多措并舉實現 “金屬材料及熱處理” 課程深度學習

姚 敬，舒小勇，肖 璇，劉俊偉

（1.南昌航空大學材料科學與工程學院 江西 南昌 330063；2.南昌航空大學航空制造工程學院 江西 南昌 330063）

熱處理是機械制造業中提高產品性能、使用壽命和可靠性的關鍵環節[1]。南昌航空大學 “金屬材料及熱處理” 課程開課歷史悠久，受眾面廣?，F作為專業方向必修課或任選課，面向材料學院（金屬材料工程、高分子材料工程專業），航空制造工程學院（材料加工類專業春曉班、焊接技術與工程、電子封裝技術、機械電子工程專業），通航學院（飛行器制造工程專業）等航空加工制造類專業學生開設。課程主要任務是使學生獲得有關熱處理的基本理論及各類金屬材料的基本知識，掌握材料的成分、組織、熱處理工藝和性能之間的關系，從而具備合理選材、初步制訂零件加工工藝的能力，為學習后續專業課程打下堅實的理論基礎。

1 學習中存在的問題和困難

在課程建設過程中，通過收集用人單位反饋意見、社會需求調查、學生反饋及自我反思，發現學生在學業上存在如下問題：①不想學：學生處于被動學習的狀態，缺乏持續學習和挑戰難點的動力，一些學生靠考前突擊就可達到 “及格萬歲” 的目標。②學不好：理論與實際脫節，發現問題、解決問題能力不強，學生在實踐中，理論知識不牢固，運用知識分析和解決實際問題的能力不足，遇到問題無從下手，工作勝任力不強。③不好（hào）學：學生專業自信和專業興趣不足，對基礎制造業情懷不夠濃厚，部分學生不愿從事本專業，學習缺乏動力，學而不思。在教學環節中缺乏探究力、進取心和責任擔當。

2 未開展深度學習的主要原因

學生在教學活動中沒能開展深度學習的原因是多方面的，課堂沒有吸引力是重要因素。重教輕育使得教學目標重知識、輕能力，價值引領不夠。在以往的教學中，教師往往重知識、輕能力；重理論、輕實踐；重記憶、輕創造。價值引領與知識傳遞和能力培養之間存在脫節，課程思政重視不足，學生缺乏專業自信和責任意識。

在教學內容上，教學資源不夠豐富，不能滿足不同層次、不同學習方式的需要。僅通過閱讀教材和聽教師講解無法滿足不同學生的學習需求，無法實現個性化教學。缺少對實踐能力、探究力培養和具挑戰性學習設計。在教學設計上，教學活動缺少系統性設計，沒有達到引發學生持續深度學習的目的。在以 “教” 為中心的教學活動中，學生只能被動接受，缺少主動參與機會，也缺乏理論聯系實踐的機會，學生對課程投入度不高。教學內容體系性不強，前沿性和創新性不足。課程教學內容涉及面廣，知識繁雜，體系性不強，學生在短時間內掌握大量知識存在較大困難。教材內容的前沿性和創新性不足，與解決實踐問題存有差距。

另外，考核評價方式偏重期末和知識考核，沒有有效激發學生的學習積極性。期末一張試卷定成績的考核方式，使很多學生不注重平時學習，不能養成持續學習習慣，也不能充分提升學生的綜合素養。

3 全面提升學習效果的主要對策

3.1 整理思路，樹立課程改革目標

以學生發展為中心，理論與實驗兩條主線并行，思政力、教研力、科研力、同行力，四力合一為改革思路，概括為：一個中心，兩條主線，四力支撐。

大力改革現有的課程設置、授課方式，用科技助力和服務教學，借助虛擬現實等多種手段，增大課堂容量、拓寬視角、打破時間和空間的限制，讓課堂與制造業前沿緊密結合，使專業課課堂緊跟生產實踐又高于生產實踐。課程改革目標如下：

①知識目標：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化等基本理論。

②能力目標：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價值目標：培養具有一定自主學習、表達、團結合作、溝通能力，工程思維能力、實踐能力、崗位勝任力的制造業人才。自信擔當、本領過硬。

3.2 改革舉措

3.2.1 理論課——ARCS動機激發模型，改造我們的學習

研究表明，學習成績是學生個人動機水平、IQ水平和原有認知結構的增函數[2]。即：學生學習成績中有16%-20%甚至30%的差異是由學習動機造成的。學習是一種內在驅動行為，同時受外部因素影響。潛在的動機因素可被學習的成功和社會的認可強化，進而轉變為真實的、持久的動機因素。爾后形成一種相對穩定的人格特征，從而維系著真實的、生成性的、發現性的、自我調節的、主動積極的學習的持續進行[3]。根據美國凱勒教授ARCS模型，改造了我們現有的學習：

①注意力Attention。在教學過程中，教師可利用學生的有意注意來激發和維持學生的學習動機[4]。采用三種策略激發和維持學生的注意力：利用新異的、驚奇的、不合常理的、不確定的事件作知覺激活；通過引發或要求學生產生要解決的問題（疑難）來刺激查詢信息的行為；通過豐富多彩的教學活動來維持學習者的興趣[5]。例如：講述歷屆學生在熱處理實驗室發生的故事和 “失敗” 經歷。一般選取簡單實驗、課內實驗，學生認為非常簡單不會出錯的實驗。碳鋼淬火、感應淬火等課內實驗，常常出現淬火后硬度偏低、硬度超低、不遵循組織―性能規律、組織異常、試樣 “消失” （丟失）等問題。改變現有課內實驗參數，讓學生分組對實驗結果進行預測并陳述理由等。課后做實驗驗證，組間PK互評。

②相關性Relevacne。學生不能意識到教學與他們有什么關聯時，學習注意力難以維持，他們會問： “我們為什么學這個？” 最基本的手段是使學生認識到學習活動與他們過去的經驗或以前學習的知識或某種利益相關[6]。首先了解學生的需要和未來的出路?？佳?？就業？改行？躺平？分別予以解答和分析。有金屬材料工程專業學生會抱怨，學金屬材料（基礎制造業）沒前途。將金屬材料工程行業發展分析報告、國家十四五規劃中金屬材料相關內容（短板、亟待解決的問題、發展方向）、校友薪資、校友個人發展歷程（精英和平均水平人群都涉及），以及對比解讀學生認為的高薪行業。將大視角范圍內的熱處理行業呈現給學生。其次，將教學與學生的經驗相結合。運用通俗、明白的語言及同學生本人的經驗和價值觀相聯系的舉例[7]。以焊接、電子封裝、無損檢測專業學生為例。將往屆學生在校時（課程設計）、畢業后（工作中的問題）向老師咨詢的熱處理問題，匯集成案例，向學生講評。

以學生以往做過的實驗為起點，延伸設計實驗。比如，學生都做過碳鋼拉伸實驗，學生對拉伸的力學行為較為熟悉。實驗中使用的碳鋼一般是退火態，在熱處理課上，設計幾種不同熱處理狀態的碳鋼拉伸，對比它們的拉伸過程和拉伸曲線，讓學生直觀感受，熱處理―組織―性能之間的關系。

③自信心Confidence。缺乏自信，也就缺乏學習動機。當然過于自信，他們會認為沒有必要參加學習。最大的挑戰是要創建學生對成功的適度期望。

首先，讓學生明確課程要求、評價標準。提供多樣性的成就水準使得學生建立個人的達標標準和有表現機會，保證每個人都有成功的體驗[8]。使學生明白他們的成功源自自己努力。創造課堂互動（師生、生生互動），在線上或線下進行作業展示。學生的回答、作業，好在哪？為什么好？如果做到XX，就更好了。記錄學生的課堂、實驗過程，適時在線上或線下反饋。讓學生知道自己可以做好、可以做得更好。不遺余力地去發現學生的閃光點，給予肯定或中肯的評價。

④滿意Satisfaction。要讓學生有學習成果，讓學生了解只要努力就會有收獲。提供給學生真實的問題解決情境，讓他們應用已學的知識去解決實際的問題[9]。根據金屬材料知識學習特點，布置專題作業，讓學生分工合作完成，并進行簡單答辯。

3.2.2 實驗課——突破時空限制，改造我們的實驗

①線下實驗。將已有的3個實驗進行擴展，提高了實驗內容與學生專業的相關程度，并體現了高階性和挑戰度。例如《碳鋼熱處理及性能分析》實驗，在原有實驗內容的基礎上增加了材料種類、真空熱處理設備、冷卻介質，學生可自由選擇設計路徑來實現實驗目的。

另外，將原有實驗使用的塊體金屬材料升級為零件和加工件，例如：齒輪、螺栓、桿件、板件、焊接件、鍛造件、鑄件等。將教學內容在聯系現實世界問題的情境中加以呈現，關聯學生已有的知識庫存，激活了相關的舊經驗時，實驗變得有趣和充滿吸引力。而實驗的高效開展給予理論課堂的正反饋也促進教師投入更多時間和精力。

②線上實驗。熱處理實驗教學涉及的大型設備須陳放在專門廠房中，實驗廠房空間大，學生分散、環境嘈雜，且工序多、周期長，學生需多次從分析測試實驗室轉場到生產加工廠房，教師掌控每個學生的實驗環節以及及時跟進指導難度比較大。為了讓熱處理工藝和設備知識在時間和空間上適應課堂教學，而不得不將完整的生產工藝 “拆分” 和 “簡化” ，學生常有 “只見樹木不見森林” 的困惑和局限性。虛擬仿真技術能打破了這一壁壘，高度縮合 “時空” ，帶給學生 “一覽眾山小” 的視角，提升學生學科的整體觀、全局觀，從而觸類旁通，提升學習效果。建設好、使用好、推廣好該虛擬仿真實驗項目，形成虛實結合，以虛補實的熱處理實驗課新格局，為培養動手能力強、創新精神足，有本領、有見識、會學習、能創造的復合型人才助力。

依托航空企業，選取熱處理工藝集成性強的飛機起落架作為虛擬仿真實驗的載體，涉及合金鋼（300M）和鈦合金（TC18）起落架制造全流程，設計了《飛機起落架熱處理工藝控制虛擬仿真實驗》，作為線下實驗和理論教學的有益補充。實驗界面如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗界面

③學生自發實驗。主要是《熱處理》課程結課后，進入高年級的學生的實驗需求。學生（非材料學院學生）的綜合實驗、課程設計、三小、畢設中涉及的熱處理問題和實驗需求，也可以預約進行實驗，并給予必要的指導。教師也因此獲得教學素材，讓下屆、下下屆學生得到與他們自己專業關聯度大的教學案例，提升學習興趣，激發學習動力。讓熱處理 “有用” 的觀念在學生中傳遞。

指導學生參加各類學科競賽，豐富 “第二課堂” ，以賽促教，以賽促學。

3.2.3 借助教研、科研、思政和同行，四力支撐教學改革

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展，吸納最新科研成果，凸顯與時俱進。為教材增加專業背景，體現與航空航天的關聯，培養學生航空報國的志向。從相關企業收集生產信息，制作成課件、案例，植入課堂。團隊成員將承接的橫向和縱向課題寫為案例、簡化為作業融入課堂。吸納教學同行優秀成果和網上教學資源之力豐富教學資源和教學素材。更新教材中的例題，加大涉及實際問題特別是與專業有關的例題和習題。在教材中增加知識鏈接。通過掃二維碼、提供網站鏈接等方式鏈入相關學科的知識。增加中英文對照內容。

在教學上強調以學生為中心、以學習為中心，打造多維立體教學，建立第一、第二、第三課堂教學系統。借助虛擬實驗室平臺，學生在第一第二課堂內所掌握的知識、技能等得到更加廣泛和深入的檢驗與應用，有更大程度的學習遷移發生。多課堂教學系統將線上線下學習深度融合，實現了無縫學習，第一課堂強調合作、討論、展示，第二課堂強調自主、質疑、應用，第三課堂強調拓展、遷移、體驗[10]。課程成績評定由四部分組成：①線上學習成績（10%）：包括隨堂測驗、討論區回帖次數、討論區自主提問、單元測驗、作業提交、作業互評等；②線下課堂表現成績（20%）：包括翻轉課堂、互動搶答、思維導圖總結、課外拓展報告、階段性考核、創新性成果獎勵等；③實驗成績（20%）：包括實驗操作、實驗設計、實驗總結和報告等；④線下期末考試成績（50%）。

思政進課堂，發揮思政力，融鹽于肴，貫穿于整個教學過程，傳遞正能量，喚醒學生的自我完善之力。教師緊密聯系學生，了解學生動向，領航一步，助力一臂。

4 課程教學效果

深受學生喜愛，評教分數穩中有升，平均在98分以上，學生評價積極正向。學生課堂和實驗室參與程度提高。作業完成質量提升，課堂討論漸入佳境。學生自發參加實驗，帶著問題來尋求解決的頻次提升。

學生（非熱處理專業）對與課程相關的賽事關注度明顯上升。參加金相大賽、熱處理創新創業大賽、考助理熱處理工程師的人數增加。

教學相長。圍繞教學研究，教學團隊成員申報多項校級、省級教學改革課題和創新創業課題。

5 課程教學創新改革總結與反思

本課程改革的價值主要體現在：①改革后的課程教學內容豐富，形式多樣，激發學生的求知欲，培養學生的實踐能力和創新能力，從而培養創新型、復合型人才。②專題討論與生產、科研前沿相互結合。積極開展相關領域的前沿問題的研究，有助于培養學生的學術水平、科研創新能力。③虛擬實驗室的建立可以緩解實驗室條件限制，有效彌補實驗教學資源的不足，使學生可以隨時隨地地開展相關實驗。

時代在進步，知識在更新，不斷有新的機遇和挑戰，以發展應萬變，不斷將課程推向前進，是教師的使命和擔當。