新工科背景下熱處理實訓(xùn)教學(xué)改革探討

嚴劍剛, 朱文華, 吳 鏑, 高 鳴, 劉 賽

(上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海201209)

0 引言

新工科(Emerging Engineering Education) 是根據(jù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的國家工程教育改革的方向[1]。在新工科背景下,強調(diào)對應(yīng)用型人才的培養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價值觀, 以及強烈的社會責(zé)任感和奉獻意識。

2020年3月,國務(wù)院下發(fā)《關(guān)于全面加強新時代大中小學(xué)勞動教育的意見》, 指出了勞動教育是中國特色社會主義教育制度的重要內(nèi)容,直接決定社會主義建設(shè)者和接班人的勞動精神面貌、勞動價值取向和勞動技能水平[2]。工程訓(xùn)練是集知識、能力、素質(zhì)培養(yǎng)于一體的工程實踐課程, 正是大學(xué)生一次全面的實踐勞動,培養(yǎng)其正確勞動價值觀和良好勞動品質(zhì)的勞動教育[3]。

熱處理實訓(xùn)是工程訓(xùn)練課程中與材料及相關(guān)知識聯(lián)系最緊密的一個模塊,課程中一般不再安排材料相關(guān)的獨立模塊[4]。因此熱處理實訓(xùn)其實是工程訓(xùn)練課程中唯一能獲取材料及相關(guān)知識的教學(xué)模塊。

目前,熱處理實訓(xùn)教學(xué)方法較為陳舊,實踐內(nèi)容設(shè)計死板,學(xué)生的自主性不強、興趣不高,難以達到提高實踐能力的效果[5]。因此在新工科背景下嘗試從翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂、課程思政、環(huán)保意識、探索性實踐操作等方面對熱處理實訓(xùn)進行分析探討,提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

熱處理實訓(xùn)是實踐教學(xué)中非常重要的模塊, 主要針對大一、大二工科學(xué)生,為后續(xù)的機械制造、材料科學(xué)等專業(yè)課程而開展的通識實踐教育。然而在工程訓(xùn)練教學(xué)過程中往往有 “重機械加工、輕金屬熱處理” 的現(xiàn)象,造成機械零件加工 “工藝鏈條” 中非常關(guān)鍵的一環(huán)缺失[6]。以下是我校工訓(xùn)中心在熱處理實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀與存在的一些問題:

1.1 課時少,設(shè)備有限

工程訓(xùn)練課時相對有限,熱處理實訓(xùn)模塊的課時更少(僅2 學(xué)時),且目前只在我校機械專業(yè)開展,其他專業(yè)仍未開展。導(dǎo)致工程訓(xùn)練課程結(jié)束后, 很多學(xué)生覺得自己辛苦加工出來的榔頭直接可以用了, 更有甚者連鋼和鐵也分不清[4]。同時熱處理實訓(xùn)受到設(shè)備數(shù)量的限制,有些操作只能教師演示,熱處理實訓(xùn)的效果不好。

1.2 課程思政教育缺乏

熱處理實訓(xùn)課時少,更多的是理論知識講解和實訓(xùn)的操作,忽視了思想政治教育在課程中的滲透和融合,沒有充分運用課程思政在卓越工程意識和能力培養(yǎng)過程中的引領(lǐng)輻射作用[3]。

1.3 環(huán)保意識培養(yǎng)不足

傳統(tǒng)熱處理工藝,如合金鋼淬火油淬時,高溫零件會造成油溫升高甚至燃燒, 產(chǎn)生很大的油煙[7]。這些油煙不僅污染了空氣,而且對人體有極大的危害。但在實訓(xùn)過程中只注重了工藝的講解, 而忽視了熱處理過程中環(huán)境保護的教育,且在實訓(xùn)過程中產(chǎn)生的廢料, 缺乏及時的分類處理等。這些都是由于教學(xué)的內(nèi)容中缺乏環(huán)保意識教育的體現(xiàn)。

1.4 教學(xué)內(nèi)容陳舊

熱處理實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容仍然沿用了原有金工實習(xí)的內(nèi)容,多為驗證性的實訓(xùn)操作,內(nèi)容缺乏創(chuàng)新,與新技術(shù)結(jié)合性不足[8]。學(xué)生的自主性思考不強, 學(xué)習(xí)興趣不高,導(dǎo)致實際的教學(xué)效果不理想。

2 新工科背景下教學(xué)改革

新工科作為新型工程教育是培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才,是探索繼承與創(chuàng)新人才,是交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享人才的培養(yǎng)方式[9]。熱處理實訓(xùn)作為工程訓(xùn)練課程體系的有機組成,不應(yīng)被摒棄,而應(yīng)積極探索熱處理實訓(xùn)教學(xué)改革,提升熱處理實訓(xùn)教學(xué)效果[4]。如何在僅有的2 學(xué)時內(nèi)更好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)質(zhì)量,值得思考。

為此,在新工科背景下熱處理實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)從翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂、課程思政、環(huán)保意識、探索性實踐操作等方面進行分析探討,推動應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)方式改革。

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂

翻轉(zhuǎn)課堂(Flipping Classroom)是以 “以學(xué)生為中心” 的理念出發(fā), 以素質(zhì)的全面發(fā)展為人才培養(yǎng)目標的教學(xué)模式[10]。

熱處理實訓(xùn)要求學(xué)生通過動手實踐,掌握產(chǎn)品熱處理加工工藝制定、產(chǎn)品質(zhì)量控制、環(huán)?？刂频确椒āＲ虼嗽谟邢薜恼n堂時間內(nèi),必須將傳統(tǒng)的 “以教師為中心” 的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?“以學(xué)生為中心” 。要求學(xué)生課前完成學(xué)習(xí)通線上教學(xué)錄像的學(xué)習(xí),調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性;課中運用翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂,引導(dǎo)學(xué)生主動思考,團隊協(xié)作,提升實訓(xùn)的效果。

熱處理實訓(xùn)的特點是操作過程的加熱、保溫時間較長,可以充分利用這段時間進行部分內(nèi)容翻轉(zhuǎn)和課時內(nèi)翻轉(zhuǎn)教學(xué)的模式[6]。課前, 讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)通在線課程進行預(yù)習(xí),了解熱處理相關(guān)知識點;教師應(yīng)先做好實訓(xùn)準備工作,將樣件放入爐中并開啟熱處理爐,以備后續(xù)的實訓(xùn)操作。課中,在零件加熱時,針對熱處理的基礎(chǔ)知識進行重點講解。運用 “磨刀加水” “趁熱打鐵” 等學(xué)生熟悉的詞進行有效提問,提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生通過實例學(xué)習(xí)知其然又知其所以然, 提升實訓(xùn)的效果。實訓(xùn)操作的結(jié)果可以采用 “以學(xué)生為中心” 的討論方式,以 “鋸條熱處理實驗” 為例(見表1),將鉗工的廢鋸條再利用。學(xué)生分組完成實驗并對熱處理后的鋸條進行測試,討論不同處理工藝得到不同結(jié)果的原因。既能使學(xué)生自主完成實踐操作,又能通過相互討論學(xué)習(xí),完成對知識的消化, 更好地理解 “四把火” 的不同作用, 使學(xué)生通過實踐獲得更真實的知識。課后, 學(xué)生自主復(fù)習(xí)整理, 完成實訓(xùn)報告, 及時向教師進行課堂反饋,鞏固課堂知識。

表1 鋸條熱處理實驗Tab.1 Heat treatment experiment of saw blade

2.2 實施課程思政

課程思政是一種課程觀, 是一種創(chuàng)新的教育理念[7]。因此,圍繞課程思政的育人核心,將《關(guān)于全面加強新時代大中小學(xué)勞動教育的意見》落實到熱處理實訓(xùn)教學(xué)中,把知識傳授與價值引領(lǐng)有機的結(jié)合,培育和弘揚社會主義職業(yè)道德觀念,優(yōu)化學(xué)生的創(chuàng)新知識結(jié)構(gòu),更好地塑造學(xué)生的創(chuàng)新人格。

熱處理實訓(xùn)具有不同于其他課程的特點, 因此在教學(xué)方法上結(jié)合課程思政可以做改進與創(chuàng)新。比如在講解 “四把火” 的時候引入中國劍與日本武士刀熱處理工藝的不同,進一步激發(fā)學(xué)生民族的自豪感和使命感, 培育家國情懷。比如熱處理知識相對較為抽象, 可以采用直觀教學(xué)手段, 利用實物、模型、掛圖、課件、視頻資料等方法,把抽象的知識具體化、實物化, 便于理解[4]。讓學(xué)生了解利用熱處理可以改善材料的性能,由衷敬佩人民的智慧,培養(yǎng)工程素養(yǎng)。比如動手實踐環(huán)節(jié), 要求學(xué)生對自己鉗工制作的榔頭進行熱處理,并引入習(xí)總書記在青年勞模座談會的講話: “讓勤奮學(xué)習(xí)成為青春遠航的動力,讓增長本領(lǐng)成為青春搏擊的能量” 。使學(xué)生領(lǐng)悟 “打鐵還需自身硬” 的道理,增強自身所肩負的社會使命和責(zé)任感。又比如鋼材火花鑒別操作不僅能讓學(xué)生了解不同材料的不同性能,掌握材料選取的方法。正如人生需要掌握科學(xué)的方法和策略,才能進行合理的選擇。通過對教學(xué)方法的改進與創(chuàng)新, 把培養(yǎng)學(xué)生的卓越工程意識和能力滲透到教學(xué)內(nèi)容與進度中(見表2),提升教學(xué)的效果。

2.3 融入環(huán)保意識

新工科背景下將環(huán)保教育融入熱處理實訓(xùn)教學(xué)中, 使學(xué)生意識到熱處理的未來發(fā)展需要新技術(shù)。作為肩負的責(zé)任及使命的新時代大學(xué)生,要不斷努力創(chuàng)新, 以科技推動綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)。目前受實驗室環(huán)保設(shè)施限制,實踐操作選取無污染、危險系數(shù)低的操作內(nèi)容。

在熱處理實訓(xùn)過程中講授新技術(shù)改善環(huán)境問題的案例,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展意識。如用氫氣做還原氣氛的退火爐,防止金屬在高溫發(fā)生氧化,提高熱處理質(zhì)量的同時省去了后續(xù)去氧化工序,更節(jié)能環(huán)保;如用高壓氣淬取代傳統(tǒng)油淬,避免油煙產(chǎn)生;如實驗過程中的廢料集中收集回收等。

在課程的考核中, 學(xué)生的平時表現(xiàn)與學(xué)生的環(huán)保意識掛鉤,實踐操作的過程中及時指正學(xué)生不規(guī)范的行為,在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識[11]。

表2 教學(xué)內(nèi)容與進度安排Tab.2 Teaching content and schedule

2.4 探索性實踐操作

探索性實踐實質(zhì)是一種開放的教學(xué)和操作方法,有助于學(xué)生確立科學(xué)研究的基本過程和方法,為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才創(chuàng)造良好的環(huán)境[12]。目前熱處理實訓(xùn)教學(xué)過程中普遍采用的是驗證性實踐操作,學(xué)生在了解熱處理的工藝及作用后進行鋼的硬度測試,實驗獲得的結(jié)果學(xué)生都有預(yù)知性,導(dǎo)致學(xué)生對實驗缺乏興趣,難以激發(fā)和發(fā)展科學(xué)探究的能力。因此,將原來鋼的硬度測試實踐操作嘗試轉(zhuǎn)變成探索性實踐操作,判定實驗的內(nèi)容見表3。課前教師準備好樣品, 可以減輕課時有限的壓力。通過所學(xué)的知識,學(xué)生可以調(diào)動自己的思維,根據(jù)判定依據(jù)選取不同熱處理工藝, 得出有效的解決辦法。一個探索性實踐操作相當(dāng)于一個課程設(shè)計,要求學(xué)生在有限的課時內(nèi)解決問題,分析實踐的結(jié)論,逐步積累實踐經(jīng)驗, 加深知識的理解。通過探索性實踐操作使學(xué)生掌握材料性能檢測的方法,為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

表3 45# 鋼熱處理工藝判定實驗Tab.3 Experimental study on heat treatment process of 45#steel

3 結(jié)語

在新工科背景下熱處理實訓(xùn)教學(xué)從翻轉(zhuǎn)課堂、互動課堂、課程思政、環(huán)保意識、探索性實踐操作等方面進行改革,有助于學(xué)生形成正確的人生觀和勞動價值觀,有助于創(chuàng)新能力的培養(yǎng),以及提高實踐教學(xué)的效果。

但目前危險程度較高、有污染的熱處理實踐仍僅限于教學(xué)錄像的認識,后續(xù)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以進一步提升實訓(xùn)的效果。隨著熱處理實訓(xùn)教學(xué)方法的不斷提升,教育資源配置的不斷優(yōu)化,定能更加有效地提高教學(xué)效率和質(zhì)量,推動應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)方式的改革。