OBE 理念下融入思政的實驗教學設計與實施
——以金屬材料綜合實驗課程為例

劉鳳芳，宮明龍，張亞輝，羅紹華，朱彥榮

（東北大學秦皇島分校 資源與材料學院，河北 秦皇島 066004）

金屬材料綜合實驗是金屬材料方向最重要的專業綜合實踐課。專業綜合實踐課程可以促進學生對金屬材料專業知識的綜合應用，可以培養學生創造性思維，可以培養學生獨立分析及解決問題的能力及實踐能力。在課程實踐過程中通過理論聯系實際，過程設計、規化實驗流程、發現問題及解決問題，更有利于科學素養的提高。目前的綜合實驗存在各實驗相互獨立，沒有連貫性，主題性不強，很多學生積極性不夠，學習效果欠佳，跟不上現有新工科交叉融合、多元化人才培養的步伐。而OBE（成果導向教育）更能契合新工科教育理念。為讓綜合實驗在教學體系內更完善，培養具有較強實踐能力的綜合素質人才。OBE 教學理念注重學生個體性，注重學習目的和效果。設計實驗時充分突出學生的多層次。

實驗教學過程中，教師的課程建設是關鍵。應充分發揮實驗教師的作用，培養創新情感、鍛煉創新意志和鼓勵創新行為。提高學生積極性，突破傳統教學模式的觀念，對實驗過程進行改進，并融合思政元素，重新對教學內容和方法進行設計。在教學過程中教師潛移默化幫助學生成長，給予學生正確的引導，輸出正確的三觀。引導學生不斷提升自己，具有健全的品格，在自己的學科中和學校的氛圍中深造，擁有寬廣的視野，擁有發聲的底氣和能力，具有可持續發展的學識和能力。

教師應具備跨學科、信息技術運用能力，實踐能力、創新能力和終身學習能力，讓各門專業課之間有機銜接，專業課與實驗課有機聯系，有效應用各類實驗技能，從基礎知識到綜合應用有序過渡，真正讓實驗課程成為培養學生創新能力培養的重要部分。讓學生實現從單一技能到綜合運用的質的升華。

一、教學設計

在OBE 理念的指導下，培養學生設計實驗、操作技能和理論知識的運用能力，在此過程中熟悉金屬材料熱處理過程及材料經熱處理后組織和性能的變化，每個學生都有獨立分析問題的能力。

實驗設計思路：循序漸進的過程，融入思政與專業知識和能力培養的有機結合，教學方法和課程內容的有機結合，教師的個人魅力、學術修養、道德情操和育人方法的有機融合，讓課堂有溫度。

（一）實驗教學目的及內容

實驗內容與實驗目的及思政目標見表1。金屬材料綜合實驗內容以材料熱處理為核心，將金屬材料學、熱處理工藝與設備和材料力學性能等專業課程有機銜接，有效應用金相實驗、硬度實驗、熱處理淬火及回火實驗等，將理論知識與實驗技能有機融合。

表1 實驗內容與培養目標對應的專業課程

（二）課前專業理論知識的鞏固及實驗操作常識的普及

針對不同的專業知識點采取不同教學手段，同時讓學生自學方式熟悉對設備安全操作常識。通過考核后進行下一步實驗。主要內容包括：

（1）將各部分知識點編制成問卷星考試答題，如圖1所示。主要內容包括材料熱處理基礎理論、顯微鏡使用方法、組織觀察辨別方法、非金屬夾雜物評定、金相分析軟件的使用及樣品制備過程等。為后續實驗現象的分析做好準備。學生利用手機可以反復網上答題，直至分值達到總分值90%，方可通過。考核過程自動判定分數，顯示答題人及分數通過手機上傳到班級QQ 群。

圖1 問卷星設計考核內容

（2）對箱式電阻爐加熱元件、熱電偶、控制儀表工作原理、均溫區大小及安全操作知識用PPT 和小視頻資料展示。

（3）學生需要在實驗過程正確熟練使用實驗加工設備，如電火花切割機、金相樣品切割機和砂輪機等。并且可以熟練應用金相顯微鏡、硬度測試儀和萬能試驗機等實驗設備。

（4）學生可以熟練地應用金相顯微分析技術拍照并進行晶粒度評級及夾雜物分析。

二、實驗過程及方法實施

實驗過程中設置三個題目，分別為低碳鋼（20 鋼）、中碳鋼（45 鋼）和高碳鋼（65Mn 鋼）。在熱處理后硬度要求達到40±3HRC。實驗分成三個小組完成，每個小組6～8 人。根據成果導向思維，按照預定目標設計實驗過程。

實驗流程如圖2 所示，抽簽選題目后以小組為單位查找資料、討論方案，確定材料的原有狀態及經過怎樣的熱處理過程后可以到達題目中要求。確定工藝參數后進行組內分工包括處理操作，過程取樣，組織分析，夾雜物分析及硬度測試，數據匯總后總結分析。

圖2 實驗流程圖

實驗后三個小組數據綜合分析，總結不同含碳量在熱處理過程中對組織及硬度影響。如果實驗過程中出現淬裂情況需分析夾雜物在其中的影響。

為讓學生在每個環節更好完成實驗，在實施環節中融入思政元素。實驗過程及要求：

（一）判斷熱處理前材料的狀態

學生切取小塊樣品用金相組織和硬度初步判斷選用的材料牌號，狀態是否為退火態。這一步很關鍵不可以省略，體現了實驗的嚴謹性，防止材料使用過程中出現混料的發生，是生產工程中需要具備的工程素養。

（二）取樣過程要求

了解不同取樣部位對樣品性能的影響。取樣位置控制在原材邊緣到中心距離的四分之一到二分之一，性能比較均勻，具有代表性，取樣過程不能對樣品產生其他影響，樣品的大小保證滿足金相組織觀察及硬度測試；定量分析結果的正確性及不確定度，培養學生的工程意識。

（三）熱處理過程

學生需要了解的基礎知識：

（1）根據Fe-FeC 相圖確定亞共析鋼淬火溫度Ac以上30～50 ℃，根據樣品的直徑及厚度計算保溫時間，見表2。

表2 圓柱形碳鋼試樣在箱式加熱爐中保溫時間

（2）根據鋼的淬透性及淬硬性不同及淬火介質的冷卻能力見表3。確定每組的熱處理工藝參數及冷卻介質。

表3 常用淬火介質的冷卻能力

（3）由于20 鋼淬透性較差，淬硬性低，故一般選用鹽水作為淬火介質，45 鋼一般選用水作為淬火介質，而65Mn 鋼淬透性及淬硬性較高，防止淬裂的產生，一般選用油作為淬火介質。

（4）根據切取樣品的大小計算保溫時間及升溫時間，寫出方案制定合理性說明，樣品放置爐中位置及熱處理工藝曲線程序編制。

（四）實驗現象的分析

（1）組織分析時對樣品的制備追求精益求精，利用科技競賽平臺激勵機制，鼓勵樣品制備能手參加全國比賽去磨練學生意志，體現了材料組織的“真善美”。

（2）非金屬夾雜物評定過程，通過顯微鏡下反光不同進行識別，了解各類夾雜物顏色及形態特征，借助軟件進行標尺添加、長度測量。

（3）數據匯總要有本人的分擔實驗部分，本組實驗參數設計分析，實驗后組織及分析數據，還要有三個組的匯總，結合不同含碳量在熱處理過程中如何改善組織和性能，選擇參數的緣由。

三、實驗成績評定方法

成績考核評定辦法采取分4 個部分及4 種方式進行見表4。

表4 實驗成績評定各部分所占比例

（1）課前預習部分：主要培養學生自學習慣。為防止過程枯燥，可以采取視頻、微課、圖片及動畫等現代教學元素進行展示，提高學生學習興趣。充分利用現代化工具，通過手機網上答題的形式考核學生。對學生而言，能減輕書寫部分報告的壓力；對老師而言，能夠實時掌握學生學習程度。

（2）實驗設計部分：以課堂交流討論為主，主要通過組內互相交流，學生團隊制定合理方案。讓其他組隊員來打分評定。

（3）操作過程部分：小組內分工完成，每人承擔不同的部分，最后由同組人來打分，督促學生積極性，實驗過程中追求操作上的精益求精。

（4）實驗分析部分：數據匯總，報告撰寫規范化，分析提出獨特的見解，并對實驗進行反饋。

四、結束語

教師建設課程過程中讓教師、學生及課程更好做到三位一體。實驗設計中充分發揮在團隊合作交流空間，實驗過程中培養學生責任感及精益求精的探索精神。

開放性的實驗思路，每個學生的實驗內容不重復，可以充分體現學生的層次性。課前利用視頻、微課及動畫等現代化手段培養學生自學習慣。手機軟件答題既能提高學生興趣也可減輕學生負擔。實驗過程采取小組分工形式完成，培養團隊合作意識。在專業領域使用信息技術，專業軟件分析評定非金屬夾雜物和晶粒度。最后三個小組匯聚成一個大組，通過各小組之間實驗后數據對比分析討論。這樣類似一個小型畢業設計，可以將幾門專業課有機連接起來，使專業課與實驗技能融會貫通，并對實驗做出反饋，助于持續改進教學過程。