《工程材料與金屬熱處理》課程線上線下融合教學模式探索

馬冰洋，齊小犇，尚海龍

（上海電機學院 材料學院，上海）

一 引言

2012年以來，慕課（MOOC）的出現使得線上教學模式風靡全球，而后線上教學模式在我國高等教育中迅速發展[1]，特別是教育部在2015年下發《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，鼓勵和規范各大高校對線上教育進行探索和研究，加快構建具有中國特色的在線課程平臺和體系后[2]，我國的線上教育模式在數量和規模上更是取得了長足的發展[3]，而2020年初的一場新冠疫情的肆虐更是加快了這一進程，越來越多的高校教師展開了線上教學模式的研究與探索[4-6]，為了響應教育部“停課不停教、不停學”的號召，作者也對工程材料與金屬熱處理這門課進行了線上教學模式的探索，過程中發現雖然線上教學模式具有諸如資源豐富、效率高等傳統線下模式所不具備的諸多優勢，但也并非完美無缺，線上教學模式對學生學習的自覺性要求較高，否則一旦脫離了老師的監管，學生的學習效率將大大降低。因此，探索將線上教學模式和傳統線下教學模式有機結合起來，充分發揮他們的優勢，是高校教育的重要研究方向[7-9]。

本文以《工程材料與金屬熱處理》課程為抓手，結合課程自身的特點，設計了線上教學模式和線下教學模式的教學內容和教學方法，探索了線上線下融合教學模式。

二 《工程材料與金屬熱處理》課程簡介

隨著社會的發展和科技的進步，對工程材料各種性能的要求越來越高，尤其是在包括航空航天、軌道交通、微電子和微機械以及能源化工等國民支柱產業中，工程材料的應用范圍越來越廣泛，這就對相關專業的人才培養提出了更高的要求。《工程材料與金屬熱處理》這門課是機械類專業的一門專業必修課，課程以成分-工藝-組織-性能-應用之間的關系和變化規律為主要教學內容，授課內容共分為五大模塊，分別是工程材料力學性能模塊、工程材料的基礎知識模塊、金屬的塑性變形與再結晶模塊、熱處理模塊、工程材料模塊，課程的目的是培養學生掌握各種材料的性能特點以及提高材料性能的方式方法，在對各工程材料認知的基礎上培養針對不同使用環境合理選材的能力，為后續專業課學習以及將來從事相關工作打下堅實的基礎。

三 線上教學

《工程材料與金屬熱處理》這門課的目的是要向學生闡明各種材料“成分-工藝-組織-性能-應用”之間的相互關系，并最終使學生掌握工業生產中不同工況環境下的材料選擇和使用條件，因此課程中存在大量與材料組織結構、制備工藝、使用性能等相關的概念和原理，這些概念和原理有的復雜而抽象，教學過程中向學生講解起來十分的困難，而且學生理解起來也不夠直觀。而在線上的網絡平臺中有著非常豐富的教學資源，這些教學資源包括圖片、視頻、動畫模擬、實物展示等，甚至包括材料應用工況環境里一線技術人員的在線解答，利用網絡平臺的共用共享和時效便利特性，可以將這些線上教學資源合理的引入到本課程的線上教學中，這樣不僅可以使抽象死板的概念和原理變得簡單生動，有助于學生對知識點的理解和掌握，而且還能夠豐富課程的教學內容，提高課程教學過程中的趣味性，充分調動學生們自主學習的積極性，促進教學質量的提高。

由此可見，合理利用線上教學能夠有效提高課程的教學效率和教學質量，但在本課程前期的線上教學實踐中，還是發現了線上教學中存在的一些問題，首先，由于線上教學的課堂可控性相對于傳統的線下教學模式較差，一些學生僅僅是使用賬號登錄進入了課堂，而人可能并沒有真正進入課堂，存在著為了完成任務刷視頻的“刷而不學”現象；其次，線上教學過程中，師生互動性不如線下教學靈活豐富，使得學生在上線上課程時跟學有余而思考不足，存在著“學而不思”的現象；另外，受限于學生自主學習能力不足，線上教學后學生對于課程知識點的思考不足，不能準確把握知識點背后更深一層的原理和內涵，存在著“思而不透”的現象。如何解決這些學生在線上學習過程中普遍存在的“刷而不學”“學而不思”“思而不透”等問題，充分發揮線上教學豐富的教學資源等優勢，是提高學生學習效果、確保本課程線上教學質量的關鍵之一，本文將從線上教學內容選擇、線上教學課程建設、線上教學方法設計進行總結闡述。

（一） 《工程材料與金屬熱處理》線上教學內容選擇

《工程材料與金屬熱處理》的教學內容十分豐富，鑒于本課程是針對機械類專業學生開設的專業基礎課，在機械類專業人才培養計劃中起著承上啟下的作用，對材料原理性的專業知識要求不高，反而更側重于對工程材料各種使用性能、加工處理工藝方法的了解和掌握，以及針對不用應用環境和條件下對各類工程材料選擇和使用，因此教學過程中對教材的選用和教學內容的取舍尤其的重要。本課程選用的教材是由趙程和楊建民主編的《機械工程材料（第3版）》，該教材由機械工業出版社出版，是新世紀高校機械工程規劃教材之一，教材的編寫由淺入深、深入淺出、循序漸進、便于教學的思路，另外，教材著重注意學生分析問題和解決問題能力的培養，有利于學生對教學內容的理解和吸收。教材總共分為八個章節，內容主要包括工程材料的力學性能、金屬材料的基礎知識、金屬的塑性變形與再結晶、鋼的熱處理、金屬材料、非金屬材料、機械零件的失效與選材、新材料和新工藝等內容，適合采用線上方式開展教學的內容有材料的力學性能、金屬材料、非金屬材料、機械零件的失效與選材、新材料與新工藝等內容，其中材料的力學性能內容中的知識點相對簡單易懂，通過線上教學對內容的講述，比較容易就能向學生解釋其中的概念和原理，而且利用線上豐富的教學資源，還可以通過視頻直觀地向學生展示測試這些力學性能的實驗設備以及采用這些實驗設備測量時的實驗方法和應注意的問題，另外，還可以通過線上方式向同學們展示這些力學性能在實際工程應用中的重要性，并通過典型的材料失效案例向學生說明選材不當對所帶來的嚴重后果，加深學生對材料力學性能的理解和認識，培養學生精益求精的工匠精神。金屬材料的內容是向學生們闡述工業用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金等金屬材料的種類、牌號、性能特點、組織特征、在實際工程應用中的選用標準以及應當注意的問題，這些內容中金屬材料的種類繁多，牌號龐雜，知識點細碎但較為簡單，適合線上模式教學。新材料和新工藝章節的內容主要是向學生展示現如今較為前沿和熱點的一些材料和工藝，利用線上教學資源的豐富性和時效性，可以清晰地向學生介紹這些科技前沿材料的功能、原理以及實際的工程應用，充分展示材料的魅力，在完成教學任務的同時還能使學生認識到材料在人類社會發展和文明進步過程中起到的關鍵作用，從而激發學生對材料學習的興趣。

（二） 《工程材料與金屬熱處理》線上教學方法設計

《工程材料與金屬熱處理》課程中有些教學內容抽象而復雜，尤其是涉及到相對復雜的材料表征方法以及一些大型材料制備設備的運行等相關內容時，線下教學模式中“講授+板書”的傳統教學方法難以清晰地向學生展示其中的過程機理，即使講述得清楚明白，學生也難以理解掌握其中的知識，沒有親自見識來的直觀明白。而線上教學卻可以瞬間全面地得到相關制備工藝以及制備設備的全套流程，能夠直觀地向學生展示其中的奧秘，使學生瞬間對所學知識有較深刻的認識和理解。例如，材料力學性能章節中材料的強度和塑性通常采用拉伸試驗測量獲得，將待測試樣加持在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，得到應力應變曲線，通過對應力應變曲線的分析，獲得材料的強度與性能指標，實驗過程中標準試樣的形狀及尺寸、拉伸試驗的流程、拉伸試驗設備及運行機理雖然也可以通過線下模式向學生們講述，但花費的時間和精力卻非常之多，而且講述還不夠直觀清楚，而在線上教學過程中，通過線上資源展示以及分屏技術和講述相結合，可以快速、直觀、明白地將相關內容向學生闡述清楚，十分方便快捷。另外，工程材料與金屬熱處理線上教學內容雖然大都易于理解，但教學內容的形式卻是多種多樣，涵蓋材料相關的基本概念、制備工藝、表征方法、制備以及熱處理設備等多方面的知識，對于不同類型的知識體系，在線上教學過程中應當有針對性地采用不同的教學方法。例如，對于基本概念形的線上內容可以利用線上海量優質的教學內容，以講述的方式生動形象地向學生展示，而對于材料性能測試設備與方法，則可以采用直接視頻演示的方式向學生們呈現，甚至可以利用線上的資源，為學生設置模擬實驗程序，讓學生在線上就能夠自己動手模擬操作實驗，從而加深學生對知識掌握的牢固程度。這些線上的教學方法不但能夠大大提高教學效率和質量，而且還可以增加學生的學習興趣和積極性，具有傳統線下教育所不能比擬的優勢。當然，線上教學并非完美無缺，對于工程材料與金屬熱處理這門課的教學內容不能做到面面俱到，課程中包含的很多原理性的知識點采用線上教學模式就顯得有點力不從心了，另外，本課程中還涉及許多理論公式和計算過程，這些內容通常復雜難懂，采用線上教學模式學生難以集中精力學習和理解記憶，而更適合采用“課件+板書+講述”的線下教學模式進行教學。

四 線下教學

雖然線下教學模式不如線上教學模式資源豐富、形式多樣以及高效快捷，但傳統的線下教學模式具有其不可替代的特征和優勢，首先，線下教學模式傳統的“課件+板書+講述”教學方法的講解可以十分的詳盡，在對某一知識點進行講述的同時可以同時串聯以前課程講過的知識以及引出后續課程可能要學到的知識，起到復習和預習的作用，這樣學生所學到的知識點將不再是一個個孤立的點，而是由各個知識點相互聯系所形成的一個知識網絡，進而形成一套完成的知識體系，有助于學生對課程整體的認識和把握。其次，線下教學模式的靈活性和時效性非常強，對于一些復雜的知識體系，學生往往難以一下子理解和接受，在線下教學過程中，教師可以實時觀察到學生們對知識的理解情況和接受程度，從而靈活地放慢或加快教學進度，給學生充足的時間去鞏固和掌握所學知識。另外，線下教學模式中師生的互動性較強，通過合理的教學設計，教師在線下教學過程中可以跟學生產生良好的互動，從而提高學生學習的積極性和學習效率。

（一） 《工程材料與金屬熱處理》線下教學內容選擇

結合線下教學模式的特點和優勢可以發現，線下教學模式更適用于專業性比較強的原理性知識點的講解、復雜理論公式和計算方法的推導和演示以及與理論教學所對應的課程實驗的開設。鑒于此，對于工程材料與金屬熱處理這門課程八個章節的教學內容而言，金屬材料的基礎知識、金屬的塑性變形與再結晶、鋼的熱處理等章節的內容專業性比較強，理論公式以及理論計算較多，采用線下教學模式能夠詳細地向學生展示公式的推導過程以及適用范圍和使用方法，因此更適合線下教學模式。另外，與此課程理論教學內容相對應的實驗教學也更宜采用線下教學模式，實驗教學內容包括金屬材料力學性能測試、鐵碳合金平衡組織的顯微分析和金屬冷塑性變形與再結晶退火后組織與性能分析三個實驗，實驗教學采用線下教學模式能夠讓學生親自體驗實驗過程，自主分析實驗結果并完成實驗報告，能夠加深學生對所學知識的掌握。

（二） 《工程材料與金屬熱處理》線下教學方法設計

《工程材料與金屬熱處理》這門課最終旨在培養學生的材料選用、加工處理能力，需要扎實掌握與材料相關的基礎知識，而且對應用操作能力要求很高，因此這門課程既要教授學生掌握材料理論知識，而且要指導學生具有一定的動手操作能力，因此要設計合理的線下教學方法完成線下模式教學任務。對于專業性比較強的基礎知識點，除了采用傳統的 “課件+板書+講述”教學方法以外，還可采用隨講隨練、講練結合模式提高學生對知識點的掌握和熟練程度。例如，對于“杠桿定律”理論公式的講解過程中，可以先采用傳統的教學方法對“杠桿定律”的定義和推導過程進行闡述，而后采用舉實例的方法介紹杠桿定律的適用條件以及應用方法，最后可以采用隨堂練習的方式讓學生應用杠桿定律計算不同成分鐵碳合金中相組成物和組織組成物的相對含量，這樣既加深學生對該知識點的掌握程度，也讓學生清楚了“杠桿定律”的使用方法和適用條件。而對于實驗教學部分則可采用“教師講解+實際演示+學生動手操作”的模式，使學生能夠深入了解工程材料的制備和表征過程以及掌握設備操作流程。例如，對于材料硬度測試實驗的教學過程中，首先老師講解布氏硬度、洛氏硬度以及顯微硬度三種硬度的測量設備、測量原理以及測量步驟，而后實際演示三種硬度計的操作過程，最后由學生在教師的指導下進行動手實際操作，這樣的教學模式能夠加深學生對專業知識的理解和記憶，也能夠培養學生的動手能力，進而提高學生在以后的生產實踐過程中分析問題和解決問題的能力，最終提高學生的核心競爭力，達到學生培養的目的。這種優勢是線上教學模式所不具備的。

五 結語

線上教學模式是現代教育發展的產物，它與傳統的線下教學模式各有所長，采用線上線下融合的教學模式是未來教育學發展的重要方向，針對工程材料與金屬熱處理的課程特點，以線上教育模式為主，線下教育模式為輔助的教學模式更為適合，這種模式既能充分發揮線上教學資源豐富、教學效率高的優勢，又綜合了線下教學靈活性和互動性高的優勢，通過這種教學模式能夠增加學生的學習興趣，提高學習效率，更有利于學生掌握課程專業知識，鍛煉綜合能力，達到課程的培養目標。