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基于知識(shí)圖譜的“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程混合式教學(xué)模式創(chuàng)新實(shí)踐

2024-10-23 00:00:00何鑫張弛禹庭
科教導(dǎo)刊 2024年26期

摘 要 文章以五邑大學(xué)的“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程為研究對(duì)象,依托知識(shí)圖譜的構(gòu)建,提出“多層級(jí)任務(wù)引領(lǐng)全過(guò)程學(xué)習(xí)”的混合式教學(xué)模式。該模式致力于解決傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)更新緩慢、教學(xué)互動(dòng)性不足和個(gè)性化教學(xué)缺乏等問(wèn)題,采用自上而下策略,結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)原則,構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)化且能動(dòng)態(tài)更新的課程知識(shí)體系。通過(guò)線上自主學(xué)習(xí)與線下實(shí)踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,該模式顯著提升了學(xué)生對(duì)材料科學(xué)概念的深刻理解,促進(jìn)了理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合,能為材料科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞 新工科教育;混合式教學(xué);知識(shí)圖譜

中圖分類號(hào):G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2024.28.036

Innovative Practice of Blended Teaching Mode for "Fundamentals of Materials Science" Course Based on Knowledge Graph

HE Xin, ZHANG Chi, YU Ting

(School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen, Guangdong 529020)

Abstract The article takes the "Fundamentals of Materials Science" course at Wuyi University as the research object, and based on the construction of a knowledge graph, proposes a hybrid teaching mode of "multi-level task led whole process learning". This model is committed to solving the problems of slow knowledge updating, insufficient teaching interactivity, and lack of personalized teaching in traditional teaching. It adopts a top-down strategy and combines modular design principles to construct a structured and dynamically updated curriculum knowledge system. Through the organic combination of online self-learning and offline practical application, this model significantly enhances students' profound understanding of material science concepts, promotes the close integration of theory and practice, and can provide useful references for the cultivation of materials science and engineering professionals.

Keywords new engineering education; blended learning; knowledge graph

全球經(jīng)濟(jì)與科技變革推動(dòng)新工科教育興起,不僅強(qiáng)調(diào)工程教育與新興科技的融合,更倡導(dǎo)跨學(xué)科的綜合學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維的培養(yǎng),以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力的提升[1-2]。“材料科學(xué)基礎(chǔ)”作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程,是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握材料科學(xué)核心知識(shí)、提升工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。然而,面對(duì)新工科教育對(duì)創(chuàng)新性和實(shí)踐性的高要求,現(xiàn)有教學(xué)模式在知識(shí)更新速度、教學(xué)互動(dòng)性以及個(gè)性化教學(xué)等方面顯現(xiàn)出不足。

知識(shí)圖譜的構(gòu)建為混合式教學(xué)模式注入了結(jié)構(gòu)化的課程知識(shí)體系,同時(shí)保證了內(nèi)容的系統(tǒng)性和動(dòng)態(tài)更新[3-4]。這一框架不僅促進(jìn)了學(xué)生的線上自主探索,還強(qiáng)化了他們對(duì)概念間聯(lián)系的理解,并有助于教師在線下課堂中指導(dǎo)學(xué)生更深入地參與討論和實(shí)踐。知識(shí)圖譜與混合式教學(xué)模式相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了線上自主學(xué)習(xí)與線下互動(dòng)的有效銜接,增強(qiáng)了教學(xué)的個(gè)性化和互動(dòng)性[5]。本文以五邑大學(xué)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式創(chuàng)新為例,通過(guò)分析傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性,提出基于知識(shí)圖譜的混合式教學(xué)模式,并討論其構(gòu)建的必要性與實(shí)施策略,為新工科教育下材料科學(xué)與工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提供新的思路和實(shí)踐案例。

1 課程學(xué)情分析

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是面向材料科學(xué)與工程專業(yè)大二學(xué)生,于第四學(xué)期開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式,總計(jì)64學(xué)時(shí),其中線上學(xué)習(xí)占16學(xué)時(shí),線下學(xué)習(xí)占48學(xué)時(shí)。課程內(nèi)容既包含科學(xué)原理的闡述,又包含工程應(yīng)用的探討,是連接基礎(chǔ)科學(xué)理論與實(shí)際工程技術(shù)不可或缺的橋梁。

然而,在實(shí)施混合式教學(xué)模式的過(guò)程中,也面臨一些亟待解決的問(wèn)題。首先,知識(shí)點(diǎn)的零散分布導(dǎo)致學(xué)生難以把握材料科學(xué)的整體架構(gòu),缺乏系統(tǒng)性的整合使得學(xué)生在理解復(fù)雜概念時(shí)遇到障礙。其次,由于缺乏對(duì)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求的關(guān)注,教學(xué)內(nèi)容和方法未能充分適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和節(jié)奏。最后,教學(xué)互動(dòng)性的不足也影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力,傳統(tǒng)的單向講授方式難以持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與熱情。為了解決這些問(wèn)題,需要對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新。

2 知識(shí)圖譜構(gòu)建的必要性分析

在認(rèn)知心理學(xué)和教育學(xué)理論的基礎(chǔ)上,知識(shí)圖譜作為一種語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò),利用圖論的原理將概念、實(shí)體和它們之間的關(guān)系可視化。在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的實(shí)踐中,知識(shí)圖譜的構(gòu)建帶來(lái)了多方面的顯著益處。首先,它支持個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的設(shè)計(jì),可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和偏好定制學(xué)習(xí)內(nèi)容,使學(xué)生能夠按照自己的節(jié)奏和興趣進(jìn)行深入探索,這不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,也增強(qiáng)了其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。其次,知識(shí)圖譜通過(guò)其結(jié)構(gòu)化表示,清晰展示了材料科學(xué)概念之間的聯(lián)系,促進(jìn)了學(xué)生對(duì)復(fù)雜理論的系統(tǒng)性理解,幫助他們形成全面的知識(shí)視角,為解決跨學(xué)科問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。再次,知識(shí)圖譜的動(dòng)態(tài)更新特性確保了課程內(nèi)容的前沿性,可以及時(shí)融入最新的科研發(fā)現(xiàn)和工業(yè)應(yīng)用,這有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,鼓勵(lì)他們將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,從而提高他們的應(yīng)用與創(chuàng)新能力。最后,知識(shí)圖譜還可以作為評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)成效的工具,通過(guò)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡和互動(dòng)情況,教師可以獲得實(shí)時(shí)反饋,了解學(xué)生的知識(shí)掌握和能力發(fā)展情況,以便進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)調(diào)整和個(gè)性化指導(dǎo)。綜上所述,知識(shí)圖譜的構(gòu)建極大地促進(jìn)了“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)質(zhì)量的提升。

3 知識(shí)圖譜構(gòu)建的實(shí)施策略

知識(shí)圖譜的構(gòu)建應(yīng)以“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程大綱為理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo),遵循模塊化設(shè)計(jì)原則,將課程內(nèi)容劃分為一系列層級(jí)化的模塊和子模塊,每個(gè)模塊集中于特定的知識(shí)單元,包括主題、概念、原理及其應(yīng)用場(chǎng)景。這種模塊化的知識(shí)表示方法不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的遞進(jìn)式掌握,還能增強(qiáng)知識(shí)圖譜的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。尤為重要的是,層級(jí)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)允許學(xué)生在認(rèn)知構(gòu)建過(guò)程中逐步深入,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜科學(xué)概念的深層次理解。

在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中,知識(shí)圖譜的構(gòu)建策略致力于整合多樣化的教學(xué)資源,包括經(jīng)典教材、前沿學(xué)術(shù)論文、互動(dòng)在線課程、實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)手冊(cè)及行業(yè)趨勢(shì)報(bào)告等,共同構(gòu)筑起一個(gè)全面且深入的材料科學(xué)知識(shí)庫(kù),為學(xué)生提供多角度的學(xué)科視角。同時(shí),還要對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)和資源項(xiàng)進(jìn)行分類處理,以優(yōu)化學(xué)生檢索資源的過(guò)程,提高查找信息的速度和準(zhǔn)確性,使知識(shí)圖譜能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和興趣進(jìn)行個(gè)性化的動(dòng)態(tài)調(diào)整,從而為學(xué)生提供定制化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。其次,可引入在線討論板、虛擬實(shí)驗(yàn)室和互動(dòng)問(wèn)答等工具增強(qiáng)知識(shí)圖譜的互動(dòng)性,激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探索精神和協(xié)作學(xué)習(xí)能力。同時(shí),還應(yīng)在知識(shí)圖譜中不斷補(bǔ)充材料科學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展,以確保教學(xué)內(nèi)容的時(shí)效性和相關(guān)性,使教學(xué)始終與學(xué)科發(fā)展同步。最后,應(yīng)完善基于知識(shí)圖譜的評(píng)估和反饋機(jī)制,使教師能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度,并通過(guò)學(xué)生的互動(dòng)和表現(xiàn)提供及時(shí)反饋,為教學(xué)方法和資源的不斷優(yōu)化提供依據(jù)。以上策略的實(shí)施,不僅可以豐富“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)資源,還能極大地促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)遷移能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

4 基于知識(shí)圖譜的混合式教學(xué)模式創(chuàng)新實(shí)踐

4.1 混合式教學(xué)模式的層級(jí)化策略

在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中,混合式教學(xué)模式的設(shè)計(jì)采用了創(chuàng)新性的“多層級(jí)任務(wù)引領(lǐng)全過(guò)程學(xué)習(xí)”方法。該方法將教學(xué)活動(dòng)分為三個(gè)層級(jí),每個(gè)層級(jí)都通過(guò)知識(shí)圖譜進(jìn)行支持和導(dǎo)航,確保學(xué)生在線上和線下的學(xué)習(xí)過(guò)程中都能獲得連貫和深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn),具體實(shí)施如圖1(p112)所示。層級(jí)1“線上知識(shí)點(diǎn)自主獲取與初步建構(gòu)”:學(xué)生通過(guò)線上平臺(tái)接觸課程內(nèi)容,利用知識(shí)圖譜導(dǎo)航,有針對(duì)性地瀏覽微課視頻庫(kù)和習(xí)題庫(kù),完成基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和初步測(cè)試。層級(jí)2“線下課堂知識(shí)應(yīng)用與協(xié)作實(shí)踐能力提升”:在線下課堂中,學(xué)生在已獲得的基礎(chǔ)知識(shí)之上,通過(guò)參與項(xiàng)目和案例分析等實(shí)際情境,結(jié)合互動(dòng)式問(wèn)答,提升知識(shí)應(yīng)用和協(xié)作實(shí)踐能力。層級(jí)3“課后知識(shí)總結(jié)、內(nèi)化與拓展延伸”:課后,學(xué)生根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)情況和興趣,選擇適合的學(xué)習(xí)資源和方式進(jìn)行知識(shí)的個(gè)性化總結(jié)和反思,并通過(guò)撰寫(xiě)課程論文、參與學(xué)術(shù)競(jìng)賽等方式拓展知識(shí)。

4.2 知識(shí)圖譜在混合式教學(xué)過(guò)程中的支撐

4.2.1 課程導(dǎo)航與框架建設(shè)

學(xué)生可以通過(guò)知識(shí)圖譜理解課程結(jié)構(gòu),明確學(xué)習(xí)目標(biāo),并根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣定制個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃。這種導(dǎo)航系統(tǒng)的建立,為學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)階段提供了方向和框架。

4.2.2 實(shí)際應(yīng)用與案例融合

通過(guò)將實(shí)際案例和最新科研進(jìn)展嵌入知識(shí)圖譜,學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí),能夠看到知識(shí)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)世界中的具體應(yīng)用,從而加深對(duì)材料科學(xué)知識(shí)的理解。

4.2.3 在線互動(dòng)與反饋機(jī)制

知識(shí)圖譜平臺(tái)的互動(dòng)工具,如在線討論區(qū)和實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng),為學(xué)生和教師之間的溝通搭建了橋梁。這些工具不僅增強(qiáng)了學(xué)生的參與感,還使教師能夠及時(shí)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋,從而調(diào)整教學(xué)策略。

4.2.4 個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑

知識(shí)圖譜通過(guò)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和成績(jī),為個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了數(shù)據(jù)支持。教師可以根據(jù)學(xué)生的不同需求,通過(guò)知識(shí)圖譜推薦系統(tǒng)為每位學(xué)生提供定制化的學(xué)習(xí)資源和任務(wù),支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移。

4.2.5 評(píng)估和持續(xù)改進(jìn)

知識(shí)圖譜收集的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)為教學(xué)評(píng)估提供了豐富的信息源。教師可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性評(píng)估,及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法,確保教學(xué)活動(dòng)始終符合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和課程教學(xué)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

在新工科教育背景下,本教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程進(jìn)行了混合式教學(xué)模式的創(chuàng)新實(shí)踐,以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的諸多局限,包括知識(shí)更新緩慢、教學(xué)互動(dòng)性不足、個(gè)性化教學(xué)缺乏等,通過(guò)引入知識(shí)圖譜,提升教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、互動(dòng)性和個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)所建立的結(jié)構(gòu)化和動(dòng)態(tài)更新的課程知識(shí)體系,不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)材料科學(xué)概念的深入理解,而且加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的結(jié)合;依托知識(shí)圖譜而提出的“多層級(jí)任務(wù)引領(lǐng)全過(guò)程學(xué)習(xí)”方法,實(shí)現(xiàn)了線上自主學(xué)習(xí)與線下互動(dòng)教學(xué)的有效融合;通過(guò)層級(jí)學(xué)習(xí)任務(wù),引導(dǎo)學(xué)生逐步深化對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用,促進(jìn)學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)知識(shí)建構(gòu)的轉(zhuǎn)變。展望未來(lái),本文期望將這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展到更多課程中,并進(jìn)一步探索與新興教育技術(shù)的結(jié)合,如人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí),這將有助于創(chuàng)造一個(gè)更加豐富和互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí),還可考慮將更多實(shí)際工程問(wèn)題和案例融入課程教學(xué),為培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)挑戰(zhàn)的材料科學(xué)與工程專業(yè)人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

*通信作者:何鑫

基金項(xiàng)目:廣東省一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目(粵教高函〔2022〕10號(hào));廣東省教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目(GDJX2023018)。

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