工程認證背景下鋼的熱處理原理與工藝課程教學設計和方法研究*

梁亞紅 李國偉 黃嬌 許萍 孫麗

內蒙古工業大學材料科學與工程學院 呼和浩特 010051

0 引言

工程教育專業認證是推進我國高等學校理工科專業發展的一項重大舉措，該舉措的目的是為了培養適應社會發展需求的大學本科畢業生。工程教育專業認證是以產出導向（Outcome Based Education，OBE）作為國際通用標準，然后通過專業的持續改進機制來進行評價，我國采用的認證程序核心理念包含以學生為中心、以目標為導向和以持續改進為機制三個方面[1-2]。這一理念強調過程性評價，并且重點突出以學生學習產出為導向的評價活動，打破了傳統的專業教育與考核的模式。做好工程認證對各高校來說，是提高自身競爭力的必經之路，也是各高校適應21世紀人才培養需求的關鍵所在[3]。

我國每年有十幾萬金屬材料工程專業的畢業生踏入社會，為金屬材料相關行業的飛速發展及我國工業發展提供人才支持。在工程教育專業認證的驅動下，學校教育更重視培養學生學習產出的能力和價值。如何使金屬材料工程專業畢業生滿足企業的需求成為中國金屬材料科技與工業發展的焦點問題[4]。鋼的熱處理原理與工藝是金屬材料專業的一門必修課，也是專業教學計劃中的核心課程。該課程在專業知識結構中占有很重要的地位，所涉及的內容是學生將來在工作崗位能夠使用到的最基礎、最直接的專業知識。本文針對工程教育認證對學生的畢業要求，借鑒國內各高等學校的經驗，提出鋼的熱處理原理以及工藝課程教學設計與教學方法的基本思路，目的在于培養學生的自主學習能力，提升學生的專業綜合素質。

1 工程認證背景下的課程教學理念

在工程認證OBE 導向的大背景下，實現課程綜合改革和持續改善，并用專業的持續改進機制來進行評價成為課程教學的指導理念。認證標準重點突出畢業生掌握、分析和解決工程中復雜問題的能力，這就要求教師將實際工程中的問題引入實踐教學課程中[2]，突出體現工程復雜問題的專業性和具體性，培養學生的工程思維；而在解決問題及方案設計中還要考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境因素，培養學生的創新意識。認證標準中的學習產出還要求使學生擁有團隊合作精神和國際化視野，能夠在多學科和多元文化環境中進行有效溝通和交流[6]，這就需要教師在教學過程中引導學生進行團隊協作，互補互助去解決問題，培養學生的合作思維。

因此，培養學生的工程思維、創新思維和合作思維，促使學生的學習方式從被動學習轉向“自主、合作與發現”學習。以自主學習、融合交叉、團隊合作能力和工程能力為目標，同時融入“愛國、愛家、愛自己”的思政情懷進行鋼的熱處理原理與工藝課程的教學改革。

2 課程教學大綱的改進

鋼的熱處理原理與工藝課程是以金屬學基本原理、鋼的熱處理原理揭示常見工程材料的化學成分、工藝、組織及力學性能之間的關系與變化規律，并能夠運用這些原理和規律進行熱處理工藝的制定。掌握本課程內容是培養學生分析解決工程實際問題能力的重要環節之一，同時為學生進行后續專業課程的學習，完成工藝課程設計、畢業設計打下良好的基礎。根據金屬材料工程專業人才培養目標、畢業要求確定課程體系，鋼的熱處理原理與工藝作為金屬材料工程專業模塊中的核心課程，課程的教學目標要有效支撐畢業要求的三個指標點，如表1所示。通過本課程的學習，學生在技能、知識、能力和素質方面達到以下目標。

表1 課程教學目標與畢業要求的對應關系

教學目標1：掌握鋼的固態相變的基本原理和規律，能夠用于識別和判斷鋼在不同的熱處理條件下產生的典型組織、相結構，并能夠運用固態相變原理和規律對熱處理工藝進行改進。

教學目標2：掌握常用熱處理工藝的基本過程和影響工件熱處理性能的關鍵因素，能夠根據工件特定的性能要求，對其進行熱處理方案設計。

教學目標3：能夠識別和預判不同熱處理工藝過程中可能出現的缺陷，利用固態相變的基本原理和規律，結合鋼的成分、組織、工藝和性能之間的關系分析原因，提出合理的熱處理工藝方案，并進行實驗論證。

鋼的熱處理原理與工藝涉及鋼的熱處理原理、工藝等多方面知識，課程主要講授鋼的固態相變的基本原理和規律，并闡述了利用相變原理調控鋼的相結構和組織、提高性能的工藝方法。

三個畢業要求指標點中均涉及運用相關的專業理論知識識別工程問題并提出解決方案，同時有創新意識的體現。因此，課程大綱的制定不僅要明確固態相變的基本原理和規律，同時將鋼的化學成分、工藝、組織及力學性能之間的關系與變化規律應用于工程實踐中，與材料發展的時代特征相結合，發掘學生的創新意識。

3 教學方法的應用

課程教學應緊扣以學生為中心、以目標為導向和以持續改進為機制三個方面進行，事實上從《論語》即可看出，早在春秋時期，孔子對弟子的教學就遵循這三個方面的原則。

以下就從這三個方面講述鋼的熱處理原理與工藝課程的教學方法在課堂中的應用，同時結合線上網絡教學平臺進行教學實踐。

3.1 “三人行，必有我師焉”：分組討論（以學生為中心）

本課程傳統的教學模式是教師課堂講授，學生被動聽課，學生是被動學習。工程教育專業認證下的課程教學改革核心理念首先就是以學生為中心，讓學生成為課堂的主人，只有學生主動地學才更有成效。因此，在傳統授課的基礎上，需要進行翻轉課堂教學調整，采用分組討論的形式激勵學生提高學習的主動性與學習興趣。整個課題組的教師（根據學生分組情況，每次討論課5 ～6 個小組，每組5 ～6 人，每組1 位教師參與）以引導員的身份參加每次分組討論。

例如，針對教學目標1 設計的一次討論課題目為“鋼的奧氏體相變、珠光體相變、貝氏體相變、馬氏體相變的特點和性能及其相對應的熱處理工藝”，教師引導學生在自主學習和討論的過程中掌握鋼的固態相變的基本原理和規律，并能夠用于識別和判斷鋼在不同的熱處理條件下產生的典型組織、相結構。

學生作為課堂討論的參與者，是學習的主體。在小組討論前，學生需要提前熟悉任務，并通過查閱文獻或觀看網絡教學視頻來完成任務。這就要求學生主動參與，并且用心去查找、歸納并總結，而不是被動地接受知識點，增加了學生學習的主動性。而且，每個人的基礎知識、認知經驗是不同的，因此，完成任務時的著重點也因人而異。子曰：“三人行，必有我師焉。擇其善者而從之，其不善者而改之。”在討論的過程中，每位學生都要發言，同學之間的作用甚至比教師更加重要，學生各抒己見，相同點大家互相加深理解；不同點進一步闡明，互相之間拓寬思路。

討論結束后學生進一步總結并輸出自己的收獲。課堂中的對話與討論使學生將教學目標的知識點吸收內化，積極參與、主動參與課堂的討論環節才有成效；教師作為外部力量在學習過程中激勵學生，強調學生積極看待自我的能力，內外共同作用提升學生的學習過程效益。

教師作為課堂討論的助手，是學生學習的引導員。首先，分組討論的內容需要教師精心準備，布置的任務內容緊扣教學目標。其次，在整個討論過程中，教師要細致地觀察并對學生的發言及對話給予肯定和引導。教師的激勵會對學生的學習行為形成外部強化；合理的引導將學生的思考方向導向課程的目標內容。最后，教師要觀察并記錄學生思考問題的角度以及學生對于專業內容的關注點、興趣點，進行課后反思，從而在自己以后的課堂教學中加以應用，及時改進、及時反思，形成以目標為導向、持續改進教學模式的良性循環。

3.2 “學而時習之”：觀察與分析（以目標為導向）

翻轉式課堂教學以學生為中心，可以提高學生的學習主動性與學習興趣，但是由于教學資源有限、課程學時限制和課程內容本身的專業性等原因，工程類專業課程仍將以教師講授為主，因為知識傳遞最有效的方式就是講，傳統教學在這個環節上是有效的，也是唯一有效的[7]。因此，工程教育認證下鋼的熱處理原理與工藝課程的改革重點在于如何以目標為導向進行教學設計。《論語》在開篇就提到“學而時習之，不亦說乎？”，學到的東西要時常練習、實踐。那學到的是什么呢？是知識。如果一門心思只學知識，而不想著如何讓學到的知識服務于自己，服務于社會，造就的無疑是一些“閉門造車”“紙上談兵”的書呆子和百無一用的書生。因此，“習”才是“學”的最終目標，這一點和工程教育認證的教育理念是一致的。

課程大綱中支撐畢業要求的三個指標點均涉及鋼的制備和服役工程問題的解決及改進。講課過程中通常需列舉很多實際生產中鋼的熱處理工藝及服役的例子，如果只采用教材中的例子，學生在學習的過程中首先要熟悉該實例，包括工藝、條件、環境等，然后再和課程目標內容去結合、對應，這就增加了學生學習的認知過程，很有可能在某個環節跟不上或者開小差，教學效果較差。如何才能引起學生對生產實例的共鳴并產生學習的興趣呢？

首先，實例要與學生的日常生活、金工實習、生產實習和綜合實驗等實踐活動相結合，學生對這些實例中的材料、條件或性能等某一方面是了解甚至是熟悉的，先引起學生的興趣，然后再聯系課程目標展開講解，理論聯系實際，能讓學生更好地理解并引起共鳴。

其次，實例要結合大國重器與“卡脖子”清單，大國重器是中國自發研制的具有世界領先水平的科技、工程裝備，其中有一部分涉及金屬材料制備和服役工程問題，將相關視頻內容剪輯并在課堂中播放，讓學生更加直觀地認知自己所學的專業對社會及整個國家的作用及貢獻，不僅能夠增加學生學習專業知識的興趣，更能激發青年學生的愛國熱情。

例如，第三集“通達天下”中講述了用于打造新一代泵車86 米超長泵車臂架的高強鋼板的制備過程，通過一道重要的熱處理工藝將400 MPa 的普通鋼板加工成1 800 MPa 的高強鋼板。在熱處理過程中，加熱速度、加熱溫度、冷卻液速度和流量等參數均需要精準控制，這些都是工程師團隊經過上千次的試驗，不斷改進設備以及不斷調整參數才獲得的寶貴經驗。通過對這個例子的講解及分析可以達到教學目標：特定需求的金屬材料復雜工程問題的方案設計，以及結合相關專業理論對金屬材料研究過程中發現的問題進行分析。《科技日報》的報道中列出的“卡脖子”清單，如表2所示，其中有許多和金屬材料相關，也可以激發學生的求知欲望和自我探索意識。

表2 《科技日報》報道中列出的“卡脖子”清單

在講授過程中，教師要明確教學目標，堅持目標為導向的習與學相結合的教學設計及教學方法，課堂實踐加課后反思，及時改正錯誤與不足，改善課堂教學效果；同時隨時隨地地提醒自己跟上時代步伐，緊跟科技進步的腳步，始終將科技、工程進步與課程目標相結合。

3.3 “溫故而知新”：對比與總結（以持續改進為機制）

子曰：“溫故而知新，可以為師矣。”這句話的意思是：在溫習舊的知識時，能有新的收獲，就可以當老師了。事實上對待新的事物，人們總會用自己已有的知識和經驗來解釋，舊的知識是學生理解和掌握新的知識的基礎。如果教師將所要講授的知識跟學生已有的知識和經驗進行連接，就會消除學生對于未知的畏難情緒，激發學生解決問題的探索欲。在解決問題的過程中，學生在舊的知識基礎上進行拓展、延伸和總結，便升級為新的知識，從而完成屬于自己的知識建構。

激勵學生、調動學生激活已有知識和經驗的最好的辦法就是提問。給講授的重要內容匹配適當的問題，用問題引導學生思考，激發學生用已有知識分析問題，進行總結，而答案就是原本要講的一點一點的目標內容。也可以設計連環型問題，一步一步地將學生的思考引向目標內容。比如在講解鋼在淬火處理后的硬度時，以不同含碳量的鋼淬火后的硬度曲線圖（如圖1所示）提出問題。3 條曲線分別是經過三種不同處理工藝獲得的鋼的硬度曲線，曲線1 是在高于Ac3及Accm單相區加熱淬火后冷處理；曲線2 是亞共析鋼在高于Ac3、過共析鋼高于Ac1加熱后淬火；曲線3 是在高于Ac3及Accm加熱后淬火。首先讓學生進行觀察：隨著含碳量的增加，鋼淬火處理后的硬度是如何變化的。在觀察的過程中學生會有各種各樣的疑問，而教師要通過提問將學生的思維匯集在一起。要求學生從3 條曲線的變化規律中找出相同之處和不同之處。可以針對相同與不同引出兩個問題。為什么不同的淬火工藝得到的硬度曲線是相同的？是什么原因造成了同一含碳量的鋼經不同淬火處理后獲得了不同的硬度？依次討論這兩個問題，通過激活學生關于馬氏體相變中成分、組織和轉變特點等已有知識分析問題產生的原因，獲得淬火工藝對于材料性能的影響規律。從而達成教學目標2 的掌握影響工件熱處理性能的關鍵因素，以及教學目標3 的識別和預判不同熱處理工藝過程中可能出現的缺陷，利用固態相變的基本原理和規律，結合鋼的成分、組織、工藝和性能之間的關系分析原因。

圖1 不同含碳量的鋼淬火后的硬度及碳含量與殘余奧氏體量的關系

通過問題提出、激發舊知、分析問題、總結歸納，從而獲得新知，在此過程中同樣可以提煉解決問題的方法，并將解決問題的方法拓展到其他相似的情況來解決大量相應的問題。在遇到復雜問題時，也能夠通過對比的方式提出新的解決方案，實現創新。學生在對比與總結過程中持續學習；教師對本輪教學過程中的教學設計、教學方法進行反思并改進，持續指導下一輪教學過程。

3.4 “學如不及，猶恐失之”：網絡平臺主動探究

孔子講到學習的態度問題時說，“學如不及，猶恐失之”。真正有志于學的人，應當有著唯恐學不到、唯恐學不會的緊迫感。事實上，確實有一部分學生既有勤奮的學習勁頭，也有著探尋新知的迫切心情。當學生在作業或復習過程中有疑問或者想要超前學習時，可以隨時到課程的網絡平臺，觀看相應章節的視頻，或者找老師當面解決，這樣既能提高學生的學習效率又能節省時間。而對于一些學習能力相對較差的學生，在課堂上有未理解、未吸收的內容，在課后也可以通過觀看教學視頻復習并鞏固。因此，建立鋼的熱處理原理與工藝網絡平臺是必不可少的。

視頻教學內容側重教學難點中的理論基礎及原理和規律，每一個知識點至少匹配一個與課堂教學內容相關聯的具體的實踐工程應用。同時在網絡教學內容中添加一些拓展內容，為一部分學生提供更多的學習與探索的模塊，這部分內容還有待進一步思考和完善。

4 考核方法的改進

在工程教育專業認證體系中，培養目標不再是傳統畢業時的要求，而是學生畢業五年時達到的實際工作能力，培養方案、課程大綱、課程體系、教學內容等都依據畢業要求制定，相應的課程考核環節也要改進。本課程一個重要的目標要求就是培養、提高學生分析解決工程實際問題的能力。因此，課程考核也應按照這個思路展開，指導學生從被動學知識轉向學以致用。

為了加強對學生學習過程的監督管理，課程考核應打破以往單一的筆試和考勤評定成績的方式，對平時課堂討論、實驗、課后作業等教學過程都按環節賦分，結合期末考試給出綜合成績。鋼的熱處理原理與工藝課程考核由課堂測試、小組討論總結報告和結課考試三部分組成。課堂測試可以隨堂通過網絡平臺直接發布，測試結果不僅可以判斷教學過程中課程目標內容的達成情況，而且便于對下次課程的教學內容進行調整。整個課程進行的幾次翻轉課堂小組討論情況及小組討論總結報告也作為一項考核內容，個人成績由小組組員互評的個人貢獻率加和乘以項目小組總結報告成績獲得[8]。最后一項考核為結課考試，為了突出工程認證的能力培養目標，試卷考題應注重專業知識、應用知識、解決問題能力的綜合。課堂測試、小組討論總結報告和結課考試三項考核相結合不僅可以監督學生學習的過程管理，同時契合畢業指標要求，這樣多元化的評價方式在真實考查學生掌握課程基本原理、基礎知識的同時，也實現了培養具有工程應用能力人才的目的。