基于“鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與研究

危衛(wèi)華　連小瑩

摘 要：翻轉(zhuǎn)課堂作為近年出現(xiàn)的一種新型教學(xué)理念，可以為教師和學(xué)生定制個(gè)性化教學(xué)平臺(tái)與個(gè)性化學(xué)習(xí)空間。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、視頻、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等自主學(xué)習(xí)與課堂內(nèi)的探討與互動(dòng)，能夠更深刻的掌握及內(nèi)化理論知識(shí)。機(jī)械制造基礎(chǔ)課程是綜合性、多學(xué)科交叉、實(shí)踐性強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能完全滿足目前對(duì)高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。本文以鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)為例，研究了基于翻轉(zhuǎn)課堂方式的教學(xué)模板設(shè)計(jì)，從學(xué)習(xí)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者特征分析、課前任務(wù)設(shè)計(jì)、課上任務(wù)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)反思六個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，最終給出了基于鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)模板，從而展現(xiàn)出翻轉(zhuǎn)課堂模式對(duì)機(jī)械制造基礎(chǔ)乃至工科專業(yè)課程教學(xué)的實(shí)際可行性和重要性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造基礎(chǔ)；鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)；翻轉(zhuǎn)課堂；模板設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）18-0060-04

機(jī)械制造基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門重要的綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課，是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生具有應(yīng)用創(chuàng)新能力的綜合訓(xùn)練課程，在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)體系中具有極其重要的地位。機(jī)械制造基礎(chǔ)課程主要涉及工程材料（材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、材料的力學(xué)行為、二元合金及相變基礎(chǔ)知識(shí)、材料的改性、金屬材料、非金屬材料以及材料的選用）、鑄造成型、鍛壓成型、焊接成型以及切削加工等五大部分內(nèi)容。該課程實(shí)踐性強(qiáng)，涉及知識(shí)面廣，教學(xué)內(nèi)容組織上有很強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性，在教學(xué)過程中需要注重對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)以及強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)，使學(xué)生具備運(yùn)用鐵碳合金相圖等知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，如金屬材料熱處理工藝選擇、工程應(yīng)用中金屬材料的選用等[1]。本文面向工科本科教育，選取機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中工程材料章節(jié)的鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)這部分內(nèi)容，從學(xué)習(xí)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者特征分析、課前任務(wù)設(shè)計(jì)、課上任務(wù)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)反思6個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，最終給出基于鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)模板。

一、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法特點(diǎn)

翻轉(zhuǎn)課堂作為另外一種基于現(xiàn)代信息技術(shù)的新型教學(xué)模式，是近年來在國內(nèi)外教學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。早期的翻轉(zhuǎn)式教學(xué)實(shí)踐和研究主要是在美國高校進(jìn)行，哈佛大學(xué)的Eric Mazur物理教授最早于上世紀(jì)90年代就開展了“翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)”的實(shí)踐研究。翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）教學(xué)一般是指教師在每次課程上課前將一些學(xué)習(xí)數(shù)字資料提前分發(fā)給學(xué)生，讓他們自己預(yù)先進(jìn)行自主學(xué)習(xí)材料，如電子期刊論文、相關(guān)錄音視頻、電子書本等；學(xué)生有了這些準(zhǔn)備，然后與同學(xué)和教師在課堂上開展諸如答疑、解惑、討論等互動(dòng)形式，來完成課堂教學(xué)的一種新型教學(xué)模式。這種新型的教學(xué)方式，改變了我們傳統(tǒng)意義上的課堂教學(xué)模式，是對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)進(jìn)行的一場大改革。其特點(diǎn)之一，傳統(tǒng)課堂中教師講授課程內(nèi)容，課下學(xué)生自主完成課程作業(yè)，而翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法則要求學(xué)生在課程內(nèi)容講授之前，自己先自主學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，然后再集體答疑、討論、探索知識(shí)。其特點(diǎn)之二，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)讓學(xué)生的角色發(fā)生改變，不再是傳統(tǒng)教學(xué)的被動(dòng)接受知識(shí)，而是先主動(dòng)積極學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，然后再結(jié)合課堂主動(dòng)交流互動(dòng)來掌握知識(shí)。其特點(diǎn)之三，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的主要教學(xué)資源就是課前發(fā)給學(xué)生的如電子PPT、小型錄音視頻、電子教材等電子文件，不再是以往課堂教學(xué)時(shí)的教案、教材等[2][3][4]。

二、鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)特點(diǎn)

機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中工程材料章節(jié)的二元合金及相變基礎(chǔ)知識(shí)部分包含合金的晶體結(jié)構(gòu)、二元合金相圖、鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)等內(nèi)容?！拌F碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)”這部分又涉及鐵碳合金中的基本相和組織、相圖分析、鐵碳合金在平衡冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變、含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變、鋼在非平衡冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變等內(nèi)容。這些內(nèi)容比較貼切生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)踐性強(qiáng)，所以內(nèi)容幾乎都在生產(chǎn)一線有所體現(xiàn)。因此，“鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)”這部分內(nèi)容開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法有下面一些特點(diǎn)。①該課程內(nèi)容實(shí)踐性要求高，注重理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生需要參加車間生產(chǎn)實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)教學(xué)，適合學(xué)生自學(xué)；②通過課下學(xué)生之間交流與課堂上師生的互動(dòng)交流，既可鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，又可對(duì)其學(xué)習(xí)起到督促作用，有助于大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)成績的提高[5]。

三、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模板設(shè)計(jì)

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“二元合金及相變基礎(chǔ)知識(shí)”一章在南京林業(yè)大學(xué)整個(gè)“機(jī)械制造基礎(chǔ)”32講中位于第一章的3～5講，是工程材料部分最重要的三大內(nèi)容（二元合金及相變基礎(chǔ)知識(shí)、材料的改性、金屬材料）之一。本講內(nèi)容為“鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)”中的“鐵碳合金中的基本相及相圖分析”，特色是內(nèi)容層次分明，難易有別。對(duì)于簡單的內(nèi)容，比如鐵碳合金中的幾種基本相的概念，比較簡單，學(xué)生完全可以通過課前看參考資料學(xué)會(huì)；而對(duì)于難點(diǎn)鐵碳相圖分析，通過課前資料，一部分學(xué)生可能還不能完全掌握，所以課前要給學(xué)生留習(xí)題，通過習(xí)題引導(dǎo)，可以幫助學(xué)生掌握鐵碳相圖。同時(shí)，教師通過學(xué)生對(duì)習(xí)題的完成情況也可掌握學(xué)生課前對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況，從而在上課時(shí)因地制宜。本堂課重點(diǎn)是鐵碳相圖分析。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

①記住鐵碳相圖中涉及的基本相及其性能特點(diǎn)，能夠區(qū)分開這些基本相的存在溫度范圍和含碳量范圍；

②理解鐵碳合金從液態(tài)向固態(tài)凝固過程中，可能出現(xiàn)共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)的溫度和含碳量條件，區(qū)分好二者具體的反應(yīng)轉(zhuǎn)變過程；

③掌握鐵碳合金相圖中涉及到的特征點(diǎn)、特征線的含碳量和所表示的物理含義；

④默寫出簡化版的鐵碳合金相圖，即省略掉包晶反應(yīng)部分的鐵碳合金相圖；

⑤創(chuàng)新：鐵碳合金相圖在企業(yè)競爭等方面的指導(dǎo)意義。教師可以通過學(xué)生對(duì)課前習(xí)題的完成情況、課堂上的表現(xiàn)及課堂測驗(yàn)的完成情況判斷學(xué)生是否達(dá)到了學(xué)習(xí)目標(biāo)。

3.學(xué)習(xí)者特征分析endprint

本課程學(xué)習(xí)者為大二學(xué)生，前面學(xué)期他們已經(jīng)接觸過相關(guān)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。他們喜歡學(xué)習(xí)該實(shí)踐應(yīng)用型課程，對(duì)本節(jié)內(nèi)容很感興趣。同時(shí)，他們喜歡充滿樂趣和挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)，希望通過本堂課的學(xué)習(xí)可以指導(dǎo)實(shí)踐。

在本堂課之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了固溶體和金屬間化合物的基本概念和性能特點(diǎn)、二元合金相圖中勻晶相圖和共晶相圖的定義及結(jié)晶過程、運(yùn)用杠桿定律進(jìn)行組分分析計(jì)算等，已經(jīng)具備了掌握鐵碳合金中的基本相及相圖分析的理論基礎(chǔ)。課前學(xué)生通過學(xué)習(xí)課前資料、做習(xí)題能夠掌握基本的內(nèi)容，但對(duì)于鐵碳合金相圖中特征點(diǎn)、特征線的理解可能存在困難，特別是對(duì)于共析和共晶這兩個(gè)反應(yīng)容易混淆，雖然在學(xué)習(xí)資料中已經(jīng)提醒學(xué)生從反應(yīng)發(fā)生的含碳量或者反應(yīng)發(fā)生的溫度角度，來比較這兩種反應(yīng)的不同，但還需要通過課堂活動(dòng)來幫助學(xué)生深入掌握。

四、課前任務(wù)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思想

課前任務(wù)與學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密聯(lián)系，滿足激發(fā)與維持學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的ARCS模型。

A（注意）：《鐵碳合金相圖（一）》、《第四節(jié)鐵碳合金相圖》視頻以生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中的加工生產(chǎn)為案例，拉近了學(xué)習(xí)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐間的距離，生動(dòng)而有趣味性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

R（關(guān)聯(lián)）：以鐵碳相圖為基礎(chǔ)，可分析出不同含碳量鐵碳合金、乃至相同含碳量鐵碳合金在不同溫度下的合金組織充分和相組成，從而可建立含碳量和溫度之間的關(guān)聯(lián)；利用鐵碳相圖中涉及到的特征點(diǎn)、特征線及所圍成的區(qū)域，來解釋生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，從而將新學(xué)知識(shí)和現(xiàn)實(shí)的問題相關(guān)聯(lián)。

C（信心）：課前學(xué)習(xí)資料和任務(wù)單有一定的難度，學(xué)生可通過自己或團(tuán)體的努力完成。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析自己成功的原因，讓他們明確成功是自己努力和辛勤的結(jié)果。

S（滿足）：老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果及時(shí)反饋，對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)和鼓勵(lì)；同時(shí)通過學(xué)生學(xué)習(xí)成果的課上討論和展示，使學(xué)生具有成就感。

2.課前學(xué)習(xí)資料

①視頻1《鐵碳合金相圖（一）》，鏈接如下：http：//v.ku6.com/show/TsieNzjDQpwh2YhnR6jvzQ...html？loc=tashang chuan&lb=1；

②視頻2《第四節(jié)鐵碳合金相圖》，鏈接如下：http：//www.cmse.cqu.edu.cn/jpkc/gccl/kj/kj044.htm（重慶大學(xué)精品課程）；

③趙小東、潘一凡主編，《機(jī)械制造基礎(chǔ)》，東南大學(xué)出版社，2010年，第11-14頁以及配套PPT及動(dòng)畫資料；

④練習(xí)題3道；

⑤附加應(yīng)用型試題2道。

3.課前學(xué)習(xí)任務(wù)單

①認(rèn)真學(xué)習(xí)“課前學(xué)習(xí)資料1”，在word文檔中列出鐵素體、奧氏體和滲碳體的基本含義和性能特點(diǎn)，本任務(wù)滿分5分；

②認(rèn)真學(xué)習(xí)“課前學(xué)習(xí)資料2”，在word文檔中列出共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)所發(fā)生的含碳量范圍和溫度條件，比較二者的轉(zhuǎn)變過程，本任務(wù)滿分5分；

③認(rèn)真學(xué)習(xí)“課前學(xué)習(xí)資料3”，通過學(xué)習(xí)鐵碳合金相圖中特征點(diǎn)、特征線的含碳量大小和表示的物理含義，畫出鐵碳合金相圖，本任務(wù)滿分10分；

④完成鐵碳合金基本知識(shí)的3道習(xí)題，并于課前48小時(shí)提交，本任務(wù)滿分15分，每題5分，有兩次提交機(jī)會(huì)；

⑤附加題（選作）：學(xué)有余力的同學(xué)可完成附加題，并于課前48小時(shí)提交，每題5分，本任務(wù)可附加10分。

五、課上任務(wù)設(shè)計(jì)

1.課上活動(dòng)規(guī)劃（見表1）

2.課堂題目

①針對(duì)45鋼（含碳量為0.45%），分析其由液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程，指出在室溫下其相和組織組成物各是什么？解釋工程應(yīng)用上“趁熱打鐵”問題的理由？

②討論鐵碳合金相圖的記憶方法。

3.課堂可能出現(xiàn)的問題和解決方案

①課堂上各個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)都限定了時(shí)間，實(shí)際操作中所用時(shí)間可能會(huì)有所差異，這需要教師在課堂上根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行掌控、調(diào)節(jié)，但應(yīng)保持與計(jì)劃時(shí)間相差不大。

②在學(xué)生的討論環(huán)節(jié)，如果有學(xué)生的討論、辯論偏離了主題，或某局部點(diǎn)所用時(shí)間過長，教師必須正確引導(dǎo)。

4.學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)評(píng)價(jià)方式和量規(guī)

評(píng)價(jià)學(xué)生采用形成性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，課前、課上的評(píng)價(jià)主要考慮的是學(xué)生的努力程度，而不是僅以答案的正確與否為標(biāo)準(zhǔn)。單元測驗(yàn)成績、期末考試成績以卷面分為準(zhǔn)。

學(xué)生最終的成績：課前任務(wù)完成情況占20%、課堂表現(xiàn)占40%、單元測試成績占20%、期末考試成績占20%。

六、教學(xué)設(shè)計(jì)反思

課前視頻、資料是讓學(xué)生在課前自學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)為了掌握與評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，課前還給學(xué)生留了3道習(xí)題。學(xué)生課前將答案及問題反饋給老師。

課上學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是對(duì)課前學(xué)習(xí)內(nèi)容的回顧、應(yīng)用和拓展。課堂活動(dòng)與課前學(xué)習(xí)是緊密聯(lián)系的，課堂活動(dòng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)課前學(xué)習(xí)的答疑解惑與應(yīng)用提升，同時(shí)與課前活動(dòng)一起促進(jìn)學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

本課程學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)包括：

1.物理學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

60m2的朝南教師，噪音小、空氣流通、光線好；25名學(xué)生，以5個(gè)圓桌分成5個(gè)小組，其中有個(gè)小組5個(gè)人。教師寬敞不擁擠；講臺(tái)有電腦、投影設(shè)備和放音設(shè)備。

2.資源學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

教材學(xué)生人手一本；課前學(xué)習(xí)任務(wù)單、課堂測驗(yàn)試卷由教師打印發(fā)放給每個(gè)學(xué)生；教學(xué)視頻一部分由教師進(jìn)行錄制并上傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一部分是教師搜集的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)視頻，兩種類型視頻都由教師在課前學(xué)習(xí)任務(wù)單中注明網(wǎng)址。

3.技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

教學(xué)視頻具有良好的界面設(shè)計(jì)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；各功能模塊有良好的導(dǎo)航機(jī)制，便于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行任意的學(xué)習(xí)跳躍；同時(shí)交流平臺(tái)可以支持學(xué)生進(jìn)行討論和協(xié)作學(xué)習(xí)。endprint

4.情感學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

開課前給學(xué)生上教學(xué)準(zhǔn)備會(huì)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到本課程的重要性同時(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系非常緊密；課上活動(dòng)豐富有趣，讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)充滿興趣；部分任務(wù)和測驗(yàn)有一定的難度，學(xué)生可通過自己或團(tuán)體的努力完成。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析自己成功的原因，讓他們明確成功是自己努力和辛勤的結(jié)果，因而培養(yǎng)了他們的信心。老師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果及時(shí)反饋，對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)和鼓勵(lì)；同時(shí)通過學(xué)生學(xué)習(xí)成果的課上討論和展示，使學(xué)生具有成就感。

七、 結(jié)語

（1）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的出現(xiàn)，為機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提供了廣闊的平臺(tái)，也為師生雙方帶來了全新的教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過學(xué)習(xí)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者特征分析、課前任務(wù)設(shè)計(jì)、課上任務(wù)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)反思等六個(gè)方面開展的深入研究，證實(shí)了基于鐵碳合金相變基礎(chǔ)知識(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式是可以實(shí)施的。

（2）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念及相應(yīng)的教學(xué)方法，打破了昔日的先教后學(xué)的教學(xué)方式，使學(xué)生變成了學(xué)習(xí)的主宰者，有望讓每一位學(xué)生都能發(fā)揮自身的潛能，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展。因此，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位特別重要。

（3）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法研究，可為工科院校機(jī)械類及近機(jī)械類專業(yè)課程的教學(xué)提供新的教學(xué)方式和經(jīng)驗(yàn)借鑒，但是要完全實(shí)現(xiàn)學(xué)生積極參與、個(gè)性化教育的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式，還應(yīng)在學(xué)生的專業(yè)課程體系設(shè)置、教學(xué)制度建立、高校日常教學(xué)管理等方面進(jìn)行匹配的創(chuàng)新改革，并且還要經(jīng)過實(shí)踐的長期檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小東，潘一凡.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2010.

[2]司家勇， 李立君.基于MOOC的機(jī)械工程材料課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2015，42（10）： 108-111.

[3]楊麗娟. 職校開展計(jì)算機(jī)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的認(rèn)識(shí)及對(duì)策[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2016，（5）：116-118.

[4]馮武衛(wèi)， 李振華. 基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的機(jī)電傳動(dòng)與控制課程教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，（4）： 106-109.

[5]舒慶， 邵俊鵬.工程材料與熱成形技術(shù)課程中的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐與思考[J].實(shí)踐·探索， 2016，（1-2）：108-110.

（編輯：郭桂真）endprint