新興技術范式下融入思政教育的金相實驗課程教學設計

劉鳳芳 宮明龍 葉杰 房大然 張亞輝 羅紹華

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.011

摘? 要：實驗教學是大學教學過程中非常重要的實踐環節。當代大學的實驗課教學應和理論教學一樣都需要跟上新經濟的發展，需要在新興技術范式下進行實驗教學改革創新，豐富教學方法和內容。以專業基礎課金屬學及熱處理課程中金相實驗教學為例。在樣品制備、熱處理、組織觀察和軟件分析等實驗過程中采用互動多媒體、智慧課堂、多學科交叉融合和視頻微課等新興教學技術及方法，同時融入思政元素。在提高學生興趣及綜合分析能力的同時進行思政教育，培養具有工匠精神的新一代專業創新性復合型人才。

關鍵詞：新興技術范式;金相實驗;思政教育;混合式教學;教學設計

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）17-0043-06

Abstract： Experimental teaching is a very important practice link in the university teaching process. The experimental teaching of contemporary universities should keep up with the development of the new economy as well as theoretical teaching. It is necessary to carry out experimental teaching reform and innovation under the emerging technology paradigm， and enrich the teaching methods and content. This paper takes the metallographic experiment teaching of basic course Metallography & Heat Treatment as an example. In the experimental process of sample preparation， heat treatment， tissue observation， software analysis， etc.， new teaching techniques and methods such as interactive multimedia， smart classroom， multi-disciplinary integration， video micro-lecture， etc. are used， and ideological and political elements are incorporated at the same time. Ideological and political education is carried out while improving students' interest and comprehensive analysis ability， so as to cultivate a new generation of professional and innovative compound talents with craftsman spirit.

Keywords： new technology paradigm; metallographic experiment; ideological and political education; blended teaching; instructional design

隨著經濟的發展和新興信息時代的到來，傳統的實驗教學模式已經不能滿足當下科技的發展對創新型人才的要求，需要不斷地對教學質量改進。金相組織觀察是金屬材料學科教學和科研中了解材料微觀世界最基本的手段和方法之一，金相實驗是材料類專業最基礎、最重要的實驗課。隨著新工科專業的建設，機械工程和車輛工程等機械類專業的本科課程也相繼開設了金相實驗內容。為解決金相實驗課中出現的課程內容陳舊、學生興趣度不高、教育后出現工具人等問題，各高校不斷進行改革與實踐。“采用開放式、自主性和實戰型”教學，互動多媒體教學模式及依托科技競賽促進教學等相繼出現。更新教學理念，本著為推進新興技術在新工科教育教學中的深度融合性應用，全面踐行“學生中心、產出導向、持續改進”質量理念，目的是促進教與學的改革，充分利用新時代范式技術，深入推進信息技術與教育教學的深度融合，教學目標與新工科時代背景理念攜手共進，為學生的創新培養提供保障。進而培養知識與能力并重、素養與責任并重的創新性復合型人才。

本文以金相實驗課程教學為例，采用互動多媒體、智慧課堂、多學科交叉融合、視頻微課等新興教學技術及方法，同時融入思政元素。對金相實驗教學重新設計，探究新興技術下的智慧和思政教學方法，以提高學生的綜合素質和能力。

一、金相實驗課教學方法優化設計方案

實驗設計框架如圖1所示，在探究新興技術及理念下，進行教學模式的改革。圍繞混合式教學進行了互動教學、小視頻微課、第二課堂等教學方式，同時引入思政元素，企業生產案例分析等豐富教學內容。設計教學方法及內容相輔相成，并根據教學內容設計手段，充分利用現有新興技術手段改進教學方法，在專業素養培養過程中對學生進行正確的價值觀導向引領，在思政教育課堂指引下專業素質及創新能力培養同向同行。

二、金相教學實驗項目設計與實施

為了使實驗教學內容突破原有驗證性實驗為主的教學方法，探索以技術指標為導向，學生自主創新為主的教學思路，創立了包括基礎技能素質訓練、專業技能訓練及綜合素質訓練實驗平臺的專業實驗教學體系。實驗項目主要分為四個模塊，見表1;各模塊對應的教學目標見表2，均增加了素質和德育目標。

（一）金相顯微鏡使用的實驗模塊設計與實施

實驗模塊將金相顯微鏡的使用錄成多個小視頻，做成微課。一個視頻盡量在2 min以內，適于移動設備的學習，學生在課前可以利用碎片時間在手機等移動設備上預習。大幅節省課堂的講解時間，提高課堂效率;課上通過互動多媒體教學系統進行PPT講解操作技巧，用實際生活中的常見物放在顯微鏡下觀察，吸引學生的注意力提高學習的興趣。

思政內容：顯微鏡是材料人的“眼睛”，能夠在微觀世界中發現科學的魅力。材料是國家制造的基礎。時刻牢記不忘初心，以看到最原始最真實圖像作為分析依據，去研究樣品的特性，讓材料的“眼睛”發現更精彩的世界。

顯微鏡下觀察頭發（圖2為顯微鏡下不同學生的頭發放大照片）。由于頭發較細，反光不好，很難調整看清視場，對調節顯微鏡技能有一定要求，從而訓練學生的動手能力和耐心。學生通過觀察自己頭發鱗片判斷發質是否健康，如圖2（a），頭發絲較粗，營養良好，鱗片完整。圖2（b）頭發絲較細，營養良好，鱗片完整，圖2（c）頭發絲較細，被燙過或營養缺乏的頭發，基本看不到鱗片。這樣學生不僅學會了使用顯微鏡的技巧，并且對后面的金屬材料的微觀組織產生興趣， 所學知識與生活息息相關。

本實驗模塊有觀察標樣的環節。學生觀察標樣過程中，利用互動教學系統，通過課件教學、電子舉手，遠程指導的方式進行組織觀察及分析，提交作業互動問題等活躍課堂氣氛。教學過程中利用新興技術中的互動和手機交作業情況截圖如圖3、圖4所示。

課后作業通過手機網上答題形式提交成績單完成知識點夯實，通過查資料了解顯微鏡前沿技術。既減輕學生實驗報告壓力，同時也避免完成過程中不真實的情況;既達到基礎技能素質訓練，同時也減輕教師負擔。

（二）顯微組織觀察實驗模塊設計與實施

顯微組織觀察實驗模塊內容設計的知識點由淺入深，應用互動多媒體展示細微特征，全方位認識組織，進行組織的分析。

以20鋼為例（如圖5所示），20鋼通過退火處理后組織如圖5（a）所示，顯微鏡下為珠光體加鐵素體組織。從圖片分析：珠光體的分布位置集中在晶界的交匯部分，鐵素體以基體形式出現;從機理分析來看，主要因為在熱處理過程中晶界部分能量較高，聚集在其周圍的過飽和的碳在冷卻過程中首先析出，和鐵形成滲碳體，隨著溫度的下降，滲碳體逐漸增多。該樣品掃描電子顯微鏡下照片如圖5（b）所示，滲碳體呈片層狀分布在鐵素體基體上，形成珠光體;從性能分析來看，鐵素體是單一固溶體，硬度、強度較低，珠光體是兩相組織，且滲碳體是硬脆相，使得珠光體性能得到加強。如果想要提高其硬度及強度就要使得珠光體量增加來獲取。從組織來看片間距越窄，硬度會越硬;可以快速冷卻即正火處理，得到片間距小，珠光體量多;當冷卻速度更快時需要水冷或油冷，即可獲得板條馬氏體如圖5（c）所示。

思政內容：我國科技的進步離不開材料領域的開發。航空航天的發展，“嫦娥”的登月、核潛艇的探底、高鐵的高速奔馳，每張國家名片的背后都離不開科研工作者的奮斗，更有材料人無數次對材料的研發和實驗。透過組織研究特性是材料人最基本的技能。從金相基本組織認識分析開始，通過畫出平衡組織示意圖細節，深刻體會析出位置及分布形態特征。通過觀察金相圖片體驗航天材料的研發、3D打印技術的應用，拉近高科技發展與材料學科距離，觀察新材料高熵合金組織（如圖5（d）所示），明顯的骨架結構及骨架間的共晶組織，3D打印后組織如圖5（e）所示，縱橫相間的紋理結構。

（三）金相樣品制備實驗模塊設計與實施

金相樣品制備實驗模塊主要引導學生對實驗的熱情，精益求精的探索精神。金相樣品的制備是分析材料的關鍵。真實反映材料的組織特征是分析材料的前提。如何讓粗糙的樣品表面從磨平到磨光，拋光成鏡面再能腐蝕出清晰無缺陷的組織，這個過程需要按照步驟反復練習、感受、摸索，找到磨制的力度、方向;拋光盤的濕度控制、拋光力度與時間的完美結合;腐蝕過程的最佳火候把握。每一個細節決定后面呈現的組織是否有假象，組織能如實全部反映出來。讓每個學生經歷好奇-摸索-沮喪-堅持-成功后的喜悅。要想制備高質量的金相樣品，上課的有限時間是遠遠不夠的。充分利用科技創新競賽平臺，將實驗課程與創新實踐有機融合。以全國金相技能大賽為契機，將科技競賽作為學生的第二課堂，開放實驗室將學生積極性充分調動起來。以賽促教、以賽促學的思路，提高學生成就感和榮譽感。培養學生動手實踐能力，為以后創新創業打好基礎，做到專創有效融合。

思政內容：引用金相大賽的口號“金相天驕，洞見未來”“萬丈高樓平地起”，金相樣品制備相當于材料分析的根基。金相樣品制備是一個精益求精的過程，需要細心觀察、靜心琢磨、解決制樣問題中出現的“陰陽面、劃痕、麻點、硬化、假象”等缺陷。樹立吃苦耐勞、反復試驗、探求更高要求的匠心精神及職業素養，才能洞見未來。

（四）軟件在金相分析中應用實驗設計與實施

金相是分析研究材料微觀組織結構的基礎實驗。根據組織分布特征來判斷材料的性質。傳統的金相評級方法都是比較法，根據組織圖片和國家標準評級圖片對比，找到相應的級別，效率低而且人為主觀性很強。隨著數字信息技術的發展，用軟件處理組織圖片并且實現一定范圍內的定量評級，如晶粒度的評級、脫碳層的測量及估算珠光體面積含量計算等。

以珠光體含量測定為例（如圖6所示），對一個二元合金的亞共析鋼，組織圖上的兩種組織，經過軟件處理、分割后，分析計算出珠光體相對含量。界面如圖6（a）所示（原圖），經過分析過程（如圖6（b）所示）后，得到計算含量結果如圖6（c）所示。通過結果分析，得出珠光體含量為61.99%，根據杠桿定律計算如下：

式中，Q為珠光體的相對含量，C為含碳量的百分數。

即C%計算約為0.477%，通過分析可知此二元合金鋼的含碳量大約為0.477%。還可以輔助對工程及生產中未知材料的分析。

思政內容：利用現代信息科技手段通過電腦軟件分析，改變學生以往循規蹈矩的對圖片定性認識，利用電腦軟件對圖片進行分析，對材料中組織進行測量及含量的測定，知識點得到全方位的延伸，所學知識與企業生產實際密切聯系，提高學生工程意識及職業素養。

三、教學效果評價反思

通過新興范式技術與實驗教學相融合的教學理念、融入思政、突破傳統的教學模式，對教學方法及教學內容進行改進與創新。利用計算機多媒體技術、信息化技術、網絡移動技術，對顯微組織進行識別與分析，改變以往循規蹈矩的教學手段，用各種信息手段提高學生興趣，實驗內容和知識點在縱向與橫向得到擴展。課程思政指引下進行實驗教學，讓實驗課成為有效推動“雙創”人才培養的強有力補充。

四、結束語

在實驗教學中積極引導學習接觸現代科學技術，合理融入思政元素，激發學生對實驗的興趣，提高學生運用新技術的能力。避免實驗教學循規蹈矩，缺乏新意。提高學生學習主動性及教學成效性，打破時空限制，課堂不止局限于上課時間與空間。從學習者的“學”出發，采用數字信息、網絡化技術手段豐富課堂教學，改進教學內容，不同的實驗項目根據需要采用不同的教學方式。使新興范式技術更好服務于實驗教學，提升學生專創融合的能力。

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作者簡介：劉鳳芳（1974-），女，漢族，吉林農安人，學士，高級實驗師，研究方向為金屬材料檢驗。

*通信作者：宮明龍（1975-），男，漢族，山西繁峙人，博士，副教授，研究方向為金屬材料制備及材料熱處理。