多措并舉實(shí)現(xiàn) “金屬材料及熱處理” 課程深度學(xué)習(xí)

姚 敬，舒小勇，肖 璇，劉俊偉

（1.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西 南昌 330063；2.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院 江西 南昌 330063）

熱處理是機(jī)械制造業(yè)中提高產(chǎn)品性能、使用壽命和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。南昌航空大學(xué) “金屬材料及熱處理” 課程開課歷史悠久，受眾面廣?，F(xiàn)作為專業(yè)方向必修課或任選課，面向材料學(xué)院（金屬材料工程、高分子材料工程專業(yè)），航空制造工程學(xué)院（材料加工類專業(yè)春曉班、焊接技術(shù)與工程、電子封裝技術(shù)、機(jī)械電子工程專業(yè)），通航學(xué)院（飛行器制造工程專業(yè)）等航空加工制造類專業(yè)學(xué)生開設(shè)。課程主要任務(wù)是使學(xué)生獲得有關(guān)熱處理的基本理論及各類金屬材料的基本知識(shí)，掌握材料的成分、組織、熱處理工藝和性能之間的關(guān)系，從而具備合理選材、初步制訂零件加工工藝的能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 學(xué)習(xí)中存在的問題和困難

在課程建設(shè)過程中，通過收集用人單位反饋意見、社會(huì)需求調(diào)查、學(xué)生反饋及自我反思，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)業(yè)上存在如下問題：①不想學(xué)：學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，缺乏持續(xù)學(xué)習(xí)和挑戰(zhàn)難點(diǎn)的動(dòng)力，一些學(xué)生靠考前突擊就可達(dá)到 “及格萬歲” 的目標(biāo)。②學(xué)不好：理論與實(shí)際脫節(jié)，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力不強(qiáng)，學(xué)生在實(shí)踐中，理論知識(shí)不牢固，運(yùn)用知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力不足，遇到問題無從下手，工作勝任力不強(qiáng)。③不好（hào）學(xué)：學(xué)生專業(yè)自信和專業(yè)興趣不足，對(duì)基礎(chǔ)制造業(yè)情懷不夠濃厚，部分學(xué)生不愿從事本專業(yè)，學(xué)習(xí)缺乏動(dòng)力，學(xué)而不思。在教學(xué)環(huán)節(jié)中缺乏探究力、進(jìn)取心和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

2 未開展深度學(xué)習(xí)的主要原因

學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中沒能開展深度學(xué)習(xí)的原因是多方面的，課堂沒有吸引力是重要因素。重教輕育使得教學(xué)目標(biāo)重知識(shí)、輕能力，價(jià)值引領(lǐng)不夠。在以往的教學(xué)中，教師往往重知識(shí)、輕能力；重理論、輕實(shí)踐；重記憶、輕創(chuàng)造。價(jià)值引領(lǐng)與知識(shí)傳遞和能力培養(yǎng)之間存在脫節(jié)，課程思政重視不足，學(xué)生缺乏專業(yè)自信和責(zé)任意識(shí)。

在教學(xué)內(nèi)容上，教學(xué)資源不夠豐富，不能滿足不同層次、不同學(xué)習(xí)方式的需要。僅通過閱讀教材和聽教師講解無法滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，無法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。缺少對(duì)實(shí)踐能力、探究力培養(yǎng)和具挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教學(xué)活動(dòng)缺少系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，沒有達(dá)到引發(fā)學(xué)生持續(xù)深度學(xué)習(xí)的目的。在以 “教” 為中心的教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生只能被動(dòng)接受，缺少主動(dòng)參與機(jī)會(huì)，也缺乏理論聯(lián)系實(shí)踐的機(jī)會(huì)，學(xué)生對(duì)課程投入度不高。教學(xué)內(nèi)容體系性不強(qiáng)，前沿性和創(chuàng)新性不足。課程教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，知識(shí)繁雜，體系性不強(qiáng)，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握大量知識(shí)存在較大困難。教材內(nèi)容的前沿性和創(chuàng)新性不足，與解決實(shí)踐問題存有差距。

另外，考核評(píng)價(jià)方式偏重期末和知識(shí)考核，沒有有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。期末一張?jiān)嚲矶ǔ煽?jī)的考核方式，使很多學(xué)生不注重平時(shí)學(xué)習(xí)，不能養(yǎng)成持續(xù)學(xué)習(xí)習(xí)慣，也不能充分提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

3 全面提升學(xué)習(xí)效果的主要對(duì)策

3.1 整理思路，樹立課程改革目標(biāo)

以學(xué)生發(fā)展為中心，理論與實(shí)驗(yàn)兩條主線并行，思政力、教研力、科研力、同行力，四力合一為改革思路，概括為：一個(gè)中心，兩條主線，四力支撐。

大力改革現(xiàn)有的課程設(shè)置、授課方式，用科技助力和服務(wù)教學(xué)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)等多種手段，增大課堂容量、拓寬視角、打破時(shí)間和空間的限制，讓課堂與制造業(yè)前沿緊密結(jié)合，使專業(yè)課課堂緊跟生產(chǎn)實(shí)踐又高于生產(chǎn)實(shí)踐。課程改革目標(biāo)如下：

①知識(shí)目標(biāo)：了解常用金屬材料的成分、組織、性能和用途；理解鋼和有色金屬的強(qiáng)化等基本理論。

②能力目標(biāo)：初步掌握合理選材、初步制訂熱處理工藝、擬訂零件的加工工藝流程的方法。

③價(jià)值目標(biāo)：培養(yǎng)具有一定自主學(xué)習(xí)、表達(dá)、團(tuán)結(jié)合作、溝通能力，工程思維能力、實(shí)踐能力、崗位勝任力的制造業(yè)人才。自信擔(dān)當(dāng)、本領(lǐng)過硬。

3.2 改革舉措

3.2.1 理論課——ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，改造我們的學(xué)習(xí)

研究表明，學(xué)習(xí)成績(jī)是學(xué)生個(gè)人動(dòng)機(jī)水平、IQ水平和原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的增函數(shù)[2]。即：學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)中有16%-20%甚至30%的差異是由學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)造成的。學(xué)習(xí)是一種內(nèi)在驅(qū)動(dòng)行為，同時(shí)受外部因素影響。潛在的動(dòng)機(jī)因素可被學(xué)習(xí)的成功和社會(huì)的認(rèn)可強(qiáng)化，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的、持久的動(dòng)機(jī)因素。爾后形成一種相對(duì)穩(wěn)定的人格特征，從而維系著真實(shí)的、生成性的、發(fā)現(xiàn)性的、自我調(diào)節(jié)的、主動(dòng)積極的學(xué)習(xí)的持續(xù)進(jìn)行[3]。根據(jù)美國(guó)凱勒教授ARCS模型，改造了我們現(xiàn)有的學(xué)習(xí)：

①注意力Attention。在教學(xué)過程中，教師可利用學(xué)生的有意注意來激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)[4]。采用三種策略激發(fā)和維持學(xué)生的注意力：利用新異的、驚奇的、不合常理的、不確定的事件作知覺激活；通過引發(fā)或要求學(xué)生產(chǎn)生要解決的問題（疑難）來刺激查詢信息的行為；通過豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)來維持學(xué)習(xí)者的興趣[5]。例如：講述歷屆學(xué)生在熱處理實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的故事和 “失敗” 經(jīng)歷。一般選取簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)為非常簡(jiǎn)單不會(huì)出錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)。碳鋼淬火、感應(yīng)淬火等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，常常出現(xiàn)淬火后硬度偏低、硬度超低、不遵循組織―性能規(guī)律、組織異常、試樣 “消失” （丟失）等問題。改變現(xiàn)有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，讓學(xué)生分組對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)并陳述理由等。課后做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，組間PK互評(píng)。

②相關(guān)性Relevacne。學(xué)生不能意識(shí)到教學(xué)與他們有什么關(guān)聯(lián)時(shí)，學(xué)習(xí)注意力難以維持，他們會(huì)問： “我們?yōu)槭裁磳W(xué)這個(gè)？” 最基本的手段是使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)活動(dòng)與他們過去的經(jīng)驗(yàn)或以前學(xué)習(xí)的知識(shí)或某種利益相關(guān)[6]。首先了解學(xué)生的需要和未來的出路。考研？就業(yè)？改行？躺平？分別予以解答和分析。有金屬材料工程專業(yè)學(xué)生會(huì)抱怨，學(xué)金屬材料（基礎(chǔ)制造業(yè)）沒前途。將金屬材料工程行業(yè)發(fā)展分析報(bào)告、國(guó)家十四五規(guī)劃中金屬材料相關(guān)內(nèi)容（短板、亟待解決的問題、發(fā)展方向）、校友薪資、校友個(gè)人發(fā)展歷程（精英和平均水平人群都涉及），以及對(duì)比解讀學(xué)生認(rèn)為的高薪行業(yè)。將大視角范圍內(nèi)的熱處理行業(yè)呈現(xiàn)給學(xué)生。其次，將教學(xué)與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。運(yùn)用通俗、明白的語言及同學(xué)生本人的經(jīng)驗(yàn)和價(jià)值觀相聯(lián)系的舉例[7]。以焊接、電子封裝、無損檢測(cè)專業(yè)學(xué)生為例。將往屆學(xué)生在校時(shí)（課程設(shè)計(jì)）、畢業(yè)后（工作中的問題）向老師咨詢的熱處理問題，匯集成案例，向?qū)W生講評(píng)。

以學(xué)生以往做過的實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)，延伸設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。比如，學(xué)生都做過碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)拉伸的力學(xué)行為較為熟悉。實(shí)驗(yàn)中使用的碳鋼一般是退火態(tài)，在熱處理課上，設(shè)計(jì)幾種不同熱處理狀態(tài)的碳鋼拉伸，對(duì)比它們的拉伸過程和拉伸曲線，讓學(xué)生直觀感受，熱處理―組織―性能之間的關(guān)系。

③自信心Confidence。缺乏自信，也就缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然過于自信，他們會(huì)認(rèn)為沒有必要參加學(xué)習(xí)。最大的挑戰(zhàn)是要?jiǎng)?chuàng)建學(xué)生對(duì)成功的適度期望。

首先，讓學(xué)生明確課程要求、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。提供多樣性的成就水準(zhǔn)使得學(xué)生建立個(gè)人的達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和有表現(xiàn)機(jī)會(huì)，保證每個(gè)人都有成功的體驗(yàn)[8]。使學(xué)生明白他們的成功源自自己努力。創(chuàng)造課堂互動(dòng)（師生、生生互動(dòng)），在線上或線下進(jìn)行作業(yè)展示。學(xué)生的回答、作業(yè)，好在哪？為什么好？如果做到XX，就更好了。記錄學(xué)生的課堂、實(shí)驗(yàn)過程，適時(shí)在線上或線下反饋。讓學(xué)生知道自己可以做好、可以做得更好。不遺余力地去發(fā)現(xiàn)學(xué)生的閃光點(diǎn)，給予肯定或中肯的評(píng)價(jià)。

④滿意Satisfaction。要讓學(xué)生有學(xué)習(xí)成果，讓學(xué)生了解只要努力就會(huì)有收獲。提供給學(xué)生真實(shí)的問題解決情境，讓他們應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問題[9]。根據(jù)金屬材料知識(shí)學(xué)習(xí)特點(diǎn)，布置專題作業(yè)，讓學(xué)生分工合作完成，并進(jìn)行簡(jiǎn)單答辯。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)課——突破時(shí)空限制，改造我們的實(shí)驗(yàn)

①線下實(shí)驗(yàn)。將已有的3個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展，提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)的相關(guān)程度，并體現(xiàn)了高階性和挑戰(zhàn)度。例如《碳鋼熱處理及性能分析》實(shí)驗(yàn)，在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了材料種類、真空熱處理設(shè)備、冷卻介質(zhì)，學(xué)生可自由選擇設(shè)計(jì)路徑來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

另外，將原有實(shí)驗(yàn)使用的塊體金屬材料升級(jí)為零件和加工件，例如：齒輪、螺栓、桿件、板件、焊接件、鍛造件、鑄件等。將教學(xué)內(nèi)容在聯(lián)系現(xiàn)實(shí)世界問題的情境中加以呈現(xiàn)，關(guān)聯(lián)學(xué)生已有的知識(shí)庫存，激活了相關(guān)的舊經(jīng)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)變得有趣和充滿吸引力。而實(shí)驗(yàn)的高效開展給予理論課堂的正反饋也促進(jìn)教師投入更多時(shí)間和精力。

②線上實(shí)驗(yàn)。熱處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及的大型設(shè)備須陳放在專門廠房中，實(shí)驗(yàn)廠房空間大，學(xué)生分散、環(huán)境嘈雜，且工序多、周期長(zhǎng)，學(xué)生需多次從分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)場(chǎng)到生產(chǎn)加工廠房，教師掌控每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以及及時(shí)跟進(jìn)指導(dǎo)難度比較大。為了讓熱處理工藝和設(shè)備知識(shí)在時(shí)間和空間上適應(yīng)課堂教學(xué)，而不得不將完整的生產(chǎn)工藝 “拆分” 和 “簡(jiǎn)化” ，學(xué)生常有 “只見樹木不見森林” 的困惑和局限性。虛擬仿真技術(shù)能打破了這一壁壘，高度縮合 “時(shí)空” ，帶給學(xué)生 “一覽眾山小” 的視角，提升學(xué)生學(xué)科的整體觀、全局觀，從而觸類旁通，提升學(xué)習(xí)效果。建設(shè)好、使用好、推廣好該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成虛實(shí)結(jié)合，以虛補(bǔ)實(shí)的熱處理實(shí)驗(yàn)課新格局，為培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新精神足，有本領(lǐng)、有見識(shí)、會(huì)學(xué)習(xí)、能創(chuàng)造的復(fù)合型人才助力。

依托航空企業(yè)，選取熱處理工藝集成性強(qiáng)的飛機(jī)起落架作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的載體，涉及合金鋼（300M）和鈦合金（TC18）起落架制造全流程，設(shè)計(jì)了《飛機(jī)起落架熱處理工藝控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，作為線下實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)的有益補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)界面如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

③學(xué)生自發(fā)實(shí)驗(yàn)。主要是《熱處理》課程結(jié)課后，進(jìn)入高年級(jí)的學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。學(xué)生（非材料學(xué)院學(xué)生）的綜合實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、三小、畢設(shè)中涉及的熱處理問題和實(shí)驗(yàn)需求，也可以預(yù)約進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并給予必要的指導(dǎo)。教師也因此獲得教學(xué)素材，讓下屆、下下屆學(xué)生得到與他們自己專業(yè)關(guān)聯(lián)度大的教學(xué)案例，提升學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。讓熱處理 “有用” 的觀念在學(xué)生中傳遞。

指導(dǎo)學(xué)生參加各類學(xué)科競(jìng)賽，豐富 “第二課堂” ，以賽促教，以賽促學(xué)。

3.2.3 借助教研、科研、思政和同行，四力支撐教學(xué)改革

在教材更新方面，增加近年來金屬材料和熱處理工藝的新發(fā)展，吸納最新科研成果，凸顯與時(shí)俱進(jìn)。為教材增加專業(yè)背景，體現(xiàn)與航空航天的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生航空?qǐng)?bào)國(guó)的志向。從相關(guān)企業(yè)收集生產(chǎn)信息，制作成課件、案例，植入課堂。團(tuán)隊(duì)成員將承接的橫向和縱向課題寫為案例、簡(jiǎn)化為作業(yè)融入課堂。吸納教學(xué)同行優(yōu)秀成果和網(wǎng)上教學(xué)資源之力豐富教學(xué)資源和教學(xué)素材。更新教材中的例題，加大涉及實(shí)際問題特別是與專業(yè)有關(guān)的例題和習(xí)題。在教材中增加知識(shí)鏈接。通過掃二維碼、提供網(wǎng)站鏈接等方式鏈入相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。增加中英文對(duì)照內(nèi)容。

在教學(xué)上強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)為中心，打造多維立體教學(xué)，建立第一、第二、第三課堂教學(xué)系統(tǒng)。借助虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，學(xué)生在第一第二課堂內(nèi)所掌握的知識(shí)、技能等得到更加廣泛和深入的檢驗(yàn)與應(yīng)用，有更大程度的學(xué)習(xí)遷移發(fā)生。多課堂教學(xué)系統(tǒng)將線上線下學(xué)習(xí)深度融合，實(shí)現(xiàn)了無縫學(xué)習(xí)，第一課堂強(qiáng)調(diào)合作、討論、展示，第二課堂強(qiáng)調(diào)自主、質(zhì)疑、應(yīng)用，第三課堂強(qiáng)調(diào)拓展、遷移、體驗(yàn)[10]。課程成績(jī)?cè)u(píng)定由四部分組成：①線上學(xué)習(xí)成績(jī)（10%）：包括隨堂測(cè)驗(yàn)、討論區(qū)回帖次數(shù)、討論區(qū)自主提問、單元測(cè)驗(yàn)、作業(yè)提交、作業(yè)互評(píng)等；②線下課堂表現(xiàn)成績(jī)（20%）：包括翻轉(zhuǎn)課堂、互動(dòng)搶答、思維導(dǎo)圖總結(jié)、課外拓展報(bào)告、階段性考核、創(chuàng)新性成果獎(jiǎng)勵(lì)等；③實(shí)驗(yàn)成績(jī)（20%）：包括實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和報(bào)告等；④線下期末考試成績(jī)（50%）。

思政進(jìn)課堂，發(fā)揮思政力，融鹽于肴，貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，傳遞正能量，喚醒學(xué)生的自我完善之力。教師緊密聯(lián)系學(xué)生，了解學(xué)生動(dòng)向，領(lǐng)航一步，助力一臂。

4 課程教學(xué)效果

深受學(xué)生喜愛，評(píng)教分?jǐn)?shù)穩(wěn)中有升，平均在98分以上，學(xué)生評(píng)價(jià)積極正向。學(xué)生課堂和實(shí)驗(yàn)室參與程度提高。作業(yè)完成質(zhì)量提升，課堂討論漸入佳境。學(xué)生自發(fā)參加實(shí)驗(yàn)，帶著問題來尋求解決的頻次提升。

學(xué)生（非熱處理專業(yè)）對(duì)與課程相關(guān)的賽事關(guān)注度明顯上升。參加金相大賽、熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、考助理熱處理工程師的人數(shù)增加。

教學(xué)相長(zhǎng)。圍繞教學(xué)研究，教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員申報(bào)多項(xiàng)校級(jí)、省級(jí)教學(xué)改革課題和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題。

5 課程教學(xué)創(chuàng)新改革總結(jié)與反思

本課程改革的價(jià)值主要體現(xiàn)在：①改革后的課程教學(xué)內(nèi)容豐富，形式多樣，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才。②專題討論與生產(chǎn)、科研前沿相互結(jié)合。積極開展相關(guān)領(lǐng)域的前沿問題的研究，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)水平、科研創(chuàng)新能力。③虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立可以緩解實(shí)驗(yàn)室條件限制，有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的不足，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地地開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

時(shí)代在進(jìn)步，知識(shí)在更新，不斷有新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，以發(fā)展應(yīng)萬變，不斷將課程推向前進(jìn)，是教師的使命和擔(dān)當(dāng)。