新工科背景下金属材料实验课的网络课程及案例教学实施探索
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作者:秦亮 王淑艳 张艳
摘要：基于新工科背景，分析了金属材料基础实验课传统实验教学模式存在的问题，就实验课程的教学模式改革进行了探索。具体实验课程的改革建立在“金属学原理综合实验”内容上，采用网络课程与翻转课堂相结合的方式引导学生自主学习，并在教学中引入经典案例教学激发学生课堂学习兴趣，提高学习积极性。通过具体的实施证明，此种教学方式的改革可以提高学生的学习积极性和主动性，学生对实验内容的理解和对实验技能的掌握较传统实验教学模式有大幅提高，有效改善了实验教学效果。
关键词：实验课教学改革;网络课程;翻转课堂;案例教学
中图分类号：G420文献标识码：A
2017年2月以来，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，明确提出需积极探索新工科背景下加强工科专业建设，主动适应新技术、新产业、新技术的发展[1-2]。实验教学作为高校培养学生研究与实践能力的主要方式，需重点培养学生理论联系实际能力、实践动手的能力、创新思维及严谨的工作作风等，因此，重视实验教学，加强学生动手能力和创新意识的培养已成为新工科背景下应用型本科院校人才培养的共识[3]。
《金属学原理》作为我校金属材料专业学生接触的第一门专业课，是一门核心专业基础课，主要展示材料科学中“材料成分、结构与性能”三者之间的关系。开设的《金属学原理综合实验》课程作为基础实验课不仅紧密联系理论内容，可以帮助学生对理论知识的进一步理解，还能让学生在实验过程中发现问题，并用所学基本知识分析解决问题。但由于课程涉及知识面广且概念繁多，学生学习起来难度较大，对于很多实验原理理解不透彻，实验技能掌握不牢固，从而导致教学效果大打折扣。本文立足于本校自身学校的实验教学情况，将网络课程与翻转课堂相结合，并在课堂中引入案例教学模式，强化学生的学习主体地位，着力增强学生学习主动性和积极性，提升实验教学效果，培养好学生扎实的实验基本功。
1教学模式现状及不足
传统的教学模式比较单一，实验课往往按照教学大纲和实验指导书内容照本宣科地进行。实验过程也主要为验证型和演示型，一般由教师先按照规定内容、方法和步骤进行演示讲解，然后让学生进行操作。此种实验手段忽视了学生的自主性和积极性，师生之间也缺乏沟通和启迪[4]，难以培养学生积极主动的动手操作能力。导致整个实验课结束还有学生仍不能掌握基本的实验技能，更无法面对和解决的实际工程问题。
此外，学生上课时一般是几人一组分组进行，组内较认真积极的同学会充分利用上课时间，上课效果相对较好。而部分学习积极性较差的同学往往就在旁边看，独立思考和操作的时间相对就比较少，导致实操技能掌握较差。由于如引言所述本实验课在整个课程体系中具有非常重要的作用，因此如何调动学生的学习积极性，提升课堂教学效果，让学生真正掌握实操技能，为后续的专业课及专业实验课打好坚实的基础，成为目前必须且急需解决的问题。
2课程教学改革实践
2.1网络课程与翻转课堂相结合
《金属学原理综合实验》的实验课程的特点是内容较多，要求掌握的实验技能较广。由于实验课学习建立在熟练掌握理论课内容的基础上，而学生对理论课内容有所淡忘，导致课上虽然动手进行了实验，但对基本实验原理似懂非懂，更谈不上互动，影响了实验课教学效果。若要增加实验课教学过程中的互动，提高教学效果，近些年大力推广的线上线下混合教学模式[5-6]为本实验课教学改革提供了思路。改革后，不再是先教师讲再学生练的模式，而是主要采取让学生通过网络课程先提前预习，实验课则采用翻转课堂[7-8]的形式。这样，学生在实验课之前先加深了理论内容的复习和理解，到了实验课上就作为学习的主体与教师进行沟通探讨，从而在实验中目的更加明确，做到理论联系实际。这种教学方法的改革实现了学生的主动学习，真正成为学习的主体，因而课堂教学效果大幅提升。图1所示为本课程利用学校的网络课程平台建立的相关网络课程内容。学生上课前先进行预习，在实验课堂上对学生进行预习情况的检测。对于预习情况不好的学生予以警示并扣减一定平时成绩分数，对于表现不合格同学则不予进行实验课，直至预习合格后方可进行实验课内容。图2为部分小组课堂检测的结果，“预警”学生为预习不合格者，必须测验合格后再进行实验。在进行实验课时采取学生为主导，由学生独立完成实验内容，教师提供实验材料以及从旁指导，而非让学生先观看教师讲解演示。此种教学模式大大提高了学生的学习主动性，也使学生在课堂上学习目的更加明确，实验技能得到有效训练。经过对几届学生实施网络课程和翻转课堂相结合的教学模式，发现实验课教学效果明显得到提高，而且此模式易于推广。当然，此种教学模式进行的同时要结合考核制度的改革，需将学生网络学习的情况纳入实验课整体考核中，同时优化考核方式，真正在最终的实验成绩中体现网络学习的成绩占比。
2.2案例教学引入验课堂
案例教学法是前美国哈佛大学法学院院长朗代尔与1870年提出的一种开放式、互动式的教学方式。其通过特定的案例使学生在充分理解案例内容后，展开开放性的讨论与交流，让学生获得认识、分析、解决问题的思路与能力[9-10]。实验课采取特定的案例与课程内容相结合，不仅可以帮助学生更好地理解内容，更能提升学生的思考与动手能力，更好地实现理论知识和实验内容的融会贯通。
本实验课的案例教学有视频案例和工程案例两种教学方式。视频案例主要由授课教师进行广泛地收集相关图片及视频素材，并从中进行筛选完成编辑和加工，最终将短小精悍的图片及视频案例进行加工制作后用于网络及课堂授课。由于案例主要是服务于课堂授课的，因此必须重点突出与课堂内容相辅相成，同时还要满足学生网络学习时的自学需求。例如，本实验课程中第一课的内容为金相实验教学，该内容在金属材料及相关专业实验教学中占有非常重要的地位，是材料、机械、冶金等专业高级人才培养中的重要内容[11]。为了解决以往实验课上很多学生对于金相试样制备技能掌握不好的情况，教师将该内容的短视频放到网络教学平台（如图1），并且将线上和线下相结合，采取混合式教学方式。学生现在网络课程平台进行观看学习，不仅可以了解整个金相试样制备的流程，还可以清晰地观看到金相试样制备过程的细节，从而在课堂上自己动手时更有针对性地进行实操练习。更重要的是课上学生会就实操技巧和教师进行非常有效且积极主动的讨论和交流，提高了课堂教学效果和学生的动手能力。本实验课程中铁碳合金平衡组织观察和钢的热处理这两部分实验内容则采取了网络案例和工程案例相结合的教学方法。由于此部分和理论内容有着极其紧密的联系，而实验课教学时发现很多学生往往对于铁碳合金相图的掌握并不是十分牢固，因此在观察具体组织时就更是分不清到显微镜里观察的到底是哪种组织，热处理工艺的制定规则也并不十分清晰。为了解决这一问题，将每种典型组织的形成过程短视频放到了网络教学平台供学生提前观看，不仅是对理论知识的复习，也是对实验课内容的预习。在实验课上教师再把典型案例与学生进行讨论分析，以具体铁碳合金为例，如亚共析钢选择了日常生活常见的螺栓、齿轮等。首先让学生先进行平衡组织的观察，掌握了其组织特征。到了热处理实验课时，又对其进行不同工艺的热处理，再去观察组织及力学性能的变化。学生从理论到实践再到理论，很容易就理解了为什么螺栓、齿轮等要用热处理之后的45钢。最终对这两部分的实验内容有了很好的掌握，完全达到了教学目的。采用案例教学的方式，使学生对理论知识再一次进行了巩固，同时实验目的和内容也更加清晰。他们会更加主动与老师讨论每一种组织的形态特征及分布特点，比起传统的由老师先讲解再独立观察的教学方式，教学效果得到明显改善。学生也表示结合具体案例，不仅对理论知识进行了巩固，对铁碳合金典型组织及热处理知识掌握得更加透彻了，而且还学会了理论联系实际解决问题的方法。这种案例教学的方法激发了学生的学习热情，同时结合网络课程和翻转课堂的方式，让教学效果更加有了大幅提升。
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