基于工程問題牽引的線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.148

摘 要 分析機(jī)械類專業(yè)工程材料實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，開展工程材料實(shí)驗(yàn)課程線上線下混合式教學(xué)改革與實(shí)踐，突出教學(xué)團(tuán)隊(duì)的工程背景優(yōu)勢(shì)，融合工程案例對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)工具、教學(xué)方式提出改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)基于多軟件平臺(tái)的工程材料實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)模式，取得理想的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 工程材料實(shí)驗(yàn)；教學(xué)軟件；混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）22-0-03

0 引言

當(dāng)前，線上教學(xué)走向新常態(tài)，線上線下混合式教學(xué)成為高等教育教學(xué)改革的一個(gè)重要方向。線上教學(xué)在信息傳遞、內(nèi)容呈現(xiàn)與人員互動(dòng)方面具有突出的便捷性、多樣性等優(yōu)勢(shì)，但是在面對(duì)實(shí)踐類課程時(shí)也存在教學(xué)工具受限、課程資源不足等問題。因此，高校教師應(yīng)基于課程特點(diǎn)開展教學(xué)模式改革創(chuàng)新，構(gòu)建融合線上教學(xué)和線下教學(xué)優(yōu)勢(shì)的混合式教學(xué)模式。

國(guó)內(nèi)眾多高校教師已針對(duì)工程材料課程線上教學(xué)改革開展了大量研究工作。例如：邵博等[1]針對(duì)機(jī)械類專業(yè)工程材料課程混合式教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐，組建基于超星平臺(tái)、以微課為形式的可考評(píng)的進(jìn)程式智慧課堂，形成以學(xué)生為中心的“多樣化教學(xué)+差異化教學(xué)+興趣引導(dǎo)型教學(xué)”的教學(xué)模式；郭娜娜等[2]對(duì)材料成型控制專業(yè)工程材料課程線上線下結(jié)合的必要性、課程建設(shè)思路進(jìn)行了分析；陳向陽(yáng)等[3]分析了機(jī)械工程材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀和問題，提出機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新性改革的思路和措施；伍堃[4]借助翻轉(zhuǎn)課堂，同時(shí)構(gòu)建

“課內(nèi)+課外”“線上+線下”“課堂+現(xiàn)場(chǎng)”“平時(shí)+期末”四種模式有效結(jié)合的綜合教學(xué)模式；袁秋紅等[5]構(gòu)建了一套較完善的基于SPOC的機(jī)械工程材料課程教學(xué)體系，與慕課資源結(jié)合，增強(qiáng)課程教學(xué)效果；閆共芹[6]探索建立了一種基于雨課堂的混合式智慧教學(xué)模式，通過在線上創(chuàng)建虛擬教學(xué)課堂，營(yíng)造一個(gè)高效的學(xué)習(xí)環(huán)境。相關(guān)研究與實(shí)踐雖然取得一定的成果，但是對(duì)工程材料課程與工程實(shí)際問題結(jié)合方面關(guān)注較少。

本文以機(jī)械類專業(yè)工程材料實(shí)驗(yàn)課程為例，基于該課程內(nèi)容復(fù)雜、抽象，與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的特點(diǎn)，進(jìn)行基于工程問題牽引的工程材料實(shí)驗(yàn)課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，在實(shí)際教學(xué)中完成實(shí)踐探索，取得良好效果。

1 工程材料實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)分析

材料、能源和信息作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱，發(fā)展十分迅猛。對(duì)于工科院校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生來講，學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基本知識(shí)十分必要。工程材料是機(jī)械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，與實(shí)踐聯(lián)系緊密，工程材料實(shí)驗(yàn)是其配套的極為重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是高等院校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的必修課程之一。工程材料實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生通過實(shí)踐驗(yàn)證和理解基本理論，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度有著十分重要的作用。該課程具有如下特點(diǎn)。

1）學(xué)科交叉性強(qiáng)：課程涉及材料學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械工程相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)，需記憶的概念零碎、較為抽象，學(xué)生理解困難。

2）工程應(yīng)用性強(qiáng)：不同工程材料及其加工、制造工藝在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出完全不同的性能，嚴(yán)重影響機(jī)械裝備的工作狀態(tài)和故障模式，工程材料及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)需緊密結(jié)合工程實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生掌握材料特性影響，加深理解與認(rèn)知。

3）動(dòng)手實(shí)踐性強(qiáng)：與其他實(shí)驗(yàn)類課程類似，工程材料實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)手實(shí)踐能力要求較高，需通過實(shí)驗(yàn)掌握材料的性能測(cè)試方法、加工工藝和材料固有特性的影響規(guī)律，理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合緊密。

與其他實(shí)驗(yàn)類課程類似，工程材料實(shí)驗(yàn)課程的線上授課方式給相關(guān)教學(xué)工作增添了許多困難。為此，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試構(gòu)建基于工程問題牽引的線上線下混合式教學(xué)模式，充分利用線上教學(xué)軟件建設(shè)豐富的案例素材庫(kù)，對(duì)授課內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程錄制視頻文件，各類線上資源成為線下教學(xué)的有力補(bǔ)充，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)抽象問題的教學(xué)效果發(fā)揮了重要作用。

2 基于工程問題牽引的工程材料實(shí)驗(yàn)課程

線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

北京化工大學(xué)工程材料實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)于本科大二年級(jí)，該階段是加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力的重要時(shí)期。該課程主要內(nèi)容包括金相樣品的制備與鐵碳合金平衡與非平衡顯微組織分析實(shí)驗(yàn)、鋼材料的選擇與熱處理綜合實(shí)驗(yàn)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在如下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 工程問題牽引

為了加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際的聯(lián)系，幫助學(xué)生理解工程材料實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與意義，基于教學(xué)團(tuán)隊(duì)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目中不同材料對(duì)機(jī)械裝備工作性能的影響進(jìn)行總結(jié)分析。該案例來源于某煉化企業(yè)航煤加氫壓縮機(jī)組氣閥彈簧斷裂故障。該機(jī)組壓縮介質(zhì)含有較多的硫化氫腐蝕介質(zhì)，氣閥彈簧在長(zhǎng)期運(yùn)行中不斷壓縮、恢復(fù)，產(chǎn)生交變應(yīng)力，若材質(zhì)不能滿足運(yùn)行工況和環(huán)境要求就會(huì)發(fā)生斷裂。項(xiàng)目組先后選擇60Si2Mn、鎳基合金-X750制作氣閥彈簧，不同材料的彈簧應(yīng)用后，在3～5個(gè)月運(yùn)行期內(nèi)均發(fā)生部分氣閥彈簧斷裂問題，如表1所示。用戶與項(xiàng)目組深入討論，認(rèn)為該機(jī)組運(yùn)行特性特殊，因此選擇鈦合金材料TC4制作氣閥彈簧，經(jīng)過一年運(yùn)行檢驗(yàn)，所有氣閥彈簧均未發(fā)生斷裂。該案例充分體現(xiàn)了不同工程材料的工作性能，展示了工程材料及其實(shí)驗(yàn)課程的作用和意義。

2.2 自主研發(fā)應(yīng)用教學(xué)軟件

鐵碳合金的顯微組織是研究和分析鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)。工程材料金相實(shí)驗(yàn)針對(duì)鋼的熱處理、鐵碳合金平衡組織顯微分析和非平衡組織顯微分析兩部分實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證鋼鐵材料的成分不同，顯微組織不同，性能不同，表征鋼鐵材料成分、顯微組織、性能密切相關(guān)。

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)涉及材料種類及屬性復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)不同材料金相試樣組織圖像方面存在困難，傳統(tǒng)紙質(zhì)材料記憶不便、效率低下等問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)金相試樣組織教學(xué)軟件一套，該軟件主要功能界面如圖1所示。

軟件中集成了常用41幅標(biāo)準(zhǔn)金相試樣組織的圖片，建立了標(biāo)準(zhǔn)圖像庫(kù)，篩選了其中典型的12幅作為重點(diǎn)。軟件具備各類圖像處理算法，包括灰度變換、局部平均平滑、中值濾波、圖像銳化等，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)處理。軟件可與金相顯微鏡系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)中生成的金相組織結(jié)構(gòu)圖像，并與標(biāo)準(zhǔn)圖像庫(kù)中的圖像進(jìn)行對(duì)比，輔助學(xué)生直觀高效地學(xué)習(xí)。軟件具有人機(jī)交互功能，通過選擇不同材料屬性、不同熱處理加工方式，自動(dòng)展示不同金相圖片，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，提升學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解鑒別力。具體功能如圖2所示。

該軟件還具有報(bào)告生成和打印功能。在完成圖像的對(duì)比篩選后，自動(dòng)生成報(bào)告文檔，展示實(shí)驗(yàn)中的金相圖片與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的圖像，完成必要的分析說明。

2.3 應(yīng)用專業(yè)化軟件

除自主研發(fā)新軟件之外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在課堂教學(xué)過程中采用奧特光學(xué)的OPTPro專業(yè)金相評(píng)級(jí)分析軟件觀測(cè)打磨試樣的顯微組織，對(duì)一些常見和常用的金屬材料初步識(shí)別其組織，對(duì)所制備的金相試樣進(jìn)行觀察，判斷制備金相試樣所用的材料。

OPTPro系統(tǒng)通過數(shù)碼攝像裝置、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備采集金相顯微鏡中的金相圖片，對(duì)圖片進(jìn)行處理和分析，包括利用直線、矩形、多邊形等多種測(cè)量工具完成長(zhǎng)度、面積、角度測(cè)量。OPTPro系統(tǒng)擁有不同的功能模塊，包括：自動(dòng)評(píng)級(jí)，可對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分析并給出結(jié)果；比較評(píng)級(jí)，可將采集的實(shí)驗(yàn)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，人工完成分析判斷；定倍打印，一次裝入多幅圖片，并可對(duì)其進(jìn)行圖像處理和設(shè)置說明文字，建立電子報(bào)告文檔等。

2.4 綜合利用多平臺(tái)軟件

上述專業(yè)化分析軟件主要用于線下教學(xué)，線上教學(xué)時(shí)部分軟件只能進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)議展示。為了適應(yīng)線上教學(xué)要求，教學(xué)團(tuán)隊(duì)錄制了大量實(shí)驗(yàn)過程視頻，拍攝了照片，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明，包括金相試樣的制備過程、金相組織圖像觀察、材料的不同熱處理過程、材料組織顯微觀察及硬度測(cè)定等。

應(yīng)指出的是，金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生認(rèn)真識(shí)別各種材料的顯微組織，分析化學(xué)成分對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響，加深理解化學(xué)成分、組織與性能之間的關(guān)系，為將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及畢業(yè)后工作中的設(shè)計(jì)和選材打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)綜合利用學(xué)校統(tǒng)一的教學(xué)軟件平臺(tái)、騰訊會(huì)議、企業(yè)微信等，彌補(bǔ)線上教學(xué)期間學(xué)生無法親手完成實(shí)驗(yàn)的不足，增強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)效果?；謴?fù)線下教學(xué)后，上述視頻可作為學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的重要材料，輔助學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3 教學(xué)實(shí)踐問題總結(jié)與思考

在上述教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，對(duì)教學(xué)實(shí)踐問題進(jìn)行總結(jié)，為下一步教學(xué)改革奠定基礎(chǔ)。

1）工程材料實(shí)驗(yàn)課程與其他實(shí)驗(yàn)課程類似，線上開展教學(xué)工作難度大，學(xué)生缺少動(dòng)手實(shí)踐過程，對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不深。

2）工程材料課程知識(shí)點(diǎn)較多、較抽象，記憶難度大，疊加線上課程講解，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、效果不佳。

對(duì)此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以實(shí)際工程問題作為牽引，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，理解不同材料特性在實(shí)際工程應(yīng)用中的價(jià)值和意義，突出本課程學(xué)習(xí)的必要性。同時(shí)，在線下教學(xué)工具方面進(jìn)行自主研發(fā)和改進(jìn)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中需要學(xué)生利用紙質(zhì)材料死記硬背的問題，應(yīng)用先進(jìn)的軟件工具提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效率。在線上教學(xué)資料方面，通過錄制各類視頻、拍攝圖像，制作多媒體資料，將線下完整的實(shí)驗(yàn)過程搬遷到線上，彌補(bǔ)線上教學(xué)無法開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的不足。

后續(xù)改進(jìn)措施如下。

1）當(dāng)前，教學(xué)軟件在線上線下融合方面還存在不足，軟件功能專業(yè)化較強(qiáng)而網(wǎng)絡(luò)化不足?？蛇M(jìn)一步基于雨課堂等平臺(tái)軟件，利用材料金相結(jié)構(gòu)圖片制作在線題目，增強(qiáng)教學(xué)效果；同時(shí)，開發(fā)網(wǎng)頁(yè)版金相試樣組織教學(xué)軟件，使學(xué)生能夠在線上直接完成金相圖像的對(duì)比分析和報(bào)告制作等。

2）課程與工程實(shí)際結(jié)合仍不夠緊密，學(xué)生普遍要求加強(qiáng)工程應(yīng)用背景介紹。因此，將進(jìn)一步豐富多媒體資源，增加工程現(xiàn)場(chǎng)的案例說明等內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于工程材料實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)，結(jié)合線上教學(xué)出現(xiàn)的問題開展線上線下混合式教學(xué)改革探索，在教學(xué)內(nèi)容中引入工程案例，突出課程的工程應(yīng)用價(jià)值；在教學(xué)工具方面綜合應(yīng)用自主研發(fā)軟件、OPTPro專業(yè)金相評(píng)級(jí)分析軟件、教學(xué)軟件平臺(tái)等，把實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果制作成多媒體素材進(jìn)行展示，營(yíng)造高效的學(xué)習(xí)環(huán)境。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式得到師生的一致肯定，取得良好效果。

5 參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：北京化工大學(xué)2024年教育教學(xué)改革研究首批委托立項(xiàng)資助項(xiàng)目“過程流體機(jī)械”（項(xiàng)目編號(hào)：國(guó)際化課程建設(shè)編號(hào)5）；北京化工大學(xué)2024年本科數(shù)字教材建設(shè)資助項(xiàng)目“流體機(jī)械數(shù)字化導(dǎo)論”（項(xiàng)目編號(hào)：JC202402）；北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教育教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目“面向‘碳達(dá)峰—碳中和’的過程流體機(jī)械人才培養(yǎng)改革實(shí)踐與創(chuàng)新”（項(xiàng)目編號(hào)：B202215）。

作者簡(jiǎn)介：馬艷娥，北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院黨政辦公室主任，講師；張進(jìn)杰，通信作者，博士，副教授；趙軍，博士，副教授；王瑤，博士，講師。