“固態相變原理”一流課程“五位一體”教學設計與實踐

段玉平，張貴鋒，黃 昊，付雪松，陳國清

（大連理工大學 a.材料科學與工程學院，b.國際教育學院，遼寧 大連 116024）

引言

2019年教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》，要求把教學改革成果落實到課程建設上來，以新理念引領一流本科課程建設，以目標為導向加強課程建設，以提升教學效果為目的創新教學方法。全面推進全國一流課程建設，達到“兩性一度”的“金課”標準，即高階性、創新性、挑戰度。大連理工大學“固態相變原理”課程經過多年的建設與改革，有效推動了課程內容更新、課堂革命、教法創新和質量提升，成功獲批國家一流課程。

“固態相變原理”是材料科學與工程專業大類基礎課程，是打開調控材料性能的一把金鑰匙，是專業基礎課“材料科學基礎”和專業課“金屬材料學”之間的橋梁和重要支點，是金屬材料強韌化的理論基石。課程的任務是使學生從理論與實踐的結合上掌握金屬材料固態相變的熱力學和動力學理論，了解其在工業生產中的應用，并從原理上掌握金屬工件通過控制固態相變從而改變其性能的工藝設計思想。該課程在金屬材料工程專業中占有極其重要的位置，然而目前各高校課程教學中存在以講授為主、思政元素滲透較少、課堂互動較少、實踐環節較少、教學內容陳舊、考核形式單一、對學生學習效果不做評價等，導致課程授課過程中學生獨立分析和解決問題的機會較少，不能夠很好地培養學生的創新思維和獨立思辨能力。由此，為了在專業領域更好地培養具有自我學習和探索能力的創新型人才，必須對專業課程進行深度改革。本課程教學組從教學內容研究入手，一方面將課程中的傳統基礎理論與最新研究進展和發展趨勢相結合；另一方面將人文教育、社會科學和哲學與專業教學結合起來，挖掘固態相變中蘊藏的哲學思想，以開拓學生的思維空間，激發學生的學習興趣，取得了較好的教學效果。

大連理工大學基于新時代一流本科課程建設的標準及要求，進一步全方位實施教學改革，具體提出“五位一體”教學設計，并實施課內課外立體課堂，有效提升了課程目標的達成度。對于進一步推進“固態相變原理”國家一流課程建設，提高材料學科一流本科人才培養質量具有重要意義。

一、“五位一體”課程教學設計

“固態相變原理”課程構建以課程目標為導向、以課程思政為引擎、以學生學習為中心、以動態更新的教學內容及案例分析為依托、以過程考核為手段進行“五位一體”課程教學設計，培養“知識—能力—素質”創新型人才。整體教學設計見圖1。課程確立了明確的課程目標，通過強化課程思政這一育人功能，激發學生的民族自信心和愛國主義情懷，形成學習本課程的動力引擎。具體通過授課團隊集體備課、集體教研、示范授課、案例研究等，研究思政元素融入課程的有效路徑和方案。通過改革傳統課堂“滿堂灌”的教學模式，強化師生互動、生生互動，培養學生的主動學習和批判性思維，形成以學生為中心的互動課堂；通過案例式教學和項目式學習，拓展課程廣度和深度，提高學生解決復雜工程問題的能力，并培養學生非技術性因素能力；通過加大過程考核的次數和難度，提高課程的創新性和高階性；最后通過課程目標的形成性評價對課程進行持續改進。

圖1 “五位一體”課程總體教學設計

（一）課程目標確定

課程目標為通過課程學習學生應達到的目標，主要包括知識、能力、課程思政目標，并能夠支撐專業的畢業要求及其指標點。對于課程目標對畢業要求的支撐關系，課程負責人需充分理解和對應專業培養方案中的“課程體系與畢業要求關系矩陣”。結合課程畢業要求指標點，“固態相變原理”確定了四大課程目標。（1）課程思政目標：結合我國大型熱處理工程應用案例和古代熱處理技術，激發學生的民族自信心，明確個人作為社會主義事業建設者和接班人所肩負的責任和使命；（2）獲取知識目標：掌握金屬材料內部組織轉變及性能之間的內在聯系及相關機理，明確固態相變熱力學和相變動力學條件；（3）分析問題目標：結合案例，培養學生的工程實踐學習能力，使學生具備根據材料的性能要求合理選擇材料和制定熱處理工藝的能力；（4）解決問題目標：能應用熱處理基本原理及熱處理基本工藝解決金屬材料熱處理復雜工程問題，并具有一定新材料開發的能力。通過以上課程目標，設計相應的教學方式和教學內容。

（二）課程思政教學設計

通過與教研室教師定期集體備課，以教學研討、講評結合、示范引領等方式提升課程思政建設水平。主要從課程的知識點、章節、篇章和整體四個方面，全方位挖掘課程的思政元素，通過案例教學、研討式教學、項目式教學等方式，實施“點上滲入、線上植入、面上融入、體上浸入”的“四入”路徑和方案。課程以我國在熱處理領域的較高成就為例，如早在鐵器時代我國就有熱處理的金屬制品，商朝就采用了退火工藝；我國科學家柯俊提出貝氏體相變假說；我國現代新鋼種的開發成就；等等，通過這些案例激發學生的民族自信和愛國主義情懷。

（三）學生為中心的課堂教學設計

本課程基于工程案例，改革傳統課堂“滿堂灌”的教學模式，注重與學生的互動，讓學生提出問題并展開討論，形成師生互動、生生互動的課堂教學氛圍，從工程案例引出本課堂的知識點，教師由“教”轉變為“導”，讓學生的“被動學習”轉變為“主動學習”，解決創新性、批判性思維培養的問題。通過自主學習、探究學習、合作學習，引導學生用個性化的思路解決實際問題，從而使教學效率得到有效提升。最后結合課堂目標，讓學生在課堂上有自我評價學習產出的機會。整體教學設計流程見圖2。

圖2 學生為中心的課堂教學設計

（四）課程內容的“五新”教學設計

動態更新教學內容。課程理論知識主要包含固態相變理論基礎、奧氏體形成、珠光體轉變、馬氏體轉變、貝氏體轉變、脫溶沉淀、回火轉變和熱處理工藝等，覆蓋固態相變基本知識和基本原理。依據固態相變最新研究前沿動態及社會發展需求動態更新知識點和案例，課程內容與時俱進體現“五新”設計，即新原理、新技術、新成果、新交叉、新應用。隨著固態相變原理學術研究的進一步深入，出現新原理突破；隨著固態相變原理熱處理技術的快速發展，呈現新技術；隨工程應用要求的不斷提高，相變組織及性能不斷提升，呈現新成果；相變涉及領域包含金屬材料、陶瓷材料、熱處理介質、自動控制、人工智能、儀器設備、計算機技術、人文環保等，呈現出深度新交叉；新的應用領域不斷拓展，包括極高（衛星材料）、極低（深海工程材料）、極快（高鐵鐵軌）、極大（大興機場鋼結構）、極寒（太空/北極）、極熱（航天飛船/鍋爐）等新應用領域。更新后的教學內容如圖3所示。

圖3 動態更新教學內容

案例教學及非技術因素能力培養教學設計方面，深入挖掘固態相變中蘊藏的哲學思想，將人文教育、社會科學和哲學與專業理論知識結合起來，開拓學生的思維，激發學生的學習興趣，取得了很好的教學效果。通過案例分析提高學生解決復雜工程問題的能力。結合典型案例引出新的相變組織及工藝，學生討論分析相變的最基本原理和工藝設計，如把亞溫淬火、混合熱處理等最新知識補充到相關章節，將節能環保、成本核算、法律風險、人文因素等滲透到每一章節，拓展課程廣度和深度，提高創新性和高階性。

（五）強化過程考核教學設計

一流課程應加強階段性測驗、課堂互動、教學實踐活動等過程性考核管理，過程考核在課程總成績中的比重不低于30%。本課程不斷實施考核方法和考核內容改革，綜合應用了筆試、設計、項目等非標準答案作業等多種形式，全面考核學生對固態相變知識的掌握和運用，注重對應畢業要求和課程目標的達成分析。

本課程實行5次過程考試，包括1次期中考試（占總成績的30%）和4次課堂考核（各占總成績的5%），以及1次期末考試（占總成績的50%）。過程考核主要考查學生設計能力、解決復雜工程問題和非技術因素等能力，有一定的難度，學生必須通過足夠的專業閱讀和思考，才能設計出解決方案；期末綜合考試主要對課程目標和畢業能力要求的達成度進行考查。

二、課內課外立體課堂教學實施

為進一步貫徹“五位一體”教學設計，本課程實施課內課外立體課堂（見圖4），主要包括課前的企業觀摩認識，課內的項目及案例式、討論式、自主思辨式學習，課后自主實驗、學生親自動手獲得相關組織，并分析其在工程實際中的應用和影響因素，鞏固課堂知識，激發創新思維。

圖4 “五位一體”教學設計下的課內課外立體課堂

具體教學實施過程中的教學設計為：課前任課教師帶隊到企業進行觀摩認識，了解固態相變的相關工藝和操作規程，對熱處理有直觀的認識；課內課堂教學主要采用項目及案例式教學，通過討論式和課堂講解相結合，培養學生的創新思維、思辨能力和解決實際問題的能力；課后通過實驗課，讓學生親自設計并動手獲得相關組織，觀察和鑒定組織并分析其在工程實際應用的影響，鞏固課堂知識。

三、課程評價及改革成效

課程注重多層次、多方面和多維度評價，主要包含課堂、期中等過程考核和期末考試評價，也包含學生反饋、學生評教、校內校外專家評教，最后任課教師根據多方面考核數據和評教數據對課程進行形成性評價。基于過程考核課程目標達成評價樣例如表1所示。

表1 基于課堂、期中等過程考核課程目標達成評價樣例

本課程的總體評價要結合課程目標達成度評價、學生評教、校內校外專家評教進行總體分析，重點分析學生是否表現出想學愿學而使得成績整體提升、學生獨立解決實際問題和非技術類能力素質（包括課程思政效果）的達成情況。課程目標整體達成評價同時要結合每一章節的具體閉環評價，最后形成課程目標的整體形成性評價及下一輪改進舉措，由此不斷更新教學內容、改革教學方法、優化課程考核、調整課程目標，形成具有高階性、創新性、挑戰度的一流課程。

結語

一流課程是一流大學建設的基礎，大力推進適應新時代高質量發展要求的一流本科課程建設對于一流大學建設有著重要的意義。大連理工大學“固態相變原理”課程以目標為導向、以課程思政為引擎、以學生學習為中心、以動態更新教學內容及案例分析為依托、以過程考核為手段的“五位一體”教學設計改革高度契合教育部對一流本科課程建設的要求，并通過課內課外立體課堂教學的實施，以及課程目標的形成性評價和持續改進，有效提升了教學質量，對于加快形成具有高階性、創新性、挑戰度的一流課程，實現學生“知識—能力—素質”同步提升有著重要的理論和實踐意義。