《金屬學(xué)及熱處理》課程“兩性一度”建設(shè)探索與實(shí)踐

國洪建,李復(fù)麗, 劉致遠(yuǎn), 谷 莉

(蘭州城市學(xué)院 培黎機(jī)械工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

課程是人才培養(yǎng)的核心要素,課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］.為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國教育大會精神,落實(shí)新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會議要求,教育部在2019年10月提出必須深化教育教學(xué)改革,必須把教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上,由此,全國高等院校掀起了“一流課程”研究、建設(shè)、實(shí)踐的熱潮［2-5］.

“一流課程”建設(shè)的意義是什么,“一流課程”的內(nèi)涵特征是什么,如何建設(shè)“一流課程”,這些問題隨即成為當(dāng)前高等教育教學(xué)改革研究的熱點(diǎn)問題,也是從事高等教育研究專家學(xué)者需要深入思考的問題.“一流課程”建設(shè)旨在形成中國特色、世界水平的一流本科課程體系,構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系,以實(shí)現(xiàn)“讓課程優(yōu)起來、教師強(qiáng)起來、學(xué)生忙起來、管理嚴(yán)起來、效果實(shí)起來”的高校課程建設(shè)目標(biāo)［6］.“一流課程”的基本內(nèi)涵特征被概括為“兩性一度”,即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度,這也是一流課程建設(shè)的基本原則.高校課程是專業(yè)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)和依托,也是專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容,高校課程的建設(shè)水平和教學(xué)效果決定著專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量和水平,決定著高校一流專業(yè)和一流本科建設(shè)的質(zhì)量和水平,也直接影響著國家科教興國戰(zhàn)略和創(chuàng)新發(fā)展大計(jì)［7］.因此,在深入了解一流本科課程內(nèi)涵和基本特征的基礎(chǔ)上,針對應(yīng)用型本科院校特定課程,厘清建設(shè)“一流課程”思路,實(shí)踐“一流課程”建設(shè),將有力推進(jìn)應(yīng)用型本科院校專業(yè)課程的教學(xué)改革創(chuàng)新,提高課堂教學(xué)質(zhì)量,提升教師自身發(fā)展能力和學(xué)生的綜合能力,從而更好地服務(wù)學(xué)科建設(shè)和專業(yè)建設(shè).

本文以應(yīng)用型本科大學(xué)《金屬學(xué)及熱處理》“一流課程”建設(shè)為例,結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)研究方向,全面分析課程內(nèi)容特征和專業(yè)特點(diǎn),從課程內(nèi)容優(yōu)化、課程教學(xué)方法創(chuàng)新以及課程內(nèi)容設(shè)計(jì)等方面開展探索與實(shí)踐,以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)高階性、創(chuàng)新性以及挑戰(zhàn)度的建設(shè).

1 《金屬學(xué)及熱處理》課程特點(diǎn)

《金屬學(xué)及熱處理》是面向機(jī)械類、材料類專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門理論與實(shí)踐兼重的課程.本課程具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性和實(shí)踐性,目標(biāo)在于使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),理解金屬晶體學(xué)的相關(guān)理論知識,掌握熱處理基本原理及工藝,能夠針對服役工況要求合理選擇金屬材料、制定熱處理工藝,為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及解決工作中金屬材料生產(chǎn)、加工等問題打下系統(tǒng)而堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)［8］.

課程選用教材由機(jī)械工業(yè)出版社出版,哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔忠圻和覃耀春教授主編的《金屬學(xué)與熱處理》(第 2 版).課程內(nèi)容涉及金屬學(xué)原理、熱處理原理與工藝、金屬材料學(xué)三大教學(xué)板塊［9］,主要包括:晶體學(xué)、凝固結(jié)晶理論、塑性加工理論、固態(tài)相變理論、相圖、熱處理基本原理以及金屬材料學(xué)等知識.但是,該課程內(nèi)容繁多、理論性強(qiáng),概念抽象、邏輯性不強(qiáng)、知識點(diǎn)分散.因此,這門課程的教學(xué)過程依然存在 “教師難教、學(xué)生難學(xué)”的問題,教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果受到影響.

2 “兩性一度”課程建設(shè)策略

正確理解和把握“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”的內(nèi)涵是建設(shè)一流課程的前提.所謂高階性,即課程目標(biāo)堅(jiān)持知識、能力、素質(zhì)有機(jī)融合,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維;課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)廣度和深度,突破習(xí)慣性認(rèn)知模式,培養(yǎng)學(xué)生深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力.對于應(yīng)用型本科院校學(xué)生,筆者認(rèn)為主要培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決復(fù)雜問題的能力,體現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的實(shí)踐性和實(shí)用性,這也是工程教育專業(yè)認(rèn)證合格的標(biāo)準(zhǔn).所謂創(chuàng)新性,即教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)前沿性與時(shí)代性,及時(shí)將學(xué)術(shù)研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程;教學(xué)方法體現(xiàn)先進(jìn)性與互動(dòng)性,積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式與個(gè)性化學(xué)習(xí).課程內(nèi)容要與科技前沿和研究成果相結(jié)合,體現(xiàn)課程學(xué)習(xí)的時(shí)代性和前瞻性;將教學(xué)方式與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合,體現(xiàn)教學(xué)形式的先進(jìn)性和互動(dòng)性.所謂挑戰(zhàn)度,課程設(shè)計(jì)增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性內(nèi)容,加大學(xué)生學(xué)習(xí)投入力度,科學(xué)“增負(fù)”,讓學(xué)生體驗(yàn)“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn).課程內(nèi)容設(shè)計(jì)要與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合,在教材和學(xué)習(xí)資料的選用、課程內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)過程設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)習(xí)策略改變等諸多方面要更多關(guān)注學(xué)生綜合能力培養(yǎng),而不能簡單理解為增加內(nèi)容知識的難度和作業(yè)負(fù)擔(dān).

結(jié)合應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系,應(yīng)從優(yōu)化課程內(nèi)容、突出創(chuàng)新性、改進(jìn)教學(xué)方法及提高課程內(nèi)容挑戰(zhàn)度等四個(gè)方面進(jìn)行《金屬學(xué)與熱處理》課程的“兩性一度”建設(shè),其實(shí)施策略如圖1所示.

圖1 《金屬學(xué)與熱處理》課程“兩性一度”建設(shè)實(shí)施策略

2.1 課程內(nèi)容優(yōu)化與更新

針對教材內(nèi)容繁多、學(xué)時(shí)有限的特點(diǎn),首先厘清全書的結(jié)構(gòu)脈絡(luò),抓住重點(diǎn)和難點(diǎn),才能使學(xué)生學(xué)懂、學(xué)通課程內(nèi)容.結(jié)合專業(yè)特點(diǎn),保留經(jīng)典理論知識的前提下,推陳出新,高度凝練,以材料科學(xué)研究的成分、組織、工藝、性能、應(yīng)用等五大要素為主線(如圖2所示),形成了“一個(gè)關(guān)系、兩張圖、三大理論、四種強(qiáng)化機(jī)制、五種過程轉(zhuǎn)變”的支撐體系輔助課程教學(xué)［10］.教學(xué)過程對講授知識有所側(cè)重,例如,對于焊接技術(shù)與工程專業(yè),相圖、金屬結(jié)晶過程、擴(kuò)散理論等知識是學(xué)習(xí)焊縫形成過程、焊接冶金學(xué)、焊縫組織以及性能等專業(yè)知識的基礎(chǔ),必須作為重點(diǎn)要詳細(xì)講解;而金屬的塑性加工理論和鑄鐵等知識可選擇略講.根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)情況,對于理解難度大的抽象知識進(jìn)行選擇性教學(xué).例如,在講解晶體結(jié)果部分,晶體結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式及間隙選擇略講;金屬結(jié)晶熱力學(xué)、形核時(shí)能量變化、形核功及臨界晶核半徑等理論計(jì)算知識,可選擇簡單介紹.另外,在相關(guān)內(nèi)容部分也相應(yīng)補(bǔ)充新的知識內(nèi)容,例如,在講解鋼表面強(qiáng)化工藝時(shí),可以補(bǔ)充已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用的新技術(shù),比如磁控濺射技術(shù)、離子鍍膜技術(shù)、激光熔覆技術(shù)以及熱噴涂技術(shù)等.在講解金屬凝固結(jié)晶及鑄錠時(shí),可以將當(dāng)前等離子燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、3D打印等新型的金屬材料制備技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀補(bǔ)充到課程內(nèi)容.通過課程內(nèi)容的優(yōu)化整合與更新,突破教材制約,注重內(nèi)容的實(shí)踐性與應(yīng)用性,不僅可以降低學(xué)生學(xué)不懂的挫敗感,更有利于開闊學(xué)生的眼界和認(rèn)知,增強(qiáng)學(xué)生的知識獲得感和專業(yè)自豪感,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性.

圖2 金屬學(xué)與熱處理課程知識結(jié)構(gòu)體系脈絡(luò)

2.2 課程內(nèi)容創(chuàng)新性突出

以教材內(nèi)容為基本框架,根據(jù)教學(xué)進(jìn)度,精心設(shè)計(jì)來突出課程教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性.為了拓寬學(xué)生的知識面,充分利用豐富的信息網(wǎng)絡(luò)資源,在各大數(shù)據(jù)庫中搜索相關(guān)的最新科研文獻(xiàn)以補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容.例如,在講晶體位錯(cuò)時(shí),可以在基礎(chǔ)知識講解結(jié)束引入本領(lǐng)域前沿的研究成果,如,劉攀等人［11］研究了室溫下納米多孔金的Au韌帶中傾斜晶界(GB)的位錯(cuò)爬升機(jī)制,發(fā)現(xiàn)該位錯(cuò)的爬升是通過應(yīng)力誘導(dǎo)重建位錯(cuò)核心中額外半原子平面邊緣的兩個(gè)相鄰原子柱而實(shí)現(xiàn),而非傳統(tǒng)觀點(diǎn)的構(gòu)建單個(gè)原子柱.另外,Sun等人［12］以氧化銅到銅的界面轉(zhuǎn)變?yōu)槔?研究了錯(cuò)配位錯(cuò)在以間歇方式調(diào)節(jié)氧化物到金屬的界面轉(zhuǎn)變中的作用,研究表明界面凸臺的橫向流動(dòng)被固定在錯(cuò)配位錯(cuò),直到位錯(cuò)爬升到新的氧化物/金屬界面位置,確定了釘扎效應(yīng)與金屬原子填充位錯(cuò)核心的空位有關(guān).講解機(jī)械用鋼時(shí)可以給同學(xué)及時(shí)引入最新研究結(jié)果,BCC管線鋼在零下196 ℃的單軸拉伸的延伸率比室溫下高出50%,應(yīng)力高達(dá)950 MPa,斷裂機(jī)理為解理斷裂［13］.在講解鋁合金時(shí),引入鋁合金異質(zhì)形核機(jī)理新知識與晶種新技術(shù).劉相法教授團(tuán)隊(duì)［14］為了獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織以提升鋁合金加工及力學(xué)性能、消除鑄造缺陷,研究了TiCx對α-Al形核機(jī)理的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)異質(zhì)形核襯底TiCx與α-Al間存在獨(dú)特的晶體學(xué)位向關(guān)系,TiCx與α-Al之間的富Ti過渡層可以有效降低界面錯(cuò)配度,進(jìn)一步使TiCx在α-Al形核過程中起到襯底作用.另外,空位對鋁合金的析出動(dòng)力學(xué)也有重要影響.研究表明,由于在Al-Mg-Si合金中缺乏多余空位,導(dǎo)致合金的自然時(shí)效被抑制3周,盡管Al-Zn合金中聚集的驅(qū)動(dòng)力要高得多,但仍會出現(xiàn)抑制現(xiàn)象［15］.通過類似內(nèi)容的講解,讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)科知識在不斷豐富和發(fā)展,學(xué)習(xí)知識要有“質(zhì)疑”的思辨能力,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲望.

2.3 教學(xué)方法改進(jìn)

精心的課堂設(shè)計(jì)、突出的學(xué)生地位、良好的師生互動(dòng)、積極的學(xué)生配合是提高課程教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提,是“兩性一度”的內(nèi)涵.借助現(xiàn)代信息科技手段,改進(jìn)傳統(tǒng)的課程教學(xué)方法,是提高課程教學(xué)質(zhì)量的重要手段［2］.針對《金屬學(xué)與熱處理》課程,在課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)過程中,借助于實(shí)物模型或者視頻動(dòng)畫講解相關(guān)的抽象知識,比如晶體結(jié)構(gòu)模型、位錯(cuò)的移動(dòng)、擴(kuò)散理論、凝固結(jié)晶過程等知識,并通過一些實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行實(shí)踐性比較強(qiáng)的內(nèi)容教學(xué),比如項(xiàng)目任務(wù)式教學(xué).及時(shí)補(bǔ)充教材與本專業(yè)相關(guān)的最新科技發(fā)展信息、科研成果等內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力［16-17］.另外,充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和智慧教學(xué)平臺(中國大學(xué)MOOC、雨課堂、騰訊課堂等),通力打造師生間流暢、不受時(shí)間空間約束的互動(dòng)交流方式［18］.一方面,通過學(xué)習(xí)平臺,督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后作業(yè)等工作任務(wù);另一方面,讓學(xué)生通過平臺提出相關(guān)問題、進(jìn)行積極討論等,教師和學(xué)生可以共同解答;第三,通過平臺給學(xué)生提供課后評價(jià)和項(xiàng)目建議,以指導(dǎo)教師隨時(shí)調(diào)整教學(xué)方式來提高課堂教學(xué)的質(zhì)量.

2.4 課程內(nèi)容挑戰(zhàn)度提高

為了提高課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度,在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)給學(xué)生增加項(xiàng)目任務(wù),促使學(xué)生加大學(xué)習(xí)投入,進(jìn)行科學(xué)“增負(fù)”.這種項(xiàng)目任務(wù)可以是綜述性報(bào)告,可以是課題研究任務(wù),也可以與大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目相結(jié)合,需要同組學(xué)生通力合作才能完成,具有一定的挑戰(zhàn)度,這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科技創(chuàng)新意識,也激發(fā)了學(xué)生科技創(chuàng)新的熱情,鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.例如,在講解熱處理工藝后,為進(jìn)一步加深學(xué)生對“正火、退火、回火、淬火”的理解和認(rèn)識,給學(xué)生按組發(fā)放45號鋼并確定每組的熱處理工藝,讓每組學(xué)生對比分析不同熱處理工藝前后45鋼硬度和顯微組織的差異,然后將研究結(jié)果在課堂內(nèi)講解、分享.這種任務(wù)式學(xué)習(xí),可以讓學(xué)生得到以下幾個(gè)方面的實(shí)踐鍛煉:①進(jìn)行了金相試樣制備和硬度測試實(shí)踐,同時(shí)也完成了相應(yīng)課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué);②親自驗(yàn)證了不同的熱處理工藝,使鋼的顯微組織和性能發(fā)生了變化,讓學(xué)生對熱處理“四把火”的理解更深入;③讓學(xué)生初步了解科學(xué)研究的基本思路和實(shí)驗(yàn)步驟,可謂“一舉三得”.在講解金屬材料學(xué)知識時(shí),給學(xué)生布置命題式綜述性報(bào)告,讓學(xué)生通過對文獻(xiàn)、專利、國家標(biāo)準(zhǔn)等的檢索,強(qiáng)化學(xué)生分析、歸納、總結(jié)等深度學(xué)習(xí)行為,讓學(xué)生學(xué)習(xí)教材之外的知識內(nèi)容,然后進(jìn)行總結(jié)并在課堂上進(jìn)行分享、講解.比如異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料作為當(dāng)前高性能新材料開發(fā)的重要研究方向,讓學(xué)生從異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料概念、加工方式、性能特點(diǎn)、當(dāng)前研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景等多個(gè)方面進(jìn)行總結(jié),理解有關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料加工—微觀結(jié)構(gòu)—性能的關(guān)系,從多個(gè)科學(xué)視角認(rèn)識異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料.另外,多主元合金因其優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于新型結(jié)構(gòu)材料,在核能、氫能和石油化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.因此,以“多主元合金的概念、制備方式、性能特點(diǎn)及應(yīng)用”為主題,讓學(xué)生進(jìn)行資料查閱,詳細(xì)了解當(dāng)前高熵合金的研究發(fā)展現(xiàn)狀.另外,課堂教學(xué)與大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(“挑戰(zhàn)杯”、 “互聯(lián)網(wǎng)+”、熱處理工藝設(shè)計(jì)大賽等)相結(jié)合.比如,組織學(xué)生參加每年一度的“全國大學(xué)生金相技能大賽”,通過班級、院級、校級的選拔備賽過程,一方面可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力,同時(shí)也會對學(xué)生產(chǎn)生一種“倒逼”作用,促使學(xué)生主動(dòng)去回顧典型鋼種的室溫組織形貌,從而讓學(xué)生掌握有關(guān)鐵素體、珠光體、萊氏體、貝氏體等組織的形態(tài)特征及力學(xué)性能,進(jìn)一步達(dá)到“以賽促教、以賽促改、以賽促學(xué)”的目的.通過這一系列具有“挑戰(zhàn)度”的任務(wù)驅(qū)動(dòng),將理論知識和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,對理解教材知識、學(xué)以致用及培養(yǎng)科研能力具有重要的促進(jìn)作用.同時(shí),可有效引導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)行為,使學(xué)生的理論知識、工程分析能力與學(xué)科素養(yǎng)得到顯著提升.

3 結(jié)束語

本科教育是青年學(xué)生成長成才的關(guān)鍵階段,而本科“一流課程”的質(zhì)量也直接影響著高等學(xué)校的人才培養(yǎng)質(zhì)量,因此應(yīng)用型本科院校的“一流課程”建設(shè)更是任重道遠(yuǎn).應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)過程強(qiáng)調(diào)與一線生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,強(qiáng)調(diào)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合.因此,應(yīng)用型本科院校“一流課程”的建設(shè)應(yīng)緊緊圍繞學(xué)生掌握技術(shù)及其應(yīng)用能力的培養(yǎng)來選擇、組織和開展,相關(guān)“一流課程”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法應(yīng)在繼承過去成功經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)良傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合新的要求進(jìn)行相應(yīng)改革,尤其諸如《金屬學(xué)與熱處理》這類專業(yè)課程的內(nèi)容及其教學(xué),應(yīng)作為最重要的環(huán)節(jié).在此過程中,教師應(yīng)堅(jiān)持以學(xué)生為中心,堅(jiān)持產(chǎn)出導(dǎo)向凝練課程的教學(xué)目標(biāo),合理提升課堂的“創(chuàng)新性、高階性、挑戰(zhàn)度”,打造生動(dòng)有活力的“一流課程”,積極為科技強(qiáng)國而努力奮斗.