全英文“納米表面工程與摩擦學”課程教學體系設計與實踐

楊雷 秦立果 李明 李晶 許睦旬

[摘 要] 為順應國際化教育需求，西安交通大學機械工程學院持續(xù)8年開設全英文納米“表面工程與摩擦學”課程。課程針對留學生知識體系存在差異性、課程內(nèi)容涉及多個學科、教學范圍既廣又深的難點，借助思源學習空間等網(wǎng)絡教學工具開展線上、線下混合教學，課下提供工程案例視頻啟發(fā)學生思考，課堂上通過問題驅(qū)動學生學習，并在課程開設過程中引入實驗教學幫助學生理解摩擦學知識，形成了工程問題導引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動的教學特色，為國際化教學提供參考。

[關(guān)鍵詞] 國際化教育；全英文授課；納米表面程工與摩擦學

[基金項目] 2020年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“鋼絲繩摩擦磨損實驗臺研制與實驗開發(fā)”（202002108005）；2020年度西安交通大學本科教學改革研究項目“拔尖人才圖學思維與工程圖學研究型學習方法研究”（20BJ04Y）；2019年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于智能設計與制造對工程圖學課程內(nèi)容與體系的改革”（201901172009）

[作者簡介] 楊 雷（1987—），男，陜西咸陽人，工學博士，西安交通大學機械工程學院副教授，主要從事微納摩擦學、智能傳感器研究；秦立果（1986—），男，湖北咸寧人，工學博士，西安交通大學機械工程學院副教授（通信作者），主要從事摩擦學、仿生減阻研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0065-04 [收稿日期] 2021-05-19

引言

全英文教學，不僅能滿足留學生教育的需求，還會推動高校教育教學質(zhì)量的提高，為高等院校的國際化奠定堅實基礎[1-4]。為了順應形勢的需要，西安交通大學機械工程學院持續(xù)8年開設全英文“納米表面工程與摩擦學”課程，采用全英文課件、全英文資料與全英文講授，培養(yǎng)學生高水平的外語表達能力，同時使學生具備較強的國際意識，能夠站在全球資源配置角度思考專業(yè)問題。該課程是機械工程專業(yè)研究生的專業(yè)課，涉及多個學科、具有很強的實踐性，其主要核心是解決工程問題，其主要內(nèi)容包括納米表面制備和測試、摩擦磨損機理等。經(jīng)過不斷探索、改進，將該課程教學體系進行了梳理、調(diào)整，改革了教學方法和教學手段，形成了工程問題導引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動的教學特色。

一、教學難點

“納米表面工程與摩擦學”全英文課程在教學過程中，不僅涉及到授課教師的英文水平需求較高，同時由于學生來源廣泛以及課程內(nèi)容設置有以下難點。

1.留學生比例高，基礎不齊。外國留學生選課比例高達85%以上，由于各個國家之間教育水平不同，各個學生的知識體系和基礎差異性巨大。

2.納米表面工程與摩擦學屬于交叉學科，涉及材料、力學、摩擦等多個學科領域。由于該課程涉及的學科范圍廣泛，學生學習呈現(xiàn)“片段化”“分裂化”，往往容易成為一個知識點的記憶，互相之間缺乏聯(lián)系，導致學生難以理解。

3.該課程需要同時兼顧課程廣度與深度。納米表面工程與摩擦學涉及工程項目及學科前沿，其中工程項目尤其是復雜工程項目往往涉及多個學科知識點，而且該學科發(fā)展迅速，如何讓學生可以跟隨學科前沿，掌握最新研究進展，是教學中的難點。

二、教學體系

授課教師曾在國外學習深造，并積極參與一線教學研究工作，熟知美國、日本、澳大利亞等國家的教育體制和教學方法；實驗教師一直在理論教學和實驗教學一線工作，有著豐富的教學和實踐經(jīng)驗。這些教師多年從事一線教學工作，深諳國外相應課程的教育體系、教學大綱和要求，在大量研究和實驗的基礎上，量體裁衣地制定了新的教學大綱和計劃，制作了PPT和相關(guān)資料，建立了一套適合留學生的納米表面工程與摩擦學教學體系。

該課程包含理論學時40學時，課外實驗學時2學時。其中課程理論包括了納米表面制備、表面力學測試、摩擦磨損機理等，實驗包括納米表面制備、摩擦磨損實驗。授課內(nèi)容安排如表1所示。

三、教學方法

針對本課程的難點，根據(jù)教學內(nèi)容，經(jīng)過不斷探索形成了工程問題導引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動的教學特色，實現(xiàn)的教學方法如下。

（一）結(jié)合思源學習空間，開展線上、線下混合教學

思源學習空間是西安交通大學在線教學輔助平臺。學生可以在學習空間中查看相關(guān)的公告（如期末考試時間通知、教材通知等）和學校教務通知。學生可以進入相應的課程頁面，及時查看每一門課有幾個未交作業(yè)、有幾個新課件上傳等，從而及時跟進課程進度。本課程主要使用的板塊是課程公告、課程作業(yè)、課程文件和課程討論[5-9]。

具體而言，學習空間具備以下三個功能：（1）作為課件及相關(guān)資料上傳下載的工具。在課程文件區(qū)域，教師每節(jié)課的課件和相應的預習視頻都能及時上傳。同時，PPT和MP4文件都可以在線播放。（2）作為作業(yè)提交和成績查看的工具。除了下載課件，該平臺最重要的功能是提交作業(yè)，并且每次作業(yè)成績也可以在作業(yè)版塊中進行查詢。（3）作為互動和討論的工具。學習空間主要的互動區(qū)域是“課程討論”模塊。在該模塊中，教師和學生都可以發(fā)帖進行討論和互動。同時為了提高教學效率，教師在課余時間還采用微信、郵件等多種方式和途徑，與學生進行溝通。教師通過網(wǎng)絡和郵件布置實驗任務，通過網(wǎng)絡或面對面的方式，與學生討論和交流問題。

（二）PBL教學方法

該課程的課程目標定位于掌握基礎知識，但課程知識點多，為了讓學生了解知識在工程實際中應用并激發(fā)學生對學習興趣，本課程引入PBL（Problem Based Learning）教學方法，盡可能促進學生深度思考[10，11]。該教學共分為兩個部分，第一部分是課堂中、后，通過測試促使學生理解教學內(nèi)容，第二部分是課程結(jié)束后，通過最新科研論文閱讀，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維。

本課程引入了基于工程案例視頻的測試來幫助學生理解知識點，包括：課前測試和課上測試。在學習空間上的課前測試是很簡單的，測驗學生有沒有掌握基礎知識。課堂上的測試通過教師引導，激勵學生結(jié)合所學知識點思考與探索，激發(fā)學生創(chuàng)新思維。

本課程在每次課開始之前上傳視頻，該視頻經(jīng)過教師挑選屬于本堂課程中知識點在工程中應用，幫助學生預習知識，同時激發(fā)學生興趣。在課程中間，為了避免學生陷入課程無聊、知識點無用的做法，教師會拋出問題，并提供1～2分鐘的短視頻幫助學生理解知識點，并針對該問題在實際中應用進行了討論。通常教師都會在前一次課上給出下次課的任務，讓學生事先查找相關(guān)資料，認真預習，這樣課堂上教學效果會更好。

為了提高學生創(chuàng)新思維，緊密跟隨前沿研究。在創(chuàng)新思維培養(yǎng)環(huán)節(jié)，以學生為中心，以問題為驅(qū)動引入翻轉(zhuǎn)課堂，教師提供豐富的前沿論文資源，根據(jù)學生水平給予不同難度的論文，引導學生課外查閱資料、理解論文含義和分析論文中采用的技術(shù)手段、未來的探索方向。課上，學生對整個論文內(nèi)容進行介紹，并分析該論文采用的技術(shù)與自己的思考，同時其他同學可以進行提問。最后，教師根據(jù)不同學生的匯報情況進行歸納總結(jié)，進一步補充學生沒有考慮到的考核知識點以及實驗注意事項。翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的“以教導學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W定教”，讓學生根據(jù)自身情況自主規(guī)劃學習內(nèi)容，將課內(nèi)與課外相結(jié)合，激發(fā)了學生的學習興趣，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。

（三）工程問題引導的實驗教學

高等學校是工程教育的主陣地，應面向工業(yè)界培養(yǎng)實踐能力強、社會適應能力強的工程技術(shù)人才，應增強學生的工程意識、提高其工程素質(zhì)。實踐教學是高校培養(yǎng)工程技術(shù)人才的必要手段，是提高學生工程實踐能力的重要途徑，學生應在實踐過程中學習觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。首先，教師帶領學生復習相關(guān)理論知識，并在期間通過提問引導學生積極思考，掌握有關(guān)知識點。然后，教師根據(jù)學生不同水平提出不同難度的實驗任務。在課外實驗環(huán)節(jié)設置了ECR碳膜制備演示實驗及材料摩擦磨損實，幫助學生理解課堂知識點，掌握納米表面制備工藝及材料磨損測試。實驗過程中，教師講解、學生實踐與現(xiàn)場討論結(jié)合，充分調(diào)動學生積極性，促使學生掌握、理解等離子體技術(shù)、薄膜制備及摩擦學特性測試等相關(guān)知識。

ECR等離子體系統(tǒng)用于表面加工及薄膜沉積工藝。ECR等離子體系統(tǒng)主要由微波系統(tǒng)、ECR磁場、等離子體室、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)五大部分組成。通過演示實驗讓學生切實感受等離子體產(chǎn)生的原面工程中的相關(guān)知識。

摩擦磨損實驗采用摩擦磨損試驗機評價材料在干摩擦時的摩擦磨損性能。試驗機的基本工作原理為：通過加載機構(gòu)施加試驗所需載荷，電機驅(qū)動試樣臺上的試樣旋轉(zhuǎn)，使其與對偶件（如氮化硅球）進行滑動摩擦造成懸臂梁發(fā)生變形，粘貼在懸臂梁上的應變片產(chǎn)生電信號，計算機實時采集摩擦過程中的應變片信號，對信號進行處理從而得到摩擦過程中的摩擦系數(shù)。通過本實驗使得學生了解摩擦測試的基本方法及碳基薄膜的摩擦學特性。

結(jié)語

經(jīng)過8年探索與實踐，“納米表面工程與摩擦學”教學形成了以工程案例為啟發(fā)，問題驅(qū)動的教學模式，獲得留學生廣泛好評。在2020年疫情期間，該教學方法克服了疫情對課堂教學的一定影響，學生評分超過91分，學生評價“老師向我們提供了一些研究新技術(shù)的研究論文，我發(fā)現(xiàn)這很有趣，我認為這是獲得新知識的最佳方法”“實際上，老師的教學方法受到高度贊賞，不僅因為他的英語也很棒”。

本文總結(jié)了“納米表面工程與摩擦學”全英文教學的方法和實踐經(jīng)驗，針對課程的難點經(jīng)過深入研究、精心設計、親身實踐，制定了教學體系，并采取了有效的教學方法和手段，獲得了學生的高度評價，為推進教育國際化進程和深化教育改革提供參考與借鑒。

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Design and Practice of Teaching System for the All-English Course of Nano-surface Engineering and Tribology

YANG Leia，b， QIN Li-guoa，b， LI Mingb， LI Jingb， XU Mu-xunb

（a. Key Laboratory of Ministry of Education for Modern Design and Rotor-Bearing System， b. School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： In order to meet the needs of international education， the School of Mechanical Engineering of Xi’an Jiaotong University has continued to offer the all-English course of Nano-surface Engineering and Tribology for 8 years. There are several difficulties in the course teaching such as the differences between the international students’knowledge systems， the multiple subjects involved in the course content， and the wide and deep scope of the course. The online teaching tools such as Siyuan Learning Space is used to carry out online and offline mixed teaching， providing problem-based learning in class and engineering case videos for inspiration after class. Experiment teaching is introduced in the course to help students understand tribology， forming the teaching characteristics of engineering problem guidance， online and offline integration， and problem-driven teaching， which provides reference for an international teaching.

Key words： international education； all-English teaching； Nano-surface Engineering and Tribology