新工科背景下材料综合实验教学的“雨课堂”实践

新工科背景下材料综合实验教学的“雨课堂〞理论〔〕:

摘要：新工科的开展，需要新的工程教育形式。随着世界范围内新一轮科技革命和信息产业技术革命的开展，新型教育技术如雨后春笋般步入课堂，正引领我国高等教育步入崭新的阶段。本文针对材料综合实验教学中的一些问题，在新工科背景下基于"雨课堂";探究材料综合实验教学改革，通过"雨课堂";辅助教学，打造智慧课堂，促进师生互动，提升教学质量，培养学生的理论才能、思维创新才能，以及将所学知识融会贯穿并综合运用的才能，符合新工科人才培养需求，同时为实验教学引入信息化工具提供参考。

关键词：新工科；"雨课堂";；材料综合实验；教学改革

本文引用格式：李艳艳,等.新工科背景下材料综合实验教学的"雨课堂";理论[J].教育现代化,2022,6(68):39-41,54.

近年来，随着"互联网+";、"一带一路";等国家重大战略的制定，以及以新能源、新技术、工业智能为代表的新型产业的开展，企业对高校培养人才的工程才能提出了更高的要求。为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部积极推进新工科建立，并对新工科建立行动道路达成多项共识。[1-3]在天津大学召开的新工科建立研讨会形成的"天大行动";中，明确提出："问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段";。随着信息技术的开展，推进信息技术和教育教学深度交融势在必行，多种新型教育形式正在快速进入课堂，包括微课、慕课、翻转课堂以及雨课堂等。其中，"雨课堂";是清华大学和学堂在线于2022年推出的新型智慧教学解决方案，将课堂的每个环节都赋予了全新的师生互动体验，教师只需要用PowerPoint和微信即可搭建"雨课堂";平台，上课时学生扫二维码进入课堂，形成全新全面互动的数据化课堂。【4】

目前，全国已有多达37所高校、数十万教师和班级利用"雨课堂";授课。在这些教学理论活动中，"雨课堂";大多用于理论课。然而，在高层次创新型工程人才培养过程中，实验教学是关键的组成局部，特别是综合性和设计性实验，对培养学生综合运用所学理论和实验知识解决复杂工程问题的才能具有至关重要的作用。在少数实验课程的"雨课堂";应用中，侧重课前和课后的课外环节，用于辅助预习和复习效果。这样的简单应用不能辅助培养学生将所学知识融会贯穿，综合运用的才能，因此难以有效支撑综合性和设计性实验的教学目的。[5,6]

南方科技大学开设的材料综合实验课程包含一系列综合性和设计性实验，每个实验基于全流程理念设计，全面涉及材料和相关器件的"设计-制备-加工-表征";等关键环节，仅仅通过课前预习和课上讲解缺乏以保障学生顺利开展实验，实现既定的教学目的。因此，教学团队尝试将"雨课堂";用于材料综合实验课程，探究利用"雨课堂";辅助培养学生综合运用所学知识解决复杂问题的才能。本文将首先介绍材料综合实验课程以及采用传统教学形式开展该课程教学存在的问题，然后介绍我们利用"雨课堂";解决这些问题的详细方法，最后通过比拟使用与未使用"雨课堂";班级的实验报告成绩，评价将"雨课堂";引入材料综合实验课程的教学效果。

一材料综合实验传统教学形式现状

材料综合实验是材料科学与工程专业大三学生的必修课程，是将前两年所学理论和实验知识综合运用的一门实验课程，目的是进步学生综合运用所学知识的才能以及思维创新才能。本门课程分两个学期授课，由12个综合性实验组成。实验内容覆盖面广，全面包含了多种材料制备、相关器件加工、构造表征、性能测试及应用等内容，因此每个实验都要求学生掌握并运用大量理论和实验知识。例如"高分子材料加工及3D打印的应用";实验，内容包括设计利用SolidWorks设计图形，制备通过挤塑将PLA〔聚乳酸〕高分子制备成3D打印丝，加工利用3D打印机将丝打印成实体，表征利用万能拉伸试验机对3D打印和注塑成型的拉伸棒进展力学性能分析。又如"聚苯乙烯微球的制备及形貌和构造表征";内容包括制备通过分散聚合的方法制备聚苯乙烯微球，别离纯化利用离心方法别离并纯化得到纯洁的聚苯乙烯微球，形貌表征利用显微镜表征聚苯乙烯微球的形貌和尺寸，构造表征通过红外光谱对聚苯乙烯微球的构造进展表征。因此，材料综合实验对于学生课前预习、课堂学习及课后复习要求较高，每个环节都能做好，方可到达培养学生综合运用知识及思维创新才能的目的。

传统的教学形式是课前教师将实验方案发送给学生进展预习，课堂上教师先讲授相关理论知识，然后演示实验操作，学生再进展操作，课后提交一份实验报告。教师根据学生课堂的表现以及实验报告给出成绩。这种传统的教学形式对于材料综合实验课程主要存在以下几个方面的问题。

〔一〕预习形式简单，预习效果不佳

由于本实验的综合性特点，需要将以往所学知识融会贯穿，才能到达综合才能的培养，单纯只是参照教师所发实验方案，预习形式过于简单且枯燥，难以将所学知识综合运用，导致预习效果不佳。更严重的是，课前学生根据教师所发实验方案写一份预习报告，上课时提交，导致多数学生只是照抄实验方案，教师不清楚学生是否真正的预习，不理解学生对于实验的掌握程度，难以针对性地去讲解实验。

〔二〕实验难度大，时间紧，学习效果不理想

课堂上，教师先将实验目的、原理、操作步骤等知识"填鸭";式地灌输给学生，学生据此开展实验。一方面，实验难度较大，学生一时难以承受，在实验过程中容易出错，甚至导致实验失败，打击自信心。另一方面，实验时间比拟紧张，在课堂上只是按照操作步骤做实验，对于实验的一些根本原理及问题缺乏考虑和讨论，导致"知其然，不知其所以然";。课后学生和教师之间缺乏有效的互动，造成课堂效果不理想，不利于学生分析问题、解决问题、思维创新以及综合运用知识才能的培养。

〔三〕学生平时成绩评价不合理

对于材料综合实验这门理论才能要求比拟高的课程，需要增强过程性评价，而客观、准确的评价才能真实反映学生的平时成绩。传统教学形式对于平时成绩的考核没有量化，教师通常通过实验结果和实验报告进展简单断定，不能反映学生真实的学习情况，降低了学生的学习积极性和主动性。

针对以上问题，我们尝试将"雨课堂";引入材料综合实验教学过程中。接下来，将以2022级材料科学与工程专业的材料综合实验课程中的"聚苯乙烯微球的制备及形貌和构造表征";为例，阐述基于"雨课堂";的教学改革探究。

二基于"雨课堂";的教学改革与理论

〔一〕课前学习资料的推送

教师在课前推送课件，内容不仅包括实验的新知识，如分散聚合制备聚苯乙烯微球的原理及实验步骤，金相显微镜及扫描电子显微镜观察微球形貌及粒径和红外光谱仪表征制备微球的构造及纯度等，还可以将以往所学的聚苯乙烯材料的力学性能实验、离心机和金相显微镜的使用、扫描电子显微镜和红外光谱仪的原理等内容做成课件推送给学生，从而让学生利用碎片化的时间进展预习新实验内容，并稳固复习以往所学相关的理论及实验知识。教师可以利用"雨课堂";实时查看学生的预习情况，学生的疑问也可以利用"雨课堂";和教师进展交流。教师可以对这些预习情况进展归纳总结，在课堂上着重讲解。

〔二〕课堂教学的实时互动及课后总结

教师结合学生的预习情况，利用雨课堂工具设置单项选择题、多项选择题、填空题及主观题，在上课时推送给学生，学生进展答题，教师可实时监控学生的答题情况，以此来检验学生的预习效果。教师在讲授相关理论知识过程中，学生可以点击"不懂";或发送"弹幕";进展提问，教师可以和学生进展实时互动。理论知识讲授完毕，教师可结合学生答题情况以及交流情况，设置开放性的问题，促使学生考虑，如：对于苯乙烯的制备除了本实验的分散聚合方法，还有没有其他方法，各种方法的优缺点是什么？本实验温度为什么严格控制在72-76℃，温度过高或过低会有什么影响？对于产物为什么用50%的乙醇水溶液进展离心纯化，而不是100%的乙醇或者水呢？等问题，如图1所示。这样的开放性问题在传统授课环节中，除了局部积极参与的学生，很多学生惯于沉默，做"旁观者";。而雨课堂的"弹幕";功能可以利用当代学生的行为习惯，使更多的学生参与实时互动讨论。

在实验操作过程中，对于细节操作步骤，可以结合雨课堂推送的视频进展学习，教师针对学生实验中的问题进展指导，引导学生发现问题并解决问题，可以进步学生综合运用所学知识分析、解决问题的才能。

"雨课堂";课程完毕之后会有课堂小结发送给教师，如图2所示。教师通过"雨课堂";数据及学生学习情况，对于实验进展归纳总结，对于比拟集中的问题，也可以线上讲解，乃至制作成试卷，发送给学生。学生根据教师的总结撰写实验报告，对于实验有更全面的认识。

〔三〕学生平时成绩的全面考核

由于"雨课堂";可详细跟踪教学过程，因此可以将平时成绩进展细化评定，从而更加全面、准确地反映学生的真实成绩。包括：课前预习〔10%〕，考勤〔5%〕，课堂答题及讨论〔15%〕，实验操作〔30%〕，实验报告〔40%〕。课前预习可通过预习的数据进展评定，考勤可通过学生扫码进入课堂的时间确定是否迟到，课堂答题及讨论可通过课后推送的数据进展考核，实验操作局部仍然需要根据课堂表现进展评定。

〔四〕应用"雨课堂";的教学效果

图3中比照2022级使用"雨课堂";进展实验教学的班级与2022级未使用"雨课堂";的班级的实验报告成绩。可以看到2022级实验报告〔总分值设为100〕平均分为84.7，2022级实验报告平均分为88.6，平均分进步了3.9分，进步比例为4.6%。此外，在实际实验过程中，实验失败率降低。这些结果说明基于"雨课堂";的实验教学，学生预习效果有所进步，课堂互动改善较大，并能很好地将以往所学知识与实验进展融会贯穿，学以致用，并能激发学生的思维创新才能，同时也增强了学生的学习积极性和主动性。

三完毕语

为了适应新工科的开展，培养创新型人才，以及结合新型信息技术的开展，在材料综合实验中探究了"雨课堂";的应用，用于进步综合实验课程教学效果，培养学生综合运用所学理论和实验知识解决复杂工程问题的才能。"雨课堂";作为教学的辅助工具，激发了学生的学习兴趣，进步了学生自主学习才能，有效强化教学效果，培养了学生思维创新才能与综合运用知识的才能，为实验教学引入信息化工具提供了参考。另外，我们注意到，为了利用"雨课堂";提升教学效果，对教师的教学设计及教学资料的准备提出了更高的要求，因此在实验教学中需要教师不断更新知识，进一步提升教学程度。

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