1. 引言
2018年6月，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出“金课”的概念，并指出要提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性，激发学生的学习动力和专业志趣，真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[1]。同年8月，教育部印发的《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》首次正式在教育部文件中使用“金课”概念[2]。同年11月，高等教育司司长吴岩作了题为“建设中国金课”的报告。报告不仅提出“金课”可以归结为“两性一度”，同时还指出“金课”的五大类型，包括线下“金课”、线上“金课”、线上线下混合式“金课”、虚拟仿真“金课”和社会实践“金课”[2]。
“金课”的“两性一度”标准中“高阶性”是指将知识、能力和素质有机融合，培养学生解决复杂问题的能力和高级思维；创新性聚焦具有时代性和前沿性的课程内容、充满生动性和互动性的教学形式、培养具有探究性和个性化的学生；挑战度是指深化课程难度，需要老师和学生跳一跳才能够得着[2] [3]。
线上线下混合式教学作为五大“金课”之一，将信息化技术引入课堂[4]。在线上环节，学生能自由安排时间学习基本知识，完成预习任务；线下环节学生聚焦课堂，通过分组协作及个性化指导等完成课堂知识的学习[5]。这种教学模式打破传统教学形式及学习的时空壁垒，有效培养学生的高阶思维。本文对材料物理基础实训课进行了教学改革，该课程是围绕锌离子电池开展的集中实践环节必修课。针对学生预习不完善导致的课中实践操作不熟练和学生创新思维不强的问题，提出相应的改革方案，激发学生的主观能动性，强化培养纵深度和扩大覆盖面，更好实现课程的“两性一度”。
2. 课程教学的主要问题分析
2.1. 教学形式单一
在传统的实训教学中，课程通常遵循“教师讲解演示–学生按照步骤机械操作”的流程开展。多元化教学手段的缺失不仅不利于学生深入理解课程、灵活使用知识，而且不能充分调动学生的积极性[6]。因此，在信息化技术发展迅猛的今天，为增强学生对实验原理的深入理解、对仪器设备各功能的全方位认知，课程需引入虚拟仿真、安全教育、实验操作等线上资源进行预习和学习，调动学生学习的积极性。
2.2. 教学内容固化
传统固化的教学内容使得学生的自主学习和创新思维不能被有效激发。在整个过程中，仍以教师为主进行知识和技能的传递。学生虽然能够获得基础的操作体验与技能训练，但是仍以复制教师的动作、被动接受为主的状态学习。长此以往，这不仅限制了学生自主探索的积极性，无形中创新意识也受到了限制，导致学生实践能力和科研素养的不足[7]。
3. 课程教学改革实施路径探析
基于对《材料物理基础实训》课程教学过程中存在的问题进行分析，本文遵循建设“金课”的“两性一度”标准，分别提出解决上述问题的改革路径，让课程成为培养学生的创新、实践能力的高阶平台。
3.1. 构建“多元立体化”教学形式，丰富教学内容
教学形式的改革围绕“两性一度”的教学理念，将课程的实施过程划分为课前、课中和课后三个阶段并分别归入教学目标中的低阶目标和高阶目标，采用线上线下混合式教学。通过将课前的线上学习设置为低阶目标，在此基础上线下环节(课中和课后)则着重培养学生的高阶能力[4]。传统的单一线下预习方式已经无法满足学生的需求，因此引入各种信息化教学工具，利用“学习通”建立实验操作视频、仪器操作视频及使用规范、安全教育视频、数据处理方法(如Origin软件应用等)、预习测验题目等课程相关资源。该线上资源的建立让学生根据个人学习进度自由选择学习资源，突破时空约束，有效增强了学生的自主学习能力。
此外，课程教学面临大型仪器设备资源紧张、操作风险高等限制，尤其在涉及扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等大型贵重仪器设备的实训环节中。基于此，教学往往局限于教师讲授相关知识并演示和组织学生观看仪器设备相关视频资源等，学生缺乏亲手操作与实时调试的机会。为有效解决这一问题，课程积极引入“学习空间–国家虚拟仿真实验教学课程共享服务平台”，依托其开放的线上学习空间，构建了虚实结合的实验教学环境。在本课程学习中学生可在该虚拟仿真教学平台上搜索并进行与SEM和XRD等大型仪器相关的模拟实验。这促使学生能够在数字化虚拟仿真场景中，安全、反复地进行仪器操作与数据分析等训练，提升学生积极性的同时有效拓展了实验教学的广度与深度。
混合式教学遵循三阶段(课前、课中、课后)递进式教学，流程如图1所示。课程开展的第一阶段为线上线下预习环节。学生通过线下指导书对本课程进行初步了解，并借助“学习通”和开放的虚拟仿真平台完成基础知识学习、线上测验与模拟训练，从而为后续的线下实验奠定认知基础与安全规范意识。第二阶段为线下课堂教学。教师基于学生预习情况，重点讲解实训项目难点、实验过程及仪器使用注意事项，引导学生开展分组实验。例如在项目中以MnO2作为正极材料制备锌离子电池并分析其性能和表征结果的基础上，课程进一步引入材料研发中常用的元素掺杂手段(如Ni、Co等[8])，引导学生学习优化电池性能的方法，从而使学生深入了解材料改进的方法和原理。学生基于扎实的预习基础和教师重点讲解，分组完成从“正极材料制备–组装电池–电化学性能测试–材料优化方法学习”等的全流程操作，在实践中培养综合运用知识、解决复杂问题的高阶能力。第三阶段为课后巩固与能力提升。学生在掌握教师讲授的数据处理方法后，需独立完成实验数据的分析、处理与报告撰写。例如学生通过处理性能和表征的数据，分析常规MnO2材料与元素掺杂优化后材料的性能区别和可能的原因，深化学生分析复杂问题的能力，在此过程中，学生可通过线上或线下方式随时进行答疑交流。该阶段具有较强的综合性与挑战度，有助于培养学生深度思考与系统整合的能力。通过上述三阶段的递进与有序连接，实现了从基础认知到综合能力培养的逐步提升，体现了“两性一度”理念在教学组织中的具体实践。
Figure 1. Flowchart of the three-stage process of mixed teaching: before class, during class (taking MnO2 cathode material as an example), and after class
图1. 混合式教学课前、课中(以MnO2正极材料为例)、课后三阶段流程图
3.2. 竞赛反哺教学，创新教学内容
在新工科建设背景下，为有效提升学生的实践能力、创新思维与团队协作素养，本研究提出将科技竞赛系统融入实训课程教学，以切实达成“金课”标准中“两性一度”所强调的创新性、挑战性目标。当前，学生可参与的科技竞赛类型丰富，如中国国际大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等，但学生自主报名参与的积极性普遍不高，存在参与意愿与实际行动之间的落差。
为破解上述困境，本课程系统讲授与课程相关竞赛中所需的软件分析工具。同时在教学过程中，教师关注并积极引导对竞赛具有潜在兴趣的学生，鼓励其组建竞赛团队。在竞赛实践阶段，学生得以在真实、复杂的问题情境中综合运用所学知识与技能，一方面强化对课程内容的深度掌握，另一方面提升自身创新意识、协作能力和实际应用能力[9]。教师在指导竞赛的过程中，随着与学生沟通次数的增加，师生关系更加紧密、平等。同时，教师可以反观教学，不断优化教学。通过竞赛反哺教学，推动教师教学能力的持续发展，提升人才培养质量[10]。
4. 课程改革在材料物理基础实训中的教学效果
本课程于2025年秋季学期对材料物理专业的一个班级(33名同学)实施教学改革(课中以MnO2正极材料为例开展)。通过教学改革前后对比，改革后学生课上回答问题及动手积极性明显增强，教学成效显著。为了科学有效评估材料物理基础实训的改革效果，面向参与课程改革的同学发放了匿名调查问卷，参与问卷的学生人数为31人。调查问卷结果如下表1所示。
从调查问卷统计结果来看，学生对线上视频预习资源(实验操作、仪器操作、安全教育等)预习辅助作用评价较高。这说明线上资源能有效帮助学生提前熟悉实验流程、强化操作规范、提升学习兴趣。同时结合学习通设计的预习问题，促使学生主动探究知识并构建知识体系，从而更有效帮助学生学习。线上虚拟仿真实验显著增强了学生对课程的兴趣，提供给学生安全、无限制的操作条件，增强学生学习的主动性和进入实验室的自信心。学生普遍认为完成课程后，自己在知识理解、仪器操作、数据测试及处理分析能力、团队协作方面均有显著提高。学生综合能力明显增强的同时运用能力参加相关竞赛的积极性也得到激发。综上所述，这些表明学生在学习体验、能力发展、兴趣激发等方面对改革持积极认可态度。
Table 1. Questionnaire
表1. 问卷调查表
类别 |
问卷内容 |
调查结果 |
教学改革 成效调查 |
本次实训课程提供的线上视频资源如(实验操作视频、仪器操作视频、安全教育视频等)是否有助于你预习和学习 |
A. 好(83.9%) B. 较好(12.9%) C. 一般(3.2%) D. 差(0%) |
通过进行虚拟仿真实验(XRD和SEM)，已掌握了XRD/SEM的基本知识、操作流程，增强了对本课程的学习兴趣 |
A. 好(77.4%) B. 较好(19.4%) C. 一般(3.2%) D. 差(0%) |
完成实训后，您认为是否已掌握“本实训用到的测试仪器和数据分析软件，并增强了后续主动参加相关竞赛的积极性” |
A. 好(90.3%) B. 较好(6.5%) C. 一般(3.2%) D. 差(0%) |
完成实训后，掌握仪器操作步骤、数据处理与分析能力、沟通交流与团队协作能力 |
A. 好(83.9%) B. 较好(12.9%) C. 一般(3.2%) D. 差(0%) |
已掌握本实训各环节基本原理、内容和方法，能根据所学知识正确回答实训相关的问题 |
A. 好(87.1%) B. 较好(9.7%) C. 一般(3.2%) D. 差(0%) |
5. 持续优化与未来展望
本课程基于“两性一度”标准的改革虽然已有初步成效，但教育改革是动态发展、持续迭代的过程。接下来将在以下方面进行优化：1) 目前已建立的视频、测验及引入的虚拟仿真实验等线上资源，构成了混合式教学的基础。线上资源虽已形成基本体系，但内容需不断随着材料学科的发展同步迭代。下一步将通过参加相关讲座、交流等定时补充、动态更新线上资源，增强内容的时效性和针对性。2) 目前课程已初步激发学生参加竞赛的兴趣，接下来将推动赛事前沿课题及流程动态引入课堂，增强学生的创造性和参与度。学生经过前期理论知识学习、实训操作及数据分析与报告撰写的系统训练后，已具备参与实际项目的基础。课程计划从校赛、省赛或国赛筛选与材料物理领域相关的优秀作品作为课程课题，指导学生系统开展实验。完成实验后，进一步引导学生从基础的性能测试与材料表征，逐步提升至对材料商业化应用层面的综合分析。以竞赛所用项目申报书为模板，指导学生撰写针对该材料产品的商业化应用分析部分，并形成完整报告。此报告将作为考核内容的一部分，旨在增强学生对材料商业化应用方面的认知，并帮助学生建立相应的分析框架并培养综合创新能力。
展望未来，本课程改革仍需围绕资源的前沿性与真实性、竞赛反哺的体系化等方面进行深入研究。通过持续改进，将这门课程打造为既能塑造学生扎实专业技能，又能激发其创新思维与终身学习能力的高阶平台，从而为培养适应未来社会发展需求的综合型人才提供坚实基础。
6. 结论
本次教学改革以“两性一度”的“金课”标准为引领，针对《材料物理基础实训》课程存在的教学形式单薄、教学内容和创新训练不足等核心问题，进行了教学改革研究。改革将课前线上资源(预习视频 + 虚拟仿真实验平台预习 + 预习题)和线下指导书预习、课中线下课程实操、课后线下分析处理数据撰写报告和线上线下反思答疑进行一体化整合。该教学流程有效突破了传统实训的时空与资源限制，同时线上学习资源有助于根据自身知识基础和学习习惯，自主安排进度，开展个性化学习，从而促进学生个性化路径的形成；通过将竞赛逐步融入课程，显著激发了学生的探究热情，不断培养学生解决复杂问题的创新思维与团队协作能力。课程改革不仅可以促进了学生全方面综合能力的提升，也为材料类实践课程的改革提供了借鉴。
基金项目
湖北汽车工业学院教学改革研究项目：“两性一度”的混合式“金课”建设背景下《材料物理基础实训》教学的改革与实践(JY2025037)。
NOTES
*通讯作者。