基于后疫情時代新工科教育的《工程材料》教學新模式探索*

關 蕾，王 冠，張鳳林，羅紅平，張永康

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新一代信息技術的革新，全球制造業(yè)迎來了一場新的科技與產(chǎn)業(yè)革命[1]。這意味著我國高等院校的工科教育將面臨巨大的挑戰(zhàn)。自2016年“新工科”概念的提出至今，我國工程教育的發(fā)展一直不斷創(chuàng)新思維與方式，然其建設重點始終落腳在新工科專業(yè)建設及人才培養(yǎng)上[2]。2020年，一場疫情風暴來襲，全球的經(jīng)濟及產(chǎn)業(yè)發(fā)展壓力激增，教學格局發(fā)生了顯著的變化，尤其針對我們工科院校機械類人才的培養(yǎng)模式亟需快速適應行業(yè)新需求，以緩解我國工業(yè)經(jīng)濟的壓力，破除國外高端科學技術壟斷，提高國際競爭力。疫情期間，我國近億大、中、小學生開展了史無前例的大規(guī)模在線教育，經(jīng)過疫情的洗禮，網(wǎng)絡教學任重而道遠，毋庸置疑，它的發(fā)展是大勢所趨。針對線上線下在這次“戰(zhàn)疫”大考中凸顯出來的各自的優(yōu)劣勢，后疫情時代“新工科”專業(yè)建設及人才培養(yǎng)的教育教學方法必然掀起新一輪系統(tǒng)變革，未來線上線下融合教學將成為教育新常態(tài)。

后疫情時代，以知識傳授為本位，不注重學生創(chuàng)新思維及實踐能力訓練的課程設置已成為過去，不符合“以本為本”的新時代教育發(fā)展理念與基本原則。制造強國，核心在于設計，關鍵在于制造，基礎在于材料?！隘B葉與高節(jié)，俱從毫末生。”機械類專業(yè)學生務必夯實材料基礎知識，以牢其制造根基。因此，本文以機械類專業(yè)材料基礎課程《工程材料》為例，結合團隊授課實踐經(jīng)驗，開展教育思路和教學方法的新思考，探索后疫情時代該課程教學的新模式。

1 工程材料課程教學目標及實現(xiàn)方法

《工程材料》是機械設計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)、車輛工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課，具有較強的理論性和應用性。本課程主要涉及與機械零件及裝備有關的材料基礎知識和熱處理工藝的基本理論。主要內(nèi)容包括機械零件的失效分析、材料的組織結構、材料凝固成型的基本原理與工藝、材料塑性成型的基本原理與工藝、鋼鐵材料的熱處理、有色金屬及合金、無機非金屬材料等內(nèi)容。通過本課程的學習，學生能夠正確理解常用機械工程材料的成分、組織結構、工藝與性能之間的關系及其變化規(guī)律，形成具有根據(jù)零件使用條件、性能要求和失效形式，進行合理選材與應用以及制定機械零件熱處理工藝路線的初步能力。了解工程材料科學和技術發(fā)展的前沿和趨勢以及工程材料對國家經(jīng)濟建設、社會發(fā)展的重要性，具有社會責任感和職業(yè)使命感；能夠在工程實踐中遵守職業(yè)道德和規(guī)范進行機械零件的選材和熱處理工藝的制定與改進，并綜合考慮對環(huán)境與社會可持續(xù)發(fā)展的影響，理解并履行責任。

實現(xiàn)該目標的關鍵在于基礎知識的深刻理解與體驗式學習的深度融合。近年來被國內(nèi)外眾多院校推崇和推廣的BOPPPS模型，通過將學習過程細分為六個單元：導言(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory Learning)、后測(Post-assessment)與總結(Summery)，實現(xiàn)學生全方位參與以及全程監(jiān)測學習效果的目的。采用該模型，使師生重視互動教學，營造輕松活潑的課堂氛圍，課程重點知識突出，整個課堂過程完整有效，學生易適應，教師可操作性強，從而達到教學預期的目標。

2 基于BOPPPS模型的線上線下融合教學新模式構建

2.1 理論與實踐的有效融合

對于理論性較強的工程材料課程，在傳統(tǒng)的教學方法中，基礎理論講授的學時占比過高，教師唱主角。即使是線上教學，不少教師也僅僅是把線下的 “滿堂灌”與“一言堂”[5]，變成線上的而已，大大降低了學生的專注度。在線上教學無法有效監(jiān)管的情況下，學生學習狀態(tài)和教學效果更加大打折扣。學生在課程結束后往往比較迷茫，不清楚所學知識的實踐途徑。由于該課程學時有限，課堂講授大幅度為實踐活動讓步顯然也不是明智之舉，這就倒逼我們進行圖1的教學思考。我們教學實踐的主體是當代大學生，作為“數(shù)字原住民”[4]，他們更易接受的信息需要具備輕松愉悅、適合轉發(fā)、隨時隨地可看的特征。思維活躍，求知欲旺盛又促使他們更偏愛有互動性、競技性及討論性的實踐活動。

圖1 學生主體地位的教學思考

因此，教師在進行導言和參與式學習階段的教學設計時，應有效應用主流網(wǎng)絡媒體及現(xiàn)代教育教學資源并合理創(chuàng)新，充分拓展實踐途徑。武漢科技大學王曉艷等[6]提出后疫情時代高校思政課教學改革應重點思考如何運用互聯(lián)網(wǎng)等新媒體、新技術，使思政課富有時代活力、更好地立德樹人。本課程的部分引言環(huán)節(jié)，我們借助“超級工程”，“大國重器”等視頻資源，引入“天眼”，C919大飛機，嫦娥5號，港珠澳大橋、東風17導彈等我國高端裝備的材料科學和技術發(fā)展的前沿和趨勢，使同學們掌握我國最新的科技發(fā)展，了解工程材料對國家經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重要性，樹立正確的材料設計思想?；谛鹿た埔暯牵瑥娀瘜W生工程倫理意識與職業(yè)道德。激發(fā)學生科技報國的家國情懷和責任感使命感[7]，推進了課程思政建設。

傳統(tǒng)的實踐方式需要學生在課程完全結束后去企業(yè)實地參觀。但由于這次重大突發(fā)的公共衛(wèi)生事件導致高校面臨實習企業(yè)難覓，學生管理異常困難的局面。若采用數(shù)字孿生和虛擬結合，讓學生在電腦前就可實現(xiàn)生產(chǎn)實訓，將更好的解決后疫情時代工程實驗實訓瓶頸，更推動了企業(yè)的智慧化管理進程。同時，與網(wǎng)絡直播相結合有望達到現(xiàn)場實踐的效果。當然，學生的主體地位不可缺失，在參與式學習環(huán)節(jié)中，我們借鑒湖南衛(wèi)視網(wǎng)紅節(jié)目“聲臨其境”，由教師提供無聲無字幕高爐煉鐵，熱處理工藝等演示視頻，學生利用所學基礎知識進行配音，解說工藝流程。理論與實踐充分融合，兼具討論性與趣味性。

2.2 自主學習習慣的養(yǎng)成

(1)潛移默化

掌握課程目標是學生準確定位學習方向的關鍵。在整個教學過程中需要多次強調，但不應是枯燥的文字羅列。我們嘗試將工程材料知識點唱出來，重點知識以歌詞的形式傳遞給學生。如我們團隊將周杰倫的《菊花臺》歌詞進行改編，歌詞如下：

Part 1：工程材料值得你思考，四面體的結構牢記于腦，成分組織結構和工藝，要和性能里面來找。鐵碳相圖工材的基礎，相律杠桿定律相區(qū)接觸，相組織組成應運而生，珠萊滲碳馬貝鐵奧。固溶形變彌散細晶析出來強化，添加合金塑變熱處理，去應力易切削，退火正火預備起，淬火后回火綜合性能提。

Part 2：失效分析材料人宿命，腐蝕磨損斷裂過量變形，選材恰當，合理設計，工藝制度順勢而行。合金來了，C曲線右移，NiMnCo擴大了奧氏體相區(qū)，NbTiV三人細化了晶粒，碳釘住殘余奧氏體。軸承鋼滲碳鋼彈簧鋼調質鋼，低中高溫回火性能用途各異，Cr是個好東西，耐蝕穩(wěn)定鐵素體，不銹鋼耐熱鋼的主力軍。

通過膾炙人口的旋律，學生可牢記工程材料的知識點。在師生之間吟誦的互動中，潛移默化的影響著學生對學習目標的理解和自主學習興趣的激發(fā)，亦凸顯了師生雙主體作用。

通過“每周材料科普”活動，各小組以圖文并茂的形式在微信群發(fā)送材料科普小知識，學生唱主角，訓練研究式思維及團隊意識。此外，教師可將微信公眾號中優(yōu)質的學習材料共享，學生們可隨時隨地學習，并在微信群中展開討論，養(yǎng)成每日習得材料學知識的習慣。每個成員的角色既是信息傳播者也是接受者，在對信息的篩選和閱讀時更加富有批判意識和科學思維。

(2)問題導向

充分利用中國大學MOOC材料類課程在線資源，供學生同步預習。在前測階段，針對預習情況及學生具備的相關知識基礎開展摸底，以了解學生興趣和能力，并實時調整授課內(nèi)容的深度與進度。工程材料課程授課對象為大二下學期機械類專業(yè)學生。鑒于材料力學及理論力學先修課程的學習，學生已掌握了構件強度、剛度和穩(wěn)定性問題的基本知識和分析計算能力。并已系統(tǒng)進行過金工實習理論、機械工程實訓等理論學習和實踐操作，初步了解工程材料的結構和加工方法。因此，在前測階段，教師提供多種材料應力應變曲線測量數(shù)據(jù)，學生課前嘗試自學軟件自主分析，并在課上提出問題解決問題，實現(xiàn)雙倍收獲。以問題為導向，課外專業(yè)軟件的線上補充學習可為基礎知識以及實驗原理的理解提供支撐。在機械專業(yè)學生已掌握Solidworks，Auto CAD等制圖軟件的前提下，針對工程材料課程，Origin及Matlab數(shù)據(jù)處理軟件的自學是提升學生解決復雜工程問題的能力的關鍵環(huán)節(jié)，契合新工科與課程思政的內(nèi)涵。

靈活布置作業(yè)，如本課程要求學生熟練繪制鐵碳相圖，我們摒棄傳統(tǒng)的課上抽查提問繪制的方式，而是課后要求全員錄制繪制視頻。視頻時間長短和繪制質量作為評分標準，無形中督促學生開展自主訓練。我們團隊經(jīng)過該實踐，收效甚佳。

2.3 個人與團隊聯(lián)合考核創(chuàng)新

在BOPPPS的后測階段，學生唱主角，學生之間的競賽代替教師對學生的單向考核，個人與團隊進行聯(lián)合考核。我們這里提及的后測不僅僅代表每節(jié)課結束前幾分鐘對單次課學習效果的檢驗，而是貫穿整個學期的課程學習效果的測評。

我們多采用主觀綜合題的形式對單次課進行課程質量評估，包括對課程知識點的考核以及授課主體的評價。教學評價的公正和有效性一直是我們教育工作者最關注的問題之一，有效的教學評價直接決定了教學反思的開展和教學質量的提升。教學評價講求時效性，針對目前最常見的課程結束后一次性評價方式的時效性和反饋性的不足，每次授課結束后的實時評價更為重要。教師和學生要達到最佳配合。我們要求學生的評價與個人總成績相關聯(lián)，以增強學生責任感和重視度。采用線上線下融合評價方式。線上從教師的基本素養(yǎng)和規(guī)范方面采用選擇判斷題進行可量化的常規(guī)評價。線下采用主觀題形式，在下課前五分鐘對每節(jié)課程的意見建議和下節(jié)課的期望作出評述。下次課前教師要進行歸納總結和反思匯報，達到師生全員參與。每周開展小組座談，師生將對課程進行全面的探討，并形成有建設意義的報告，經(jīng)由參與者簽字公布給所有同學。

課程的最關鍵后測在期末考試前以團隊的形式進行，比如，開展材料辨別及材料基礎知識競賽，學生既做出題人又是參賽者，以小組的形式提交競賽題目與答案。競賽過程中采用盲選對手及題目的方式，寓教于樂，大大提高了學生的參與度，督促了學生們對課程知識的整合。

3 結 語

基于我國后疫情時代創(chuàng)新驅動的科技強國戰(zhàn)略需求以及新工科的理念，根據(jù)我校機械類相關專業(yè)《工程材料》課程的培養(yǎng)目標，我們團隊合理利用現(xiàn)代網(wǎng)絡技術，數(shù)字化與大數(shù)據(jù)技術，從理論與實踐教學以及教學評價等方面采用線上線下融合的方式，力圖打造“金課”、“潮課”，以適應新工科對課程建設的新目標。基于BOPPPS模型的線上線下融合教學新模式在工科類課程中具有較強的可借鑒性。