基于OBE理念的《金屬材料學(xué)》課程的教學(xué)探索和實(shí)踐*

孫雅馨，苑克群，馬揚(yáng)洲，夏愛(ài)林，呂耀輝，冒愛(ài)琴，斯松華

(1 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2 安徽工業(yè)大學(xué)工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心，安徽 馬鞍山 243032)

在高等教育改革不斷深化的背景下，高校人才培養(yǎng)理念也在不斷變化。成果導(dǎo)向教育OBE(Outcomes-based Education)是工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的核心理念，是以培養(yǎng)學(xué)生能力為導(dǎo)向的教育。2017年，教育部基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求而特別提出“新工科”概念，意味著新工科教學(xué)改革的開(kāi)始，為工程教育改革指明了方向[1]。2020年9月，習(xí)近平總書(shū)記在安徽馬鞍山考察調(diào)研中國(guó)寶武馬鋼集團(tuán)時(shí)說(shuō)：“把握自己的優(yōu)勢(shì)，順應(yīng)當(dāng)前企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的潮流，在現(xiàn)代企業(yè)改革發(fā)展中，特別是在長(zhǎng)三角一體化發(fā)展中，把握機(jī)遇、順勢(shì)而上，為長(zhǎng)三角一體化發(fā)展作出自己的貢獻(xiàn)?！迸c寶武馬鋼集團(tuán)相鄰的安徽工業(yè)大學(xué)是一所“以工為主、服務(wù)行業(yè)、融入地方、創(chuàng)新發(fā)展”為鮮明行業(yè)特色的高水平建設(shè)高校。行業(yè)的發(fā)展，離不開(kāi)高素質(zhì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。課堂教學(xué)是培養(yǎng)人才的主陣地，課堂教學(xué)質(zhì)量是人才質(zhì)量的關(guān)鍵。2018年教育部提出了“兩性一度”的金課建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，即“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，成為課堂教學(xué)改革的行動(dòng)指南[2]。

人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展史也可以說(shuō)是材料的發(fā)展史，尤其是金屬材料貫穿了整個(gè)材料的發(fā)展史。我校傳統(tǒng)工業(yè)課程《金屬材料學(xué)》的教學(xué)工作一直在持續(xù)改進(jìn)中[3-5]，但是在新的教育改革背景下面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 《金屬材料學(xué)》課程的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀分析

《金屬材料學(xué)》是在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》和《材料工程基礎(chǔ)》課程修過(guò)之后開(kāi)設(shè)的，并與后續(xù)的《認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)》和《生產(chǎn)實(shí)習(xí)》等工程實(shí)踐課程聯(lián)系緊密，起到承上啟下重要的知識(shí)連接作用?！督饘俨牧蠈W(xué)》是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)中與工程實(shí)際結(jié)合較強(qiáng)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，具有綜合性、實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)性等特點(diǎn)。該課程從金屬材料合金化的角度出發(fā)，對(duì)材料科學(xué)的四要素即成分-組織-工藝-性能之間的關(guān)系進(jìn)行了綜合性的詮釋。但本課程涉及的知識(shí)面繁雜、理論艱澀、邏輯性不足，需要前期知識(shí)儲(chǔ)備多，學(xué)生學(xué)起來(lái)難度大，抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)興趣不濃。有的學(xué)生甚至在還沒(méi)開(kāi)課的時(shí)候，就通過(guò)渠道了解到該門(mén)課程的枯燥性而提前產(chǎn)生畏難情緒。

基于這些教學(xué)現(xiàn)狀，本團(tuán)隊(duì)根據(jù)課程的具體培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生自身特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，結(jié)合信息化技術(shù)的教學(xué)模式，和多元化的評(píng)價(jià)方式對(duì)本門(mén)課程進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐探索，提升教學(xué)水平，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2 以學(xué)生為中心進(jìn)行的教改策略

2.1 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和精煉

本門(mén)課程選用戴起勛教授主編的《金屬材料學(xué)》第二版作為主要參考教材。教材內(nèi)容多，主要涉及三大板塊，即鋼鐵材料、有色金屬材料、金屬基功能和復(fù)合材料。根據(jù)教育部提出的“厚基礎(chǔ)、寬口徑、廣適應(yīng)”的人才培養(yǎng)模式，我校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的《金屬材料學(xué)》課時(shí)已經(jīng)從原來(lái)的56學(xué)時(shí)壓縮到32學(xué)時(shí)，教學(xué)難度加大，必須要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和精煉。如在鋼鐵材料這一部分中，抓住合金化是影響材料強(qiáng)韌化這一對(duì)矛盾的主要因素，基本原則是多元適量，復(fù)合加入。在教學(xué)過(guò)程中，突出重點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，做到知識(shí)點(diǎn)之間的融會(huì)貫通。有色金屬材料部分實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式集體學(xué)習(xí)，分工合作，制作PPT上臺(tái)講解。金屬基功能和復(fù)合材料是學(xué)生完全自主學(xué)習(xí)，這部分與本專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《功能材料》有重疊，不作為本課程學(xué)習(xí)的考核內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，貼合行業(yè)實(shí)際需求，將最新技術(shù)需求和變化引入課堂，將最新研究成果滲透到教學(xué)中。如引入汽車(chē)行業(yè)對(duì)輕量化高強(qiáng)度鋼材的需求，高強(qiáng)緊固件用鋼，納米材料，環(huán)境能源材料等新型材料的開(kāi)發(fā)等。引入實(shí)際生產(chǎn)案例，幫助學(xué)生深入理解消化課程內(nèi)容。引入鋼鐵材料的強(qiáng)-韌性這對(duì)難以兼容的力學(xué)性能相關(guān)進(jìn)展。鋼鐵材料的強(qiáng)化方式有：固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。除了細(xì)晶強(qiáng)化，其余都是以犧牲韌性為代價(jià)的。在這種此消彼長(zhǎng)的矛盾體里面，保證強(qiáng)度的條件下如何增韌，有哪些途徑，解決思路等，通過(guò)將國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面取得的最新研究進(jìn)展引進(jìn)課堂教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思考，加強(qiáng)知識(shí)鞏固和實(shí)際應(yīng)用能力。再如，引入近年來(lái)研究比較熱門(mén)的高熵合金，其在室溫和高溫下呈現(xiàn)高強(qiáng)度、良好的穩(wěn)定性、高的耐磨性以及強(qiáng)耐腐蝕性等優(yōu)異的性能。高熵合金通常是由五種或五種以上的元素組成的多主元合金，其化學(xué)成分的特點(diǎn)是主元之間是等原子比或近等原子比，如最為典型的是CrMnFeCoNi高熵合金。高熵合金的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)合金的適量加入的理念，拓寬了合金成分設(shè)計(jì)的范圍，為開(kāi)發(fā)新型合金提供了新思路。

2.2 采用信息化技術(shù)融合的混合式教學(xué)模式

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)教育教學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響?！督饘俨牧蠈W(xué)》課程采用“線上-線下-線上”的混合式教學(xué)模式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，如圖1所示。

圖1 混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

線上就是充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將教學(xué)內(nèi)容中識(shí)記性的基本概念和知識(shí)讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。授課教師課前推送相關(guān)的教學(xué)資料，擴(kuò)展讀物等，并同時(shí)布置學(xué)習(xí)任務(wù)。這種在線教學(xué)有效緩解了內(nèi)容多課時(shí)少的矛盾，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生動(dòng)起來(lái)，忙起來(lái)，利用零散時(shí)間學(xué)習(xí)，不容易產(chǎn)生疲勞，極大地滿足了學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需要。

線下，在課堂教學(xué)過(guò)程中，授課教師根據(jù)學(xué)情和討論區(qū)反饋信息進(jìn)行疑難解答，重難點(diǎn)內(nèi)容的講解和升華，前沿知識(shí)拓展，歸納總結(jié)等。采取案例導(dǎo)入式教學(xué)，可使學(xué)生明確課程學(xué)習(xí)的目的、內(nèi)容和意義。案例選取主要是因金屬材料零件失效導(dǎo)致的一些重大事故，如泰坦尼克號(hào)首次航行因?yàn)殂T釘?shù)谋瑪喽谰贸了诤５祝荒承┸?chē)輛因車(chē)軸突然斷裂引發(fā)的意外交通事故；天然氣輸送管道長(zhǎng)期處于腐蝕性環(huán)境中引發(fā)的泄漏事故等，再引出對(duì)應(yīng)的重難點(diǎn)知識(shí)。通過(guò)引入在金屬材料增韌方面的科學(xué)前沿進(jìn)行知識(shí)拓展，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的掌握能力。

充分發(fā)揮以學(xué)生為主的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生走上講臺(tái)，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂。有意思的是，金屬材料合金化的本身就充分體現(xiàn)了各元素團(tuán)結(jié)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)共贏的策略。在教學(xué)中，組織和引導(dǎo)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)小組，對(duì)有色金屬銅，鋁，鈦和鎂合金方面進(jìn)行專(zhuān)題調(diào)研，再由學(xué)生制作PPT講稿進(jìn)行匯報(bào)交流，團(tuán)隊(duì)成員每人承擔(dān)一定的任務(wù)，分工合作，在匯報(bào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)生生互動(dòng)，師生互動(dòng)。最后，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)。

課后，在線上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)布置作業(yè)和進(jìn)行階段測(cè)試對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固、加深和外延。并對(duì)一些典型金屬材料案例通過(guò)查閱資料，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行案例分析和討論，并能給出解決方案，最后撰寫(xiě)出小報(bào)告。

將過(guò)程性考核和結(jié)果性考核有機(jī)的結(jié)合，對(duì)重結(jié)果、輕過(guò)程的考核評(píng)價(jià)進(jìn)行改革，過(guò)程性考核占總成績(jī)的50%，結(jié)果性考核占50%。過(guò)程性考核中的在線學(xué)習(xí)部分占20%，包括課前的知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練完成情況，參與討論，作業(yè)和階段測(cè)試部分；翻轉(zhuǎn)課堂占10%，包括生生互評(píng)，教師評(píng)分；對(duì)案例分析討論和提出解決方案的小報(bào)告占10%。將線上和線下的各個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)容，從不同維度方面對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握和應(yīng)用能力，溝通交流能力，歸納總結(jié)能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力等進(jìn)行了綜合考查。

2.3 引入課程思政，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

2020年，教育部印發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措。在高校價(jià)值塑造、知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)“三位一體”的人才培養(yǎng)目標(biāo)中，價(jià)值塑造是第一要?jiǎng)?wù)。也就是要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀[6]。興趣是最好的老師，提高學(xué)習(xí)興趣，是課堂教學(xué)質(zhì)量的保證。在面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒不高，興趣不足的現(xiàn)狀下，授課過(guò)程中，把知識(shí)故事化，生活化，在潤(rùn)物無(wú)聲中引入思政元素，吸引學(xué)生的注意力，提升專(zhuān)業(yè)認(rèn)同感，最大可能的調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。

如在講解緒論時(shí)，引入全民受益的高鐵工程，這條國(guó)家亮麗的風(fēng)景線，帶給我們不僅是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，更彰顯了我國(guó)強(qiáng)大的技術(shù)力量。鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高速鐵路中鐵軌用鋼，高速列車(chē)用車(chē)體用鋼，軸類(lèi)零件用鋼，軸承鋼，車(chē)輪用鋼，彈簧鋼等都提出了新的更加嚴(yán)格的要求。作為材料人，學(xué)生的責(zé)任感、自豪感和使命感油然而生。

如在講解工程結(jié)構(gòu)鋼這一部分時(shí)，例舉我國(guó)在20世紀(jì)60年代初期完全自行設(shè)計(jì)并建造的南京長(zhǎng)江大橋，其中橋梁的骨架鋼梁使用的16錳鋼，被譽(yù)為“爭(zhēng)氣鋼”，是我國(guó)鞍山鋼鐵廠在極其艱苦的條件下試制研發(fā)的，該鋼至今仍被廣泛應(yīng)用于橋梁船舶?，F(xiàn)如今，我國(guó)正是憑借著在新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等方面的自主創(chuàng)新，在長(zhǎng)江干流上已建成通車(chē)有100多座大橋，正如毛主席詩(shī)詞中所描繪：“一橋飛架南北，天塹變通途”。這種艱苦奮斗，堅(jiān)韌不拔，努力創(chuàng)新的工匠精神植入人心。

通過(guò)前述的金屬材料失效的典型案例，將產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)意識(shí)貫徹始終，并警鐘長(zhǎng)鳴。在授課中，還注意強(qiáng)調(diào)金屬材料在推動(dòng)工業(yè)發(fā)展和進(jìn)步的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，比如污染環(huán)境和資源浪費(fèi)，這需要相關(guān)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，節(jié)省金屬資源，綠色生產(chǎn)，踐行習(xí)近平主席提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。在講授高溫合金時(shí)，通過(guò)介紹著名材料科學(xué)家?guī)煵w院士在高溫合金方面的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生感知師昌緒老先生的“研材料，鼎工程，熔鑄強(qiáng)國(guó)夢(mèng)”的民族精神和科學(xué)精神。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生高度認(rèn)同這類(lèi)教學(xué)內(nèi)容的引入。如在講到長(zhǎng)江大橋時(shí)，與學(xué)生們產(chǎn)生了共鳴，就是我們馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋的建成通車(chē)，合肥方向?qū)W子不在繞道南京或者輪渡過(guò)江，總車(chē)程縮短1 h。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，學(xué)生們通過(guò)查閱資料，深刻的了解到，材料在航空航天工程中的重要基礎(chǔ)地位，以及航天工程進(jìn)一步對(duì)輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)材料，輕質(zhì)高效熱防護(hù)材料、結(jié)構(gòu)功能一體化材料等開(kāi)展研制和開(kāi)發(fā)的需求。感嘆祖國(guó)在中國(guó)共產(chǎn)黨的帶領(lǐng)下逐漸強(qiáng)大的同時(shí)，也堅(jiān)定了專(zhuān)業(yè)自信心，努力實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和精煉，采用創(chuàng)新的混合式教學(xué)模式，盡一切努力提高學(xué)生的主動(dòng)積極性，《金屬材料學(xué)》課程在教學(xué)實(shí)踐中，不斷的持續(xù)改進(jìn)，受到了學(xué)生的認(rèn)可和好評(píng)。安徽工業(yè)大學(xué)是典型的以工為主的高校，是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施高校，作為材料學(xué)科重要的《金屬材料學(xué)》課程，通過(guò)積極的教學(xué)改革和實(shí)踐探索，在培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型卓越工程師方面貢獻(xiàn)一份力量。