基于“四融合”的研究生相變原理課程教學改革探索與實踐

李 強，商 劍，于景媛，伍復發(fā)，劉 亮，吳 瓊，耿 芳

（1.遼寧工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001；2.瓦軸集團技術中心，遼寧 大連 116300；3.美敦力（上海）有限公司，上海 200000）

在材料學專業(yè)的研究生課程體系中相變原理是一門重要的學位課。該課程主要研究在加工過程（尤其是熱處理）中，金屬及合金材料相變發(fā)生的條件、種類、速度、轉(zhuǎn)變機制及轉(zhuǎn)變后組織產(chǎn)物。該門課程為材料熱處理、鑄造和焊接工藝選取技術參數(shù)、控制產(chǎn)品質(zhì)量以及設計新材料、開展新工藝提供理論基礎，與研究生今后從事材料專業(yè)的科學研究和工程實踐密切相關。

相變原理作為材料類研究生的主要專業(yè)基礎課之一，目前查閱的文獻對其教改報道較少。相關領域中，景德鎮(zhèn)陶瓷學院楊志勝等對研究生課程結構化學的教學改革進行了研究；中國計量學院江莉等對研究生課程材料化學教學方法進行了探索；河南科技大學李新利等對研究生課程材料物理的教學內(nèi)容、方法和手段進行初步改革探索。針對研究生課程相變原理中課程思政亟待加強、教學方法手段單一、教學和科研結合不夠緊密、校企融合深度不足、教學內(nèi)容陳舊等突出問題，滿足適應新時代高等教育發(fā)展，提高研究生使命感、責任感、創(chuàng)新及實踐能力的需要，對研究生相變原理課程進行教學改革，通過“四融合”即思政教育與專業(yè)教育相融合、線上與線下教學相融合、科研與教學相融合、學校與企業(yè)相融合，有助于提升研究生的使命感、責任感、創(chuàng)新和實踐能力。

一、課程現(xiàn)狀

作者結合多年相變原理研究生課程的教學經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該課程主要存在以下問題。

（一）重理論教學，輕課程思政

在研究生的課程教學中，長期以來，僅僅關注相變理論相關知識的傳授，對課程思政重視程度不足，雖然在教學中也會提及思政方面內(nèi)容，但課程思政系統(tǒng)性不足，同時教師本身的思政教學能力也有待提升。長此以往學生只能單純掌握專業(yè)知識，沒有培養(yǎng)愛國精神、強國責任感，進而無法樹立長久、堅定的學習目標和奮斗目標。

（二）教學方式、手段傳統(tǒng)單一，線下多、線上少

在教學方法上，仍然以教師講授模式為主，學生被動學習。教學手段上仍然以黑板+粉筆或PPT 等傳統(tǒng)教學手段為主，開放式教學、線上線下混合教學等教學手段應用較少，上述問題將影響研究生的自主學習、實踐與創(chuàng)新能力的提高。

（三）科研與教學融合不緊密

隨著科學技術的不斷發(fā)展，相變原理方面知識的增長與更新越來越快，相關科研項目研究的進展也日新月異，但是，目前普遍存在的問題是教學內(nèi)容嚴重滯后于當今相變原理領域的實際發(fā)展水平。這對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提高材料類研究生科研實踐能力是十分不利的。

（四）校企融合有待深入

當前材料類研究生的培養(yǎng)由于種種原因，培養(yǎng)過程中大多數(shù)時間研究生都在校內(nèi)完成，所做的課題“紙上談兵”多，“真刀真槍”少，產(chǎn)教融合嚴重不足，將影響研究生的創(chuàng)新和工程實踐能力的培養(yǎng)。

針對以上問題，我們通過加強“四融合”進行相變原理課程的教學改革。

二、改革措施

（一）加強課程思政，培根鑄魂

授課老師向研究生傳授專業(yè)理論知識時，積極挖掘課程思政元素，將抽象的理論知識與課程思政相輔相成，注重思想政治教育融入教學的探索，充分發(fā)揮專業(yè)課程立德樹人功能。例如：在講授奧氏體相變時，介紹肖紀美院士在不銹鋼方面研究的成就案例。肖院士主要從事金屬材料的基礎理論研究，1957 年沖破美國政府的重重阻撓，回國支撐祖國科技建設，對中國鉻錳氮系不銹鋼的發(fā)展作出了重要貢獻。

在介紹常用相變研究方法時，介紹了余瑞璜院士，余瑞璜是著名X-光晶體學家，他1937 年受聘于英國皇家研究所，具有非常好的個人發(fā)展前景。但是，國難當頭時，他毅然回國，參與清華大學金屬研究所建設。回國后，研制出中國第一臺蓋革計數(shù)器。1942 年創(chuàng)立X 射線晶體結構分析新綜合法，被譽為國際上第一流晶體學家。兩位老院士這種犧牲個人利益，為祖國無私奉獻的精神值得我們認真學習。

我們不但要教導研究生學習更要幫助他們樹立正確的價值觀念，把愛國情結、民族情節(jié)、科學思維方法和創(chuàng)新精神等貫穿滲透到專業(yè)課教學中，培養(yǎng)研究生愛國精神、強國責任感，明白為什么學習，進而樹立為強國而努力學習的奮斗目標。

（二）提升課程信息化水平，構建線上線下混合教學模式

目前研究生授課信息化手段改革主要集中在多媒體課件的使用，其實除了多媒體課件教學資源的使用，我們還積極開展線上教學模式，大力推進相變原理課程MOOC 平臺資源建設，豐富線上教學資源如：參考教材、相關資料鏈接推送、各個教學章節(jié)的學習指南，教學內(nèi)容PPT，重點難點內(nèi)容速課視頻等。在實際授課時，材料類研究生課前先利用上述線上教學資源進行預習，并進行相應的測試。由于學生課前會通過MOOC 平臺的資源進行預習，在授課過程中教師先提問同學，由同學進行回答，如果同學回答不正確，可以由其他同學對其質(zhì)疑或者進一步回答。當遇到重點難點問題，教師再有針對性講解，教學模式如圖1 所示。教師的作用在于引導和總結。通過教師質(zhì)疑、點評和總結，可以對自己所忽視或者未理解，的問題進行突破學習，提高了學習的質(zhì)量。此外，在課堂上還可以通過MOOC 平臺進行測試、討論、作業(yè)發(fā)放。課程考核的成績中將學生在線上學習的情況作為學生總評成績的一部分，進而構建線上線下混合教學模式。

圖1 “5-3-2”教學模式示意圖

此外，還要發(fā)布一些具有挑戰(zhàn)性的小組任務，例如：發(fā)布小組任務“介紹具有馬氏體相變的材料，并說明具體的相變過程及相變機理”。小組成員可以預先查找資料，分工合作進行，最終成果以PPT 的形式進行展示，每一小組由一名同學在課上進行講解，這種方法既提高了學生的知識運用能力，又提高學生的團隊合作精神和解決問題的能力。

最后，為了保證學生真的能學會，能輸出，鼓勵學生在每章授課結束后，獨自進行重點內(nèi)容的提煉和歸納總結，并制作思維導圖。如圖2 所示。

圖2 第3 章知識點思維導圖

（三）精選科研案例，探索科教融合的研究型教學培養(yǎng)模式

為了開闊研究生的視野，跳出課本知識的局限，我們從這20 多年在材料研究領域所做的與相變相關科研工作中精選出了8 個左右科研案例，融合到相變原理課程教學中。

例如：在講鋼鐵材料包晶轉(zhuǎn)變內(nèi)容時，我們將常國威課題組的“高溫原位觀察δ→γ 相變過程”的研究引入課堂教學中。從常老師提出鋼鐵材料δ→γ 相變的研究背景入手，講解科學問題的提出過程，然后通過觀看視頻、觀察電鏡照片與論文等深入學習δ→γ 相變時晶粒的生長速度、晶粒長大影響規(guī)律及相變機理等。在講授無機材料相變時，我們引入了“ZrO增韌HA 生物醫(yī)用陶瓷”這個科研課題。HA 陶瓷是一種良好的生物醫(yī)用陶瓷材料，但是其質(zhì)地硬脆，限制其在生物醫(yī)用領域應用，在其中加入納米ZrO顆粒，通過的ZrO顆粒四方相和單斜相之間相變引發(fā)的微裂紋來降低外來導致的應力集中，進而提高HA 基體的韌性。

在介紹新型功能材料相變時，引入“生物醫(yī)用多孔NiTi 形狀記憶合金的制備及性能研究”這個項目，同學們通過學習可以知道Ni 和Ti 元素在高溫燒結過程中可以形成TiNi、TiNi、TiNi、殘Ti 和殘Ni 相，通過調(diào)整Ti 和Ni 元素的含量、燒結溫度、壓制壓力和保溫時間可以調(diào)整各個相的含量和組成，同時通過實驗測試數(shù)據(jù)和分析可以知道具有形狀記憶效應的TiNi 相在什么條件和溫度下發(fā)生形狀B2 相和B19'相的轉(zhuǎn)變，進而對所學習馬氏體相變的知識進行深入的理解和較為明確的應用。

通過案例學習，學生上課的注意力更集中，學習興趣更濃厚，對相變原理的知識掌握更好。此外，我們還有TiNi 合金的相變、Al-Si 合金相變等多個案例融入課堂教學。

課堂上的講授，使學生不僅更深入地學習了固態(tài)相變理論和專業(yè)知識，還讓學生盡可能接觸更多方面的科學前沿。激發(fā)學生的學習興趣，通過對科研案例的講解，讓學生更好地掌握發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題的思維方式。培養(yǎng)了學生的科研能力和科學精神。為學生將來開展各自的科研工作打下了一個良好的基礎。

（四）匯聚企業(yè)資源，校企聯(lián)合建設課程，助力形成“校企融合”人才培養(yǎng)模式

匯聚材料類企業(yè)等各方資源，校企聯(lián)合建設固態(tài)相變課程，為材料類專業(yè)研究生“校企融合”人才培養(yǎng)提供有力支撐。在相變原理課程中引入材料類行業(yè)企業(yè)資源，推進“引企入教”，促進課程內(nèi)容與技術發(fā)展銜接、人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求融合，加大研究生基地建設，將所學的理論知識與實際項目相接軌。例如：某企業(yè)焊接工件常出現(xiàn)凝固裂紋，學生通過實際焊接過程觀察，結合相變原理基本知識，可以解釋在凝固過程中隨著液相減少，固相增多，當固相含量大于液相含量時，固-液之間出現(xiàn)液態(tài)薄膜，在拉應力作用液態(tài)薄膜破裂，形成焊接裂紋。

還有某熱處理廠生產(chǎn)產(chǎn)品性能不達標，學生通過對產(chǎn)品進行強度、硬度等力學性能測試，以及XRD 物相分析和SEM 顯微組織觀察，確定室溫下組織產(chǎn)物不達標，通過調(diào)整熱處理工藝，改變其固態(tài)相變過程，進而獲得不同的組成物來提高工件的力學性能。

總之，通過企業(yè)實踐，同學們將理論知識與實際企業(yè)案例融合，這使同學們能夠做到學以致用，激發(fā)了學生的學習興趣和成就感，形成了良性循環(huán)。

三、結束語

通過上述改革措施的實施，我們對固態(tài)相變課程進行了“四融合”即思政教育與專業(yè)教育相融合、線上與線下教學相融合、科研與教學相融合、學校與企業(yè)相融合。通過對課堂教學的改革，完成了思政教育與專業(yè)知識的融合，課本內(nèi)容與科技前沿、企業(yè)實踐的融合，探索一種新的科、教、企融合的研究型教學培養(yǎng)模式。通過固態(tài)相變課程改革后，提升了材料類研究生的使命感責任感、創(chuàng)新及實踐能力，為高水平應用型研究生的培養(yǎng)和學校核心競爭力的增強提供保障，具有重要的現(xiàn)實意義。