新工科背景下材料綜合實驗教學(xué)的“雨課堂”實踐

新工科背景下材料綜合實驗教學(xué)的“雨課堂〞理論〔〕:

摘要：新工科的開展，需要新的工程教育形式。隨著世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的開展，新型教育技術(shù)如雨后春筍般步入課堂，正引領(lǐng)我國高等教育步入嶄新的階段。本文針對材料綜合實驗教學(xué)中的一些問題，在新工科背景下基于"雨課堂";探究材料綜合實驗教學(xué)改革，通過"雨課堂";輔助教學(xué)，打造智慧課堂，促進(jìn)師生互動，提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的理論才能、思維創(chuàng)新才能，以及將所學(xué)知識融會貫穿并綜合運用的才能，符合新工科人才培養(yǎng)需求，同時為實驗教學(xué)引入信息化工具提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科；"雨課堂";；材料綜合實驗；教學(xué)改革

本文引用格式：李艷艷,等.新工科背景下材料綜合實驗教學(xué)的"雨課堂";理論[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(68):39-41,54.

近年來，隨著"互聯(lián)網(wǎng)+";、"一帶一路";等國家重大戰(zhàn)略的制定，以及以新能源、新技術(shù)、工業(yè)智能為代表的新型產(chǎn)業(yè)的開展，企業(yè)對高校培養(yǎng)人才的工程才能提出了更高的要求。為了主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進(jìn)新工科建立，并對新工科建立行動道路達(dá)成多項共識。[1-3]在天津大學(xué)召開的新工科建立研討會形成的"天大行動";中，明確提出："問學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段";。隨著信息技術(shù)的開展，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度交融勢在必行，多種新型教育形式正在快速進(jìn)入課堂，包括微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂以及雨課堂等。其中，"雨課堂";是清華大學(xué)和學(xué)堂在線于2022年推出的新型智慧教學(xué)解決方案，將課堂的每個環(huán)節(jié)都賦予了全新的師生互動體驗，教師只需要用PowerPoint和微信即可搭建"雨課堂";平臺，上課時學(xué)生掃二維碼進(jìn)入課堂，形成全新全面互動的數(shù)據(jù)化課堂。【4】

目前，全國已有多達(dá)37所高校、數(shù)十萬教師和班級利用"雨課堂";授課。在這些教學(xué)理論活動中，"雨課堂";大多用于理論課。然而，在高層次創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)過程中，實驗教學(xué)是關(guān)鍵的組成局部，特別是綜合性和設(shè)計性實驗，對培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論和實驗知識解決復(fù)雜工程問題的才能具有至關(guān)重要的作用。在少數(shù)實驗課程的"雨課堂";應(yīng)用中，側(cè)重課前和課后的課外環(huán)節(jié)，用于輔助預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)效果。這樣的簡單應(yīng)用不能輔助培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識融會貫穿，綜合運用的才能，因此難以有效支撐綜合性和設(shè)計性實驗的教學(xué)目的。[5,6]

南方科技大學(xué)開設(shè)的材料綜合實驗課程包含一系列綜合性和設(shè)計性實驗，每個實驗基于全流程理念設(shè)計，全面涉及材料和相關(guān)器件的"設(shè)計-制備-加工-表征";等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，僅僅通過課前預(yù)習(xí)和課上講解缺乏以保障學(xué)生順利開展實驗，實現(xiàn)既定的教學(xué)目的。因此，教學(xué)團隊嘗試將"雨課堂";用于材料綜合實驗課程，探究利用"雨課堂";輔助培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決復(fù)雜問題的才能。本文將首先介紹材料綜合實驗課程以及采用傳統(tǒng)教學(xué)形式開展該課程教學(xué)存在的問題，然后介紹我們利用"雨課堂";解決這些問題的詳細(xì)方法，最后通過比擬使用與未使用"雨課堂";班級的實驗報告成績，評價將"雨課堂";引入材料綜合實驗課程的教學(xué)效果。

一材料綜合實驗傳統(tǒng)教學(xué)形式現(xiàn)狀

材料綜合實驗是材料科學(xué)與工程專業(yè)大三學(xué)生的必修課程，是將前兩年所學(xué)理論和實驗知識綜合運用的一門實驗課程，目的是進(jìn)步學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的才能以及思維創(chuàng)新才能。本門課程分兩個學(xué)期授課，由12個綜合性實驗組成。實驗內(nèi)容覆蓋面廣，全面包含了多種材料制備、相關(guān)器件加工、構(gòu)造表征、性能測試及應(yīng)用等內(nèi)容，因此每個實驗都要求學(xué)生掌握并運用大量理論和實驗知識。例如"高分子材料加工及3D打印的應(yīng)用";實驗，內(nèi)容包括設(shè)計利用SolidWorks設(shè)計圖形，制備通過擠塑將PLA〔聚乳酸〕高分子制備成3D打印絲，加工利用3D打印機將絲打印成實體，表征利用萬能拉伸試驗機對3D打印和注塑成型的拉伸棒進(jìn)展力學(xué)性能分析。又如"聚苯乙烯微球的制備及形貌和構(gòu)造表征";內(nèi)容包括制備通過分散聚合的方法制備聚苯乙烯微球，別離純化利用離心方法別離并純化得到純潔的聚苯乙烯微球，形貌表征利用顯微鏡表征聚苯乙烯微球的形貌和尺寸，構(gòu)造表征通過紅外光譜對聚苯乙烯微球的構(gòu)造進(jìn)展表征。因此，材料綜合實驗對于學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)及課后復(fù)習(xí)要求較高，每個環(huán)節(jié)都能做好，方可到達(dá)培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識及思維創(chuàng)新才能的目的。

傳統(tǒng)的教學(xué)形式是課前教師將實驗方案發(fā)送給學(xué)生進(jìn)展預(yù)習(xí)，課堂上教師先講授相關(guān)理論知識，然后演示實驗操作，學(xué)生再進(jìn)展操作，課后提交一份實驗報告。教師根據(jù)學(xué)生課堂的表現(xiàn)以及實驗報告給出成績。這種傳統(tǒng)的教學(xué)形式對于材料綜合實驗課程主要存在以下幾個方面的問題。

〔一〕預(yù)習(xí)形式簡單，預(yù)習(xí)效果不佳

由于本實驗的綜合性特點，需要將以往所學(xué)知識融會貫穿，才能到達(dá)綜合才能的培養(yǎng)，單純只是參照教師所發(fā)實驗方案，預(yù)習(xí)形式過于簡單且枯燥，難以將所學(xué)知識綜合運用，導(dǎo)致預(yù)習(xí)效果不佳。更嚴(yán)重的是，課前學(xué)生根據(jù)教師所發(fā)實驗方案寫一份預(yù)習(xí)報告，上課時提交，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生只是照抄實驗方案，教師不清楚學(xué)生是否真正的預(yù)習(xí)，不理解學(xué)生對于實驗的掌握程度，難以針對性地去講解實驗。

〔二〕實驗難度大，時間緊，學(xué)習(xí)效果不理想

課堂上，教師先將實驗?zāi)康?、原理、操作步驟等知識"填鴨";式地灌輸給學(xué)生，學(xué)生據(jù)此開展實驗。一方面，實驗難度較大，學(xué)生一時難以承受，在實驗過程中容易出錯，甚至導(dǎo)致實驗失敗，打擊自信心。另一方面，實驗時間比擬緊張，在課堂上只是按照操作步驟做實驗，對于實驗的一些根本原理及問題缺乏考慮和討論，導(dǎo)致"知其然，不知其所以然";。課后學(xué)生和教師之間缺乏有效的互動，造成課堂效果不理想，不利于學(xué)生分析問題、解決問題、思維創(chuàng)新以及綜合運用知識才能的培養(yǎng)。

〔三〕學(xué)生平時成績評價不合理

對于材料綜合實驗這門理論才能要求比擬高的課程，需要增強過程性評價，而客觀、準(zhǔn)確的評價才能真實反映學(xué)生的平時成績。傳統(tǒng)教學(xué)形式對于平時成績的考核沒有量化，教師通常通過實驗結(jié)果和實驗報告進(jìn)展簡單斷定，不能反映學(xué)生真實的學(xué)習(xí)情況，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

針對以上問題，我們嘗試將"雨課堂";引入材料綜合實驗教學(xué)過程中。接下來，將以2022級材料科學(xué)與工程專業(yè)的材料綜合實驗課程中的"聚苯乙烯微球的制備及形貌和構(gòu)造表征";為例，闡述基于"雨課堂";的教學(xué)改革探究。

二基于"雨課堂";的教學(xué)改革與理論

〔一〕課前學(xué)習(xí)資料的推送

教師在課前推送課件，內(nèi)容不僅包括實驗的新知識，如分散聚合制備聚苯乙烯微球的原理及實驗步驟，金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察微球形貌及粒徑和紅外光譜儀表征制備微球的構(gòu)造及純度等，還可以將以往所學(xué)的聚苯乙烯材料的力學(xué)性能實驗、離心機和金相顯微鏡的使用、掃描電子顯微鏡和紅外光譜儀的原理等內(nèi)容做成課件推送給學(xué)生，從而讓學(xué)生利用碎片化的時間進(jìn)展預(yù)習(xí)新實驗內(nèi)容，并穩(wěn)固復(fù)習(xí)以往所學(xué)相關(guān)的理論及實驗知識。教師可以利用"雨課堂";實時查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，學(xué)生的疑問也可以利用"雨課堂";和教師進(jìn)展交流。教師可以對這些預(yù)習(xí)情況進(jìn)展歸納總結(jié)，在課堂上著重講解。

〔二〕課堂教學(xué)的實時互動及課后總結(jié)

教師結(jié)合學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，利用雨課堂工具設(shè)置單項選擇題、多項選擇題、填空題及主觀題，在上課時推送給學(xué)生，學(xué)生進(jìn)展答題，教師可實時監(jiān)控學(xué)生的答題情況，以此來檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。教師在講授相關(guān)理論知識過程中，學(xué)生可以點擊"不懂";或發(fā)送"彈幕";進(jìn)展提問，教師可以和學(xué)生進(jìn)展實時互動。理論知識講授完畢，教師可結(jié)合學(xué)生答題情況以及交流情況，設(shè)置開放性的問題，促使學(xué)生考慮，如：對于苯乙烯的制備除了本實驗的分散聚合方法，還有沒有其他方法，各種方法的優(yōu)缺點是什么？本實驗溫度為什么嚴(yán)格控制在72-76℃，溫度過高或過低會有什么影響？對于產(chǎn)物為什么用50%的乙醇水溶液進(jìn)展離心純化，而不是100%的乙醇或者水呢？等問題，如圖1所示。這樣的開放性問題在傳統(tǒng)授課環(huán)節(jié)中，除了局部積極參與的學(xué)生，很多學(xué)生慣于沉默，做"旁觀者";。而雨課堂的"彈幕";功能可以利用當(dāng)代學(xué)生的行為習(xí)慣，使更多的學(xué)生參與實時互動討論。

在實驗操作過程中，對于細(xì)節(jié)操作步驟，可以結(jié)合雨課堂推送的視頻進(jìn)展學(xué)習(xí)，教師針對學(xué)生實驗中的問題進(jìn)展指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，可以進(jìn)步學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析、解決問題的才能。

"雨課堂";課程完畢之后會有課堂小結(jié)發(fā)送給教師，如圖2所示。教師通過"雨課堂";數(shù)據(jù)及學(xué)生學(xué)習(xí)情況，對于實驗進(jìn)展歸納總結(jié)，對于比擬集中的問題，也可以線上講解，乃至制作成試卷，發(fā)送給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)教師的總結(jié)撰寫實驗報告，對于實驗有更全面的認(rèn)識。

〔三〕學(xué)生平時成績的全面考核

由于"雨課堂";可詳細(xì)跟蹤教學(xué)過程，因此可以將平時成績進(jìn)展細(xì)化評定，從而更加全面、準(zhǔn)確地反映學(xué)生的真實成績。包括：課前預(yù)習(xí)〔10%〕，考勤〔5%〕，課堂答題及討論〔15%〕，實驗操作〔30%〕，實驗報告〔40%〕。課前預(yù)習(xí)可通過預(yù)習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)展評定，考勤可通過學(xué)生掃碼進(jìn)入課堂的時間確定是否遲到，課堂答題及討論可通過課后推送的數(shù)據(jù)進(jìn)展考核，實驗操作局部仍然需要根據(jù)課堂表現(xiàn)進(jìn)展評定。

〔四〕應(yīng)用"雨課堂";的教學(xué)效果

圖3中比照2022級使用"雨課堂";進(jìn)展實驗教學(xué)的班級與2022級未使用"雨課堂";的班級的實驗報告成績?？梢钥吹?022級實驗報告〔總分值設(shè)為100〕平均分為84.7，2022級實驗報告平均分為88.6，平均分進(jìn)步了3.9分，進(jìn)步比例為4.6%。此外，在實際實驗過程中，實驗失敗率降低。這些結(jié)果說明基于"雨課堂";的實驗教學(xué)，學(xué)生預(yù)習(xí)效果有所進(jìn)步，課堂互動改善較大，并能很好地將以往所學(xué)知識與實驗進(jìn)展融會貫穿，學(xué)以致用，并能激發(fā)學(xué)生的思維創(chuàng)新才能，同時也增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

三完畢語

為了適應(yīng)新工科的開展，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，以及結(jié)合新型信息技術(shù)的開展，在材料綜合實驗中探究了"雨課堂";的應(yīng)用，用于進(jìn)步綜合實驗課程教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論和實驗知識解決復(fù)雜工程問題的才能。"雨課堂";作為教學(xué)的輔助工具，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)步了學(xué)生自主學(xué)習(xí)才能，有效強化教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生思維創(chuàng)新才能與綜合運用知識的才能，為實驗教學(xué)引入信息化工具提供了參考。另外，我們注意到，為了利用"雨課堂";提升教學(xué)效果，對教師的教學(xué)設(shè)計及教學(xué)資料的準(zhǔn)備提出了更高的要求，因此在實驗教學(xué)中需要教師不斷更新知識，進(jìn)一步提升教學(xué)程度。

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