金屬學(xué)與熱處理課程多元化融合課堂教學(xué)方法探討

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

當(dāng)代信息技術(shù)通過多媒體和國際互聯(lián)網(wǎng)提供的大量在線教學(xué)資源正改變著人們的學(xué)習(xí)方式。MOOC(Massive Open Online Course)與微課的誕生、發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)對(duì)高等教育教學(xué)產(chǎn)生了深刻影響?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)模式也應(yīng)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。金屬學(xué)與熱處理是材料成型及控制工程、冶金工程專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，對(duì)該課程的掌握程度直接影響著后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。課程主要分為金屬學(xué)和熱處理兩部分，金屬學(xué)的內(nèi)容理論性強(qiáng)，主要闡述金屬與合金的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、組織、性能之間的內(nèi)在聯(lián)系以及變化規(guī)律；而熱處理部分實(shí)踐性、工程性較強(qiáng)，學(xué)好該內(nèi)容可以正確地制訂熱處理工藝方法和妥善安排工藝路線。在教學(xué)資源高度共享的信息時(shí)代，如何設(shè)計(jì)課堂教學(xué)以更好地達(dá)到教學(xué)目的，使學(xué)生學(xué)獲得知識(shí)，提高學(xué)習(xí)技能，獲得社會(huì)認(rèn)可等都需要教師重新思考和構(gòu)建。本文從三方面對(duì)金屬學(xué)與熱處理課程多元化融合課堂教學(xué)方法進(jìn)行了探討。

1 與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合分層次擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容

2011年斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)相繼創(chuàng)辦了Coursera慕課平臺(tái)和edX慕課平臺(tái)。2013年，北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等國內(nèi)一流高校分別為edX和Coursera提供了課程。教育部、財(cái)政部“十二五”期間啟動(dòng)實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”支持建設(shè)的高等教育課程資源共享平臺(tái)“愛課程”網(wǎng)站。清華大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)還分別創(chuàng)建了“學(xué)堂在線”和“雨虹學(xué)網(wǎng)”中文慕課平臺(tái)[1]。在這些課程教學(xué)網(wǎng)站上能夠搜索到很多與金屬學(xué)與熱處理相關(guān)的課程，例如：愛課程網(wǎng)站有中國地質(zhì)大學(xué)的金屬材料及熱處理，西北工業(yè)大學(xué)的材料科學(xué)基礎(chǔ)和金屬材料學(xué)，大連理工大學(xué)的材料科學(xué)基礎(chǔ)，武漢理工大學(xué)的材料工程基礎(chǔ)。學(xué)堂在線網(wǎng)站有清華大學(xué)的工程材料和材料學(xué)概論等。這么多名校名師的教學(xué)資源在網(wǎng)上都免費(fèi)使用，如何能將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源與課堂教學(xué)相結(jié)合是教師所面對(duì)的問題。

現(xiàn)有的課堂教學(xué)方式并不能滿足學(xué)生的個(gè)性化、差異化需求。首先，學(xué)生的先修課程基礎(chǔ)參差不齊，講課過程中常常遇到學(xué)生對(duì)學(xué)過的知識(shí)記憶模糊，部分內(nèi)容需重新進(jìn)行講解，因此課堂授課時(shí)較難滿足知識(shí)水平差異較大學(xué)生的不同需求，導(dǎo)致無法更好地完成教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)。其次，對(duì)于一些想要繼續(xù)深造或參加科研創(chuàng)新項(xiàng)目的學(xué)生，他們的需求往往比課程大綱要求的內(nèi)容多，所以單獨(dú)課堂教學(xué)也不能滿足這部分學(xué)生的需求。對(duì)于前一種情況，微助教是一個(gè)很好的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在課前將課堂教學(xué)內(nèi)容所需的基礎(chǔ)知識(shí)做成小測(cè)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生使用微信即可簽到答題并記入平時(shí)成績，從而讓學(xué)生提前復(fù)習(xí)，而且也能讓教師對(duì)學(xué)生們所學(xué)知識(shí)的掌握情況有所了解，能夠更合理的安排課堂教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于知識(shí)需求量更多的學(xué)生則可以在課后選擇性的觀看網(wǎng)上教學(xué)資源，在學(xué)習(xí)過程中有疑問可以直接在平臺(tái)上提問或找授課教師討論，學(xué)生可以根據(jù)自身的狀況合理安排學(xué)習(xí)過程，同時(shí)也提高了主動(dòng)性較強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

將MOOC引入課堂教學(xué)的另外一種方式是翻轉(zhuǎn)課堂。翻轉(zhuǎn)課堂模式是一種有效的混合教學(xué)模式，有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)者的自控性和交流互動(dòng)性，提升教與學(xué)的效率和質(zhì)量[2]。在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)中，教師根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)出一些跟實(shí)際聯(lián)系緊密的應(yīng)用問題，即“提出問題”，學(xué)生在課前需要觀看教師提供的MOOC中某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)或自己錄制的一段微課，讓學(xué)生帶著問題觀看教學(xué)視頻，然后進(jìn)行小組討論，討論過程中學(xué)生可以閱讀書籍及其他學(xué)習(xí)資料，最后進(jìn)行總結(jié)，即“解決問題”。同時(shí)，要求小組成員對(duì)在討論過程中產(chǎn)生的疑問做好記錄，總結(jié)成2～3個(gè)問題用于進(jìn)行課堂討論。至此，在課前準(zhǔn)備中，學(xué)生就完成了翻轉(zhuǎn)課堂中“提出問題—解決問題—反饋問題”的3個(gè)步驟。經(jīng)過這個(gè)過程的鍛煉增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性以及共同解決問題的能力。

在選擇微課及精品視頻公開課時(shí)，可以優(yōu)先選擇已經(jīng)通過工程教育認(rèn)證的高校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，如山東大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校的材料成型及控制工程專業(yè)，以及東北大學(xué)、北京科技大學(xué)的冶金工程專業(yè)。

2 大學(xué)生專業(yè)技能比賽鞏固教學(xué)知識(shí)加強(qiáng)實(shí)踐能力

材料科學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，材料專業(yè)的學(xué)生不會(huì)做實(shí)驗(yàn)就不能很好地進(jìn)行科學(xué)研究，而做好實(shí)驗(yàn)的前提就必須具備較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作能力。學(xué)科技能大賽能提高學(xué)生的綜合能力、分析和解決問題的能力，是培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效形式。其中，與金屬學(xué)與熱處理課程相關(guān)的專業(yè)技能大賽有：教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)舉辦的“全國大學(xué)生金相技能大賽”；中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理分會(huì)與教育部高等學(xué)校材料類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)舉辦的“中國大學(xué)生材料熱處理大賽”；中國體視學(xué)學(xué)會(huì)金相與顯微分會(huì)舉辦的“蔡司-金相學(xué)會(huì)杯”高校大學(xué)生金相比賽等。

金相技能是材料專業(yè)學(xué)生最重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，沒有好的金相技能就不能深入地觀察到金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而就不能表征其材料有關(guān)的性能變化，更不能對(duì)新材料定性的進(jìn)行評(píng)價(jià)，這也體現(xiàn)了金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)中始終貫穿的四面體模型“性能—化學(xué)成分—組織結(jié)構(gòu)—加工工藝”之間的關(guān)系。對(duì)于學(xué)生來說，參加專業(yè)比賽要經(jīng)歷初賽、復(fù)賽以及決賽3次角逐，從理論考試到試樣制備及組織觀察，學(xué)生需用到金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的結(jié)晶、二元合金相圖等專業(yè)知識(shí)，同時(shí)還要掌握金相制備、拉伸試驗(yàn)、晶粒度測(cè)量、硬度實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)踐操作規(guī)程。這樣的鍛煉既將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，又會(huì)增加學(xué)生對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣。

熱處理給予材料極限性能、賦予裝備關(guān)鍵件服役壽命。材料熱處理大賽是一項(xiàng)面向全國高校材料科學(xué)與工程及相關(guān)專業(yè)在校生的競(jìng)賽活動(dòng)，包括知識(shí)與技能、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)幾個(gè)單元。在參加比賽過程中可以聆聽各參賽隊(duì)伍的精彩報(bào)告，相互學(xué)習(xí)，深入交流，開闊眼界。比賽中的一些作品也可以作為課堂案例給學(xué)生展示及學(xué)習(xí)分析。如：周祝兵等創(chuàng)新大型纜索錨具熱處理工藝技術(shù)，結(jié)合纜索錨具的合金鋼材料40Cr， 42CrMo鋼，選用500 ℃×8 h氮碳共滲對(duì)錨具強(qiáng)度薄弱位置進(jìn)行強(qiáng)化處理，經(jīng)靜強(qiáng)度檢驗(yàn)，其強(qiáng)度和韌性達(dá)到了局部強(qiáng)化的效果[3]。經(jīng)該工藝技術(shù)強(qiáng)化后的纜索錨具已應(yīng)用于世界超級(jí)工程—港珠澳大橋三座斜拉橋。課本上簡單的熱處理工藝通過實(shí)際案例的講解更能吸引學(xué)生的注意力和好奇心。

3 大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目培養(yǎng)創(chuàng)新人才

李克強(qiáng)總理說過：“高等教育要著力圍繞服務(wù)國家創(chuàng)新發(fā)展，培育更多創(chuàng)新型人才”。大學(xué)生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性培養(yǎng)一直是高等教育的目標(biāo)，也是高等教育教學(xué)改革中重要的內(nèi)容。為了更好地推動(dòng)學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技活動(dòng)的蓬勃開展，營造濃厚的學(xué)術(shù)科研氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)，我校近年來組織開展了一系列的本科生科技創(chuàng)新活動(dòng)提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力。例如：“創(chuàng)造杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目等課外科研活動(dòng)。授課教師根據(jù)自己科研方向申報(bào)項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)自己的特長和興趣選擇導(dǎo)師的課題和自主申報(bào)項(xiàng)目，在項(xiàng)目開展過程中，導(dǎo)師將制訂相應(yīng)的研究計(jì)劃和方案，對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)，進(jìn)一步提高學(xué)生分析問題、思考問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和探究的本領(lǐng)，最大程度的挖掘?qū)W生的科研創(chuàng)新潛能[4]。

2016年筆者和學(xué)生共同申請(qǐng)了校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱為稀土變質(zhì)Al-Fe合金的制備工藝及性能研究，目的是要通過稀土變質(zhì)改善普通熔鑄Al-Fe合金顯微組織，并通過優(yōu)化退火工藝(退火溫度，時(shí)間)以及擠壓、軋制等塑性變形工藝，獲得均勻、細(xì)小、彌散分布的富鐵相金屬間化物顆粒增強(qiáng)的Al-Fe合金。首先需要掌握普通熔鑄下Al-Fe合金凝固特點(diǎn)，研究方法則是通過在凝固過程中測(cè)量冷卻曲線、分析冷卻曲線并觀察鑄態(tài)組織，應(yīng)用到的知識(shí)點(diǎn)為金屬學(xué)部分的二元合金相圖及合金的結(jié)晶。在做實(shí)驗(yàn)之前先要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于選擇的合金成分剛好為共晶成分，F(xiàn)e含量為1.8%，學(xué)生們預(yù)測(cè)冷卻曲線將會(huì)出現(xiàn)再輝及一個(gè)共晶平臺(tái)，并且能夠獲得過冷度△T，鑄態(tài)組織則為共晶組織Al+Al3Fe。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鑄態(tài)組織為典型的亞共晶組織α-Al+(Al+Al3Fe)共晶，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)與資料、相互討論、與導(dǎo)師討論來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再進(jìn)行下一步工作。這個(gè)過程提高了學(xué)生分析和解決問題的能力。同時(shí)，通過與學(xué)生的合作，導(dǎo)師也能更好地將自己學(xué)習(xí)與研究的思維方法、解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)和

體會(huì)融入課堂教學(xué)。在教授學(xué)生知識(shí)的過程中也教授學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，創(chuàng)新的思維。

4 結(jié)語

在多媒體和互聯(lián)網(wǎng)提供大量在線教學(xué)資源的時(shí)代，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，教師的教學(xué)方式方法向教學(xué)方式混合化和教學(xué)資源開放化方向發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也向個(gè)性化、社會(huì)化方向轉(zhuǎn)變。在金屬學(xué)與熱處理的課堂教學(xué)中可以引入優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，采用翻轉(zhuǎn)課堂，同時(shí)動(dòng)員學(xué)生參加各類專業(yè)技能比賽及科技創(chuàng)新項(xiàng)目拓寬學(xué)生視野，增加學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的興趣，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維。

[1] 范振岐.慕課背景下我國普通高等教育的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2015(13):26-28.

[2] 雷麗文,顧少軒,黃學(xué)輝. 翻轉(zhuǎn)課堂在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的實(shí)踐研究[J]. 教育教學(xué)論壇, 2017(9):176-177.

[3] 周祝兵.橋梁纜索錨具的選材及熱處理[J]. 金屬熱處理,2016(11):205-210.

[4] 張裴酈.通過“科創(chuàng)導(dǎo)師制項(xiàng)目”推動(dòng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].才智,2015(14):99.