新工科專業(yè)核心課程教學(xué)方法改革研究—從實踐到理論

趙爍， 呂靜彩， 柴保明， 葛陽陽

(1.河北工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 學(xué)校辦公室，河北 邯鄲 056038)

“新工科”是為了應(yīng)對新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，面向未來發(fā)展、服務(wù)國家戰(zhàn)略和滿足產(chǎn)業(yè)需求，提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃[1]。2017年以來，教育部相繼發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》等文件，全力探索新形勢下工科教育的模式及變革。因此新工科建設(shè)受到了高校廣泛關(guān)注。新工科的推動和實施，對深化我國工程教育改革、建設(shè)教育強國、服務(wù)和支撐經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級等諸多方面具有重大意義[2-3]。新工科的“新”主要體現(xiàn)在教育理念新和學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)新等。隨著社會高速發(fā)展，傳統(tǒng)工科需要進行變革與升級。新工科的建設(shè)與發(fā)展，需要的是富有創(chuàng)新性、綜合化、全周期的工程教育“新理念”及新舊工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”。工科新結(jié)構(gòu)不僅包括前沿學(xué)科專業(yè)，還應(yīng)加快對傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革和創(chuàng)新，使其體現(xiàn)工程教育的新要求。推動傳統(tǒng)工科交叉融合和跨界整合，對培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的人才至關(guān)重要[4-5]。工科較之于理科最大的區(qū)別就是實踐性。實踐環(huán)節(jié)是工程教育中尤為重要的一環(huán)，這對增強學(xué)生的實踐和雙創(chuàng)能力，勝任相關(guān)行業(yè)的適應(yīng)能力有著直接作用[6]。所以，構(gòu)建各學(xué)科交叉融合的新工科實踐教學(xué)體系顯得尤為重要。

為了使實踐教學(xué)活動更加豐富多彩，高校引入了“互聯(lián)網(wǎng)+”和虛擬仿真等信息技術(shù)，它們的確為教育帶來了新的可能性，同時也衍生了諸多新的問題，特別是給大學(xué)生的學(xué)習(xí)造成巨大沖擊。在豐富的網(wǎng)絡(luò)信息包圍下，一切問題都能通過網(wǎng)絡(luò)直接或間接解決，學(xué)生遇到不懂的知識，動動手指就能查詢到想要的結(jié)果，他們會逐漸喪失親身實踐獲得知識的滿足感與成就。長此以往造成學(xué)生對于事物的興趣缺失，也就意味著教師很難在課堂上吸引學(xué)生注意力，對教學(xué)來說無疑是毀滅性打擊，這已經(jīng)成為新工科教學(xué)實踐改革的重點方向[7-8]。本文研究目的是通過介紹一種新的先實踐后理論的方法論來激發(fā)學(xué)生的求知欲，使之成為治愈注意力分散和無意識行為的良藥。

隨著各類高性能材料的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)急需材料類的專業(yè)人才。本文提出的方法論首先基于學(xué)生知道如何做事，將正在學(xué)習(xí)或有目的學(xué)習(xí)的個體歸類為施教和被教導(dǎo)對象，由此引申出學(xué)以致用的教學(xué)模式。將此方法論或模式應(yīng)用到材料類專業(yè)的基本教學(xué)活動中，不僅為學(xué)生們提供了一種工具，可以使其獲得學(xué)術(shù)和智力上的成長，在課堂上完成具有挑戰(zhàn)性任務(wù)的滿足感，還可以吸引他們注意力，幫助他們實現(xiàn)自我價值，提高自尊自信，避免他們成為互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)治下的犧牲品。在借鑒阿根廷理工大學(xué)工科專業(yè)教學(xué)改革經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本研究以材料類專業(yè)為例，教學(xué)改革升級先從金屬鑄造實驗開始，將實踐作為理論課程教學(xué)的前提。傳統(tǒng)教學(xué)認(rèn)為實踐只是理論的一種副產(chǎn)品，通過這種從實踐到理論的方法打破了傳統(tǒng)的教學(xué)順序，從某種意義上使得學(xué)生開始正視學(xué)習(xí)，克服了任何可能影響他們分心的障礙。

一、從實踐到理論的過程和方法

本文提出的新工科教學(xué)方法，是指運用理論教學(xué)作為試驗教學(xué)的進一步闡述，用以解釋在實驗過程中所觀察現(xiàn)象的成因，而不僅僅是將實驗課程作為理論知識的補充驗證。實踐主要嘗試在《金屬學(xué)與熱處理》核心課程中開展，本課程原為80學(xué)時，其中64理論學(xué)時，16實驗學(xué)時。在工程認(rèn)證的培養(yǎng)方案中調(diào)整為純56理論學(xué)時，本次改革剛好通過試驗(模擬)環(huán)節(jié)指導(dǎo)理論教學(xué)過程，既可以由親手試驗解釋抽象的公式定律，也能強化純理論知識的記憶程度。因此，學(xué)習(xí)活動以安排研究任務(wù)為主要形式，根據(jù)教學(xué)方法步驟的改變，首先需要把學(xué)習(xí)場所從教室轉(zhuǎn)移到實驗室，在實驗的同時下達學(xué)習(xí)任務(wù)。以認(rèn)識二元合金相圖這一節(jié)內(nèi)容為例，需要使用以下材料：馬弗爐(溫度最高為1500℃)，碳化硅坩堝，熱電偶，熱電偶箱，數(shù)字溫度計，制作金相試樣的材料和設(shè)備，諸如Pb、Sn、Bi、Cd、Mg、Cu等，拋光機，研磨機，試樣腐蝕劑，金相顯微鏡，專用硬度計(根據(jù)金屬手冊繪制相圖)，投影儀(顯示金相標(biāo)本、圖表或任何其他圖片)，并且要嚴(yán)格遵循說明書和注釋中所列舉的操作程序。

該方法包括直接指導(dǎo)學(xué)生完成兩種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金屬鑄造過程。學(xué)生被要求自己切割金屬材料并稱重。然后，老師指導(dǎo)他們加熱金屬直到完全熔化。同時也鼓勵他們參與輔助工序，如澆注金屬，添加焊接劑和在爐體內(nèi)安裝便于拆卸的熱電偶。當(dāng)金屬達到所需溫度時，坩堝被取出并放置到一個保溫箱內(nèi)以避免立即冷卻。學(xué)生保持金屬繼續(xù)冷卻，并跟蹤觀察到的不同溫度點和對應(yīng)的冷卻時間。詳細的過程數(shù)據(jù)記錄將幫助學(xué)生順利地繪制冷卻曲線，找出臨界點并將它們單獨標(biāo)出來。每個小組仔細記錄下獲得的數(shù)據(jù)、使用的材料和比例。

一旦學(xué)生獲得臨界點，教師就馬上翻轉(zhuǎn)回理論教學(xué)，解釋其相關(guān)性及其如何在相圖中應(yīng)用，通過向?qū)W生介紹不同的相圖，學(xué)習(xí)與它們相關(guān)的各種概念，例如杠桿法則，共晶冷卻及其類型，熔化熱，凝固熱，α和β固溶體等。完成本節(jié)講解，我們再返回實驗室，學(xué)生從獲得的金屬片上切割金相試樣并進行觀察，以得到不同的轉(zhuǎn)折階段與相圖之間的對應(yīng)關(guān)系。由于之前學(xué)了如何從相圖中獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)大多數(shù)學(xué)生觀察金相照片時，他們對于理論知識和試驗獲得的實際結(jié)果之間的區(qū)別已有所了解。如果少數(shù)學(xué)生無法獨立做到這一點，為了避免失真，老師可指導(dǎo)他們完成試驗過程。作為閉環(huán)活動，學(xué)生可以在隨后的課程或評估中重新調(diào)閱存儲的電子記錄。

學(xué)生完成的工作都是從物理模型的起點開始，他們在實驗室看到的這些現(xiàn)象以及建立的模型已經(jīng)被教師和學(xué)者們周密的論證并解釋。這意味著，學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容首先從凝固、樹枝晶生長開始介紹，然后引入晶體網(wǎng)絡(luò)、晶胞，最后講解原子、原子模型和元素周期表。同樣，班級再返回實驗室制造不同類型鋼的回火樣品。在馬弗爐中對試樣進行加熱，試樣必須放到一個去除氧化鐵層的盒子內(nèi)，以保證它們不會脫碳。

基于這一知識點，學(xué)生要學(xué)習(xí)如何對一小塊金屬進行回火處理，見圖1。每個金屬棒被切成兩個，但只有一個進行回火處理。這兩部分試樣稍后被用于學(xué)習(xí)制作金相試樣及測量硬度(回火處理和非回火處理)。在鋼鐵回火過程中，教師可以通過使用黑板或鐵/碳相圖來教授學(xué)生關(guān)于同素異形體的知識，如何改變金屬的組織。當(dāng)?shù)竭_試驗終點，回火處理樣品在油或水中冷卻。

圖1 試樣進行回火處理

在隨后的理論研討課上，F(xiàn)e-C二元相圖也以同樣的方式進行討論，除了模擬冷卻曲線外，其他相圖的知識點將在Fe-C圖的基礎(chǔ)上展開講解。通過這種方式，教師可以根據(jù)學(xué)生的興趣，期望的工作或未來的研究方向，繼續(xù)拓展這些項目的內(nèi)容。

二、實踐結(jié)果與討論

(一)從實踐到理論的教學(xué)效果

為了驗證學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)的表現(xiàn)有助于提高知識的掌握程度，教師可以通過課后小測試對其進行評估，想要達到此目的，教師可以布置一組課外任務(wù)，這些任務(wù)與課堂上完成的工作類型相匹配，以便學(xué)生可以在家中自行檢查主要問題。比如在學(xué)生完成測試的基礎(chǔ)上補充以下內(nèi)容，圖2所示為Bi-Cd合金的步冷曲線，與實驗室研究Bi-Sn相圖類似，要求準(zhǔn)確回答以下問題：(1) Bi-Cd相圖類型是什么。(2) 寫出在b、c和d點發(fā)生的相變。(3) 找出各種組成合金的步冷曲線的轉(zhuǎn)折點，并用標(biāo)準(zhǔn)工作曲線定出他們的溫度。(4) 在b1時，固體和液體物質(zhì)的百分比是多少。(5) 根據(jù)相圖中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.2，0.4，0.7，1.0時，各系統(tǒng)步冷曲線轉(zhuǎn)折點的溫度及合金成分，考慮冷卻曲線是什么樣的并且畫出來。

圖2 Bi-Cd的冷卻與結(jié)晶過程(a)冷卻曲線(b)共晶相圖

測試結(jié)果表明：在與該試驗內(nèi)容直接相關(guān)問題回答上，學(xué)生獲得了100%的正確率，即便是在課外擴展部分內(nèi)容(概念)也能獲得50%以上的正確率。最后還應(yīng)當(dāng)制定激勵策略來幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)以前的課程筆記。盡管按照上述提出的方法進行課程規(guī)劃可能會使教師的工作量有所增加，但根據(jù)本研究得到的結(jié)果滿意度認(rèn)為這項工作是值得開展的。在金屬學(xué)與熱處理課程結(jié)束時，幾乎班上所有的學(xué)生都能夠根據(jù)關(guān)鍵理論知識點開展相關(guān)的試驗。該班有80%的學(xué)生表示熱衷于學(xué)習(xí)相關(guān)概念。不僅如此，一些不認(rèn)真學(xué)習(xí)的甚至認(rèn)為他們無法學(xué)習(xí)枯燥專業(yè)知識的學(xué)生，也改變了他們想法，重新對他們的未來職業(yè)生涯進行規(guī)劃。

(二)結(jié)果分析與討論

在背景介紹時，我們參考了互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)所引發(fā)的社會問題尤其是對學(xué)生注意力行為的影響。運用所提出的方法有助于讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)過程中來克服這種現(xiàn)象造成的學(xué)習(xí)障礙，并讓老師有機會與學(xué)生保持關(guān)聯(lián)而不中斷。一旦學(xué)生的注意力放在課堂活動上，無論是冶金、材料還是其他工科專業(yè)，教師都有不同的機會討論學(xué)習(xí)對于人格健全的重要性。在碰到困難時，他們有機會向?qū)W生說明所謂的“我無法做到”不是一個有效的答案。如果通過向?qū)W生展示如何追求一個特定的目標(biāo)，找到自己能夠達到的滿足感，他們需要依賴外部刺激才可能避免浪費時間。

現(xiàn)在的學(xué)生生活已經(jīng)離不開了互聯(lián)網(wǎng)，高速便捷的網(wǎng)絡(luò)在讓生活變得更加便利的同時也存在著諸多隱患。作為教育工作者，想要讓學(xué)生擺脫互聯(lián)網(wǎng)是不現(xiàn)實的。所以開拓新思路、新理念是順應(yīng)時代發(fā)展的必要思路。本文提出的方法就是在響應(yīng)新工科的“新理念”號召，對現(xiàn)有的教學(xué)方式進行調(diào)整，根據(jù)時代的要求，切實有效地解決工科學(xué)生對所學(xué)專業(yè)積極性缺失的問題。

人的大腦對于形象事物的理解能力遠高于對于單純文字的理解力。這是人類在幾千萬年進化中逐漸養(yǎng)成的。對于立體的事物人會有更高的理解力，也會顯現(xiàn)出更強的好奇心。為了重新找回現(xiàn)代學(xué)生們的求知欲，加強實踐能力是根本之路。先實踐再理論的方法意在讓學(xué)生在實驗實踐中自己去發(fā)現(xiàn)他們不懂的、未知的事物。學(xué)生們在實驗中遇到的各種理化反應(yīng)，各種奇怪的實驗結(jié)果會極大激起學(xué)生的求知欲，不在一開始就傳授高深的理論知識，防止學(xué)生在對本專業(yè)不了解的情況下大大降低專業(yè)在他們心中的地位。一開始就讓學(xué)生們自己動手，發(fā)現(xiàn)問題后再由教師解釋其中的原理，讓學(xué)生一步步接受專業(yè)的知識。這樣既對所學(xué)專業(yè)有了立體的認(rèn)識，也讓學(xué)生在實驗過程中獲得知識。這種情況下學(xué)生對知識的記憶理解力遠非傳統(tǒng)教學(xué)方式所能比的。

當(dāng)然先實踐再理論的教學(xué)方式還能極大改善師生關(guān)系。不像傳統(tǒng)教學(xué)中老師處在主動教授位，學(xué)生處在被動接受位，本方法通過平衡師生關(guān)系，讓師生處在一個平臺上，極大減少師生間關(guān)系存在的芥蒂。良好的師生關(guān)系會顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，相比機械的傳授與接受，在亦師亦友的師生關(guān)系里，教師只需在學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)過程中適當(dāng)?shù)臑樗麄兘獯鹨苫?，這里教師的引路人的身份才能體現(xiàn)的淋漓盡致，這種親近感會讓學(xué)生對所學(xué)的東西不再有距離感與陌生感，學(xué)生會有更大的熱情加入到學(xué)習(xí)中去。

三、結(jié)論

從實踐到理論教學(xué)方法論的特點是通常要提前制定一個與學(xué)科長足發(fā)展和教學(xué)主題迫切需求相關(guān)的緊湊的大綱。通過這種方法獲得的結(jié)果對于學(xué)生和老師都是積極向上的。一方面學(xué)生獲得通常難以有效掌握的專業(yè)知識概念，假如將來他們決定從事技術(shù)管理或科研生涯，這將成為學(xué)科基礎(chǔ)知識的必要組成部分。在另一方面，學(xué)生也有機會體驗自己學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變過程，消除由于過度依賴互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息搜索而導(dǎo)致課堂上出現(xiàn)的消極怠慢行為。最后，這種方法論對教師的專業(yè)能力和執(zhí)教能力提出新的挑戰(zhàn)，因為他們必須重新組織教學(xué)理念和課程體系，以便拓寬自己的教學(xué)路徑，同時有效加強學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握知識的牢固程度。