的二硅酸锂修复材料时，同学们表现出强大的学习动力和赶超国外技术的强大决心。

    在教学改革与实践中，将科研案例引入到课程每个章节的课堂教学中，并适当渗透思政意识，会在极大程度上提高学生的学习兴趣和学习动力。目前，“无机材料科学基础”已针对每个章节的理论知识准备了对应的相关科研案例和思政信息，表1列举了无机材料科学基础三大模块、基础理论知识点及其对应的科研案例和思政信息元素汇总表。在高度融合科研案例、渗透思政意识的教学过程中，教师对课程理论知识的讲解会更加生动和深刻，这不仅会促使学生的学习积极性和学习动力提高，而且，还会帮助学生掌握了解一些材料领域的前沿课题和著名专家学者在科学上所做出的重要贡献，从而使学生更加深刻地理解课程基础理论知识，并认识到专业基础理论知识在科技发展前沿领域——无机功能新材料研究和开发中的重要支撑作用。

    二、以学生为中心的研讨式教学模式

    工程教育专业认证特别强调以学生为中心的教学模式，注重学生学到了什么，强调研究型教学模式而不是灌输型教学模式。

    “无机材料科学基础”围绕无机材料“制备——结构——性能和使用效能”之间的相互关系，主要讲授无机非金属材料工程专业领域内各种物理化学过程的变化及共性规律，目标是让学生在深入理解无机非金属材料“组成、结构、制备和性能”之间的相互关系和变化规律基础上，培养学生分析问题和解决实际工程问题的能力，为学生毕业后从事无机非金属材料等工科领域的研究和生产奠定理论基础，使学生具备解决工程实践问题的能力和素养品质。

    在工程教育专业认证背景下，“无机材料科学基础”课程以“学生学什么、怎么学和学得怎么样”为导向，在教学改革中始终把学生置于核心地位，不但在教学内容设置方面以学生为中心，而且在教学模式上更加注重把学生置于整个教学过程的核心地位，围绕学生培养目标、学习过程和学习效果进行教学模式的探索和研究。在教学过程中，围绕课程理论知识，坚持通过课堂讨论加深学生对基础理论知识的理解。在讲授每个章节的关键知识点时，教师会布置相关的题目，让学生课下去查阅相关资料，同时，老师会提供一些典型的科研案例作为示范，在老师的引领和指导下，学生逐渐学会自己去查阅和总结相关的工程实践案例，并学会用课程理论知识去分析工程实践案例中的相关问题，最后归纳出课程知识点在科研案例中的具体应用有哪些。课堂上采取学生分组汇报和讨论方式让同学们对每一个科研案例进行研讨，研讨过程中鼓励小组之间和组内同学互相提问题，同学之间相互对科研案例内容、案例讲解和研讨质量给予评价和评分，通过这种分组研讨的方式，极大地调动了学生的学习主动性，有的学生甚至在研讨后，会向老师提出想去实验室做点与所讨论的科研案例相关的实验;还有的同学甚至在科研案例基础上会受到启发，想出一个新的大学生创新创业项目，或在正在进行的大学生创新创业项目基础上产生新的实验思路和创新思想。

    以学生为中心的科研案例研讨型教学模式，极大地调动了学生的学习积极性和科研热情。由于每一个科研案例涉及的材料或产品研发过程中用到了多方面的专业理论知识，因此，科研案例研讨式教学不仅会让学生重新温习“无机材料科学基础”课程中的多个章节的理论知识，而且还会温习一些基础课（如无机与分析化学、物理化学等）中的理论知识，并起到与其它专业课程（如无机材料分析方法、材料制备原理、玻璃工艺学、陶瓷工艺学等）中的相关理论知识的衔接作用。在分组准备、课堂讨论和科研案例研讨过程中，学生不仅加深了课程理论知识的理解，学会了文献检索、文献阅读和总结、PPT制作技能;而且，学生的自学能力、分析问题、解决实践问题的能力会得到大幅度提高;此外，还在极大程度上培养了学生的科学钻研精神、创新意识和团队合作能力。

    图1为科研案例“热敏陶瓷研究课题”研究过程中用到的无机材料科学基础课程中的相关理论知识以及与其它相关课程衔接的思维导图。近年来，在工程教育专业认证背景下，基于OBE理念的科研案例研讨式教学逐步成为“无机材料科学基础”课程的主要教学方式之一，通过科研案例研讨式教学，学生收获了课程理论知识，学会了文献检索和阅读、总结，提高了自学能力、表达能力和分析问题能力，培养了学生创新意识和团队合作精神。多年的实践表明，以学生为中心的案例研讨式教学是提高学生学习效果和成果的有效教学模式。

    三、利用网络课程资源和线上辅助教学进一步提升学生学习效果

    受疫情影响，2020年春季学期各高校不得不实行线上网络教学模式，线上教学虽然是疫情期间的无奈之举，但在很大程度上促进了网络课程的建设。在疫情期间线上教学的大背景下，课组教师在学校教务处提供的各种教学资源和网络教学平台的支持下，对“无机材料科学基础”网络课程进行了进一步的建设，具体建设体现在以下几个方面：1. 进一步完善了教学课件，充实了参考教材和相关的科研案例资料;2. 录制了微课视频，方便学生远程学习课程;3. 通过课堂测验、课下作业、线上讨论、线上考试等多种形式促进学生对课程理论知识的理解;4. 通过布置作业和发布讨论话题方式，引导学生课下查阅相关科研案例并发布到讨论空间和作业中，培养其自学能力、文献总结和分析问题的能力。

    通过一个学期的网络教学发现，网络教学虽然不能与学生面对面进行教学和讨论，但在培养学生自主学习能力和扩展学生知识领域方面具有其独特的优点，具体表现在以下方面：

    1. 丰富的网络课程资源有助于拓展学生的知识面。教师在网络课程中上传了大量的教学资源，包括教学参考书、科研案例相关文献、课件和其他高校的相关课程视频资源，这些教学资源会在极大程度上提高学生的学习兴趣和拓展学生的知识面。

    2. 网络课程有助于学生预习、自主学习和课后复习。网络课程中教师录制的视频和课件能够方便学生多次观看和回放学习，对学生理解课程理论知识具有很大的帮助作用。

    3. 线上测验使学业考核评价更加公开、高效和激励学生。每次网络课堂中，教师均会规定观看视频和课件的学习时间，并在观看视频和學习课件即将结束时发放3-6个客观题，进入课堂测验环节，目的是通过一些选择题或填空题等简单的客观评价题来检验学生的学习效果，教师在手机学习通或电脑端网络课程界面能够随时查看每位学生对测验题的答题情况，学生答完题后也能够马上知道答题结果是否正确，这种课堂线上测验方式极大地促进了学生的自主学习，因为如果没有仔细认真地观看视频和学习课件，题目是答不出来的，因而线上课堂小测验环节大大提升了学生的学习效果。一般来说，课堂测验题目多为选择题或填空题型，题目表面上看似简单，但均涉及到课程中比较重要和难懂的知识点，学生如果没有仔细观看视频和学习课件是很难答题准确的。

    4. 线上讨论不受时间限制，随时随地可以进行，极大地促进了学生的自主学习兴趣和动力，提升了学生学习效果。网络教学中，教师发布和布置了若干个有关课程理论知识与实践相结合的讨论话题和作业，其中一个作业要求全体学生必须完成的题目为“根据课程中的扩散、相变、固相反应和烧结等相关基础理论知识，查阅相关文献资料，选择代表性文献和科研案例，进行总结，制作成PPT，作为作业提交到网络课程中”。令老师感到惊喜的是，同学们对完成讨论作业表现出了极大的热情，每位同学都查阅了与课程理论知识非常相关的科研案例文献，并对其进行了总结，且对课程知识点在该科研案例中的应用进行了总结。全体同学制作了清晰、生动的PPT，甚至个别同学录制了讲解视频，老师也将学生录制的视频上传到了网络课程中，供全体同学学习，收到了很好的学习效果。

    总之，“无机材料科学基础”网络课程建设对线上教学起到了极大的促进作用，与传统的教学方式相比，网路教学在培养学生学习能力、拓展学生知识面和考核学生学习效果方面表现出其独特的优越性。在教学内容改革基础上，线上线下混合式教学模式将是无机材料科学基础下一步重点建设和改革的内容。

    四、结束语

    在工程教育专业认证背景下，材料类专业基础课应以“学生学什么、怎么学、学得怎么样”为导向，基于OBE理念，把学生置于整个教学改革关注的核心地位。通过在课堂教学内容中引入科研案例和渗透思政信息，提高学生的学习兴趣和学习动力，激发学生的学习热情，调动学生的学习积极性、主动性、独立性和钻研精神，促使学生产生想学好的欲望和要学好的决心。通过与科研案例相结合的课堂研讨式教学，培养学生自主查阅行业相关信息、自主总结、主动思考的学习态度和学习习惯，通过课堂研讨，培养学生的创新意识和钻研精神，提高学生的表达能力和分析问题解决问题能力，这是本课程的一大亮点。通过线上线下混合式教学，进一步扩展学生的知识领域，培养学生的自主学习能力;充分发挥线上线下混合式教学的优点，实现最优的教学模式，达到最大的学习成果输出效率，为祖国繁荣富强培养出综合能力强、实践能力突出和创新意识强的优秀人才。

    此外，基于OBE理念的无机材料科学基础教学模式打破了课程之间的壁垒，强化了课程之间的联系性。在课程教学过程中，时刻注意围绕材料制备技术——微观结构——性能和使用效能之间的主链关系，引导学生针对某一课题，以达到最优性能和使用效能为目标，将相关课程基础理论知识进行链条总结，在串联课程（纵向）和课程群（横向）基础上，掌握广度更广和深度更深的专业基础理论知识，为毕业后走向工作岗位奠定坚实的专业基础理论技术体系基础。

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