知識、能力和素質多元共培的金屬學與熱處理課程教學研究

摘" 要：金屬學與熱處理是材料成型與控制專業的核心課程，在“新工科”建設、“兩性一度”金課標準、課程思政和工程教育專業認證的指導下，建設科學化和合理化的教學模式，實現學生知識、能力和素質的多元均衡發展，成為持續提高教學質量和育人成效的關鍵?；诖耍恼聫慕虒W團隊、教學內容、教學方式、考核方法等方面提出了金屬學與熱處理課程改革思路和方法，以期為課程的高質量建設和本科生知識、能力和素質的多元共培提供參考。

關鍵詞：金屬學與熱處理;教學研究;課程思政;專業認證

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）23-0111-04

一、研究背景

我國是世界上最早發明和使用生鐵的國家，早在春秋初期已經掌握了人工冶鐵技術，用以制造生產和生活用具，到戰國到西漢時期，鋼鐵兵器已逐漸興起。近代，我國傳統金屬材料及其冶煉技術發展較為緩慢，而西方國家在工業革命的影響下，冶金和制造技術迅速發展。在各種各樣的金屬材料中，鋼鐵約占據了整個結構材料中的70%，被譽為國民經濟的脊梁，鋼鐵產量一度成為衡量一個國家工業水平和生產力水平的主要標志。1949年以來，我國將鋼鐵產業作為重點發展對象，經過六七十年的刻苦攻關，實現了鋼鐵工業的崛起。目前，我國已連續多年成為全球最大的鋼鐵生產國，為國家經濟發展和社會主義現代化建設提供了重要支撐。也正是在這一階段，我國較多高等院校都開設了金屬學科，并從中獲得長足發展，成長為材料學學科的重要組成部分。[1]

時至今日，金屬學與熱處理課程已成為金屬材料方向的重要課程之一，也是高校材料成型與控制工程專業的核心基礎課程。各高校的教學內容大致相同，主要涵蓋了金屬的晶體結構、鐵碳合金，金屬與合金結晶與相圖、塑性變形與斷裂、回復與再結晶，鋼的熱處理原理與工藝、工業用鋼、鑄鐵和有色金屬及合金。旨在剖析金屬材料的力學性能與其微觀組織結構的聯系，使學生系統掌握金屬學基本原理、掌握金屬組織特點及其控制規律、掌握熱處理工藝對金屬微觀組織和宏觀機械性能的影響規律，進而指導金屬及合金的生產工藝設計。該課程具有內容繁多、概念抽象、知識分散、理論性和實踐性兼具的典型特征，學生學習難度和教師教學難度都較高。教師教學往往依賴教材、PPT演示和板書開展課堂理論教學為主，填鴨式教育痕跡明顯，學生被動接受認知，主動學習欲望不高，難以培養學生的創新思維和工程意識。課程教學內容較為固化，主要圍繞上述理論學習展開，金屬材料的研發動態、科技成果和實際應用及需求等內容相對欠缺，這與高速發展的金屬材料科技創新脫節，導致學生的知識、能力和素質培養存在失衡。[2]

中國高等教育已經進入了一個新時代，如何通過課程綜合改革，實現知識、能力和素質的多元共培，提高課程質量和人才培養質量，全面振興本科教育，已成為金屬學與熱處理課程教學亟須解決的問題。近年來，“新工科”建設、“兩性一度”金課標準、課程思政和工程教育專業認證等的提出和實施，為新時代金屬學與熱處理的教學工作提出了更高的要求，也為課程改革提供了很好的歷史機遇和改革方向?；跁r代賦予金屬學與熱處理課程的使命，文章立足本科生知識、能力和素質的全方位培養，提出了從教學團隊、課程內容、教學方式、考核方式全方位變革和重構的舉措，總結課程改革后的成效和經驗，為金屬學與熱處理課程教學改革提供參考。

二、金屬學與熱處理教學改革舉措

（一）打造優質教學團隊

任課教師是課程建設和授課的第一責任人，持續提升任課教師的教育理念和教學能力，創新教學方法，打造優質教學團隊，是課程建設和改革的重要基礎。[3]團隊在原有教學團隊的基礎上持續引入具有海外留學經歷、在教學科研一線工作的年輕教師擔任理論主講教師，借鑒國外先進教學理念;引入專職實驗員擔任實驗主講教師，提高課程實驗教學質量。團隊現有核心教師7人（其中教授4人、副教授2人、實驗員1人），分工合理、職責分明。團隊定期參加一流課程建設經驗交流會和技術培訓會，積極開展教學研討會，探討課程內容和教學方法，交流教學心得和體會，持續提升團隊的業務能力。學校可以適時邀請企業工程師進課堂，開展“工程專題教學”，提升團隊的工程思維;邀請金屬材料領域資深研究學者進課堂，開展“學術專題教學”，提升團隊的創新能力。

（二）建構豐富教學內容

教學內容是課程建設和改革的載體和具象化，基于“新工科”建設、“兩性一度”金課標準、課程思政和工程教育專業認證等打造教學內容，是本次教學改革的核心。課程在原有教材所述的理論知識學習內容基礎上，恰如其分地豐富課程思政、課程實驗、學科前沿和工程應用等內容，旨在夯實學生基礎知識的基礎上，加強其能力和素質培養。

理論課程是教學內容的核心，也是夯實學生基礎知識的重要環節。團隊深度優化教學內容，構建了“金屬材料晶體結構—凝固結晶—相結構和組織結構—熱處理—性能—工業用鋼”為主線的課程教學體系，重點講述晶體的缺陷、純金屬結晶規律與機制、二元合金的結晶規律與相圖、鐵碳合金、金屬與合金的塑性變形機理、退火過程中的結構和組織演變規律、鋼的熱處理原理、熱處理工藝及其對金屬組織和性能的影響規律，以及工業用鋼的化學成分、熱處理方法和應用案例。理論課程教學旨在讓學生熟練掌握金屬學與熱處理的基本概念和原理、金屬組織特點及固態相變原理、金屬材料的宏觀力學性能與微觀組織的構效關系、最終能靈活運用金屬學與熱處理的基本理論綜合分析金屬材料中的基本問題。

課程思政是教學內容的重要組成部分，也是全程育人、全方位育人教育教學目標的重要支撐。[4]團隊深入挖掘與金屬學與熱處理教學內容相關的思政元素。如鋼鐵熱處理的發展歷史及其對社會、經濟、環境的影響，增強專業認知;我國在金屬學與熱處理中的突出成果、大國工匠和學術大師，增強民族自信和專業自信;我國先進金屬材料在國民生活生產和軍事國防中的應用與“卡脖子”難題，引導學生樹立材料強國和科技報國之志;依托“學術專題教學”介紹金屬材料研發的國際知名團隊，分享團隊合作模式和優秀案例，增強學生的團隊意識等。打造課程思政案例集，力爭將課程思政貫穿于教學的整個環節，在傳授知識的同時對學生進行思政鑄魂，實現思政元素與專業知識的同向同行。

課程實驗是理論聯系實踐的重要橋梁，也是將抽象概念具象化、提高學生理解和掌握知識的重要手段。[5]團隊圍繞金屬學與熱處理的理論教學內容，設計和建設了金屬材料的金相制備與觀察實驗，觀察對象涉及純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、白口鑄鐵、灰口鑄鐵等12種材料;設計了金屬材料的熱處理工藝實驗，包括退火、正火、淬火（油淬和水淬）和回火工藝;設計了金屬材料的拉伸實驗和沖擊實驗，了解拉伸和沖擊的實驗原理和數據處理方法，以及拉伸和沖擊對材料組織結構的影響規律;設計了金屬材料的硬度實驗，了解硬度測試原理和方法，分析碳含量和熱處理工藝對材料硬度的影響規律。團隊還為有興趣的學生提供課程實驗之外的實驗條件和平臺，鼓勵學生前往金屬材料研究團隊了解甚至開展相關實驗，如表面淬火、熔融旋甩、滲碳滲氮、激光表面處理等實驗過程。組織學生參與競賽，通過以賽促學，提高學生的動手能力和創新能力。

學科前沿的融入是豐富教學內容的重要手段，也是激發學生研究熱情，提高學習興趣和創新能力的重要途徑。[6]金屬學與熱處理相關科學研究發展迅速，其內涵不僅包括對現有理論知識的豐富和發展。如位錯運動和增殖的直觀觀測;鋼中碳化物的直接形核生長機制;金屬材料在極端條件下的凝固新機理;金屬韌脆轉變機理;金屬材料的異常應變硬化等;還包括金屬材料的研究新技術，如基于機器學習的金屬材料性能預測技術、塊體納米金屬材料的等徑角擠壓變形技術和高壓凝固制備技術、3D打印成形技術和電子束淬火新技術等;也容納了金屬材料種類的豐富和應用領域拓展。如高熵合金及其在催化、耐腐蝕、耐高溫、生物醫用、儲氫、軟磁等領域的應用;大塊非晶材料及其在消費電子、精密加工、空間工程和航天軍用等領域的應用。更重要的是，可以將學科前沿設置為課后調研內容，需要學生通過圖書和文獻查閱、專家咨詢等方式完成，提高課程的挑戰度，豐富學生的見識。

工程應用是本課程教學目的的最高要求，體現了學生對課程內容的掌握程度以及將課程內容用于解決實際工程問題的能力。[7]團隊在工業用鋼和有色金屬課程內容講述之外，將國家重大戰略需求性金屬材料納入教學過程中，如“空間金屬”鈦合金材料、“國防金屬”鎂合金、“工業牙齒”鎢合金等。結合“工程專題教學”，使學生了解實際工程應用對金屬材料綜合性能的具體要求，以及工程用金屬材料較課程教學金屬材料的先進性及其實現手段。在此基礎上，設計工程應用場景，如跨海大橋、船舶、汽車、人工骨骼、鉆頭等，引導學生依據自身興趣和愛好，組織團隊并思索特殊工程應用場景對鋼鐵材料的性能要求，以及滿足上述性能要求的金屬材料種類及其成分和微結構特征，并自行設計可能的熱處理工藝，形成討論報告。進而充分調動學生的創新能力和綜合運用理論知識的能力，提升工程科研思維和解決實際工程問題的能力和素質。[8]

（三）創新改善教學方法

合理的教學方法是調動學生學習興趣和提高教學質量的關鍵。隨著教學內容的豐富和完善，線下教學模式受限于學時、場地和空間等因素，難以平衡知識、能力和素質的多元培養并達到理想的教學成效。因此，團隊基于學習軟件探索了線上線下混合式教學方法，[9]擺脫學時、場地和空間等因素的束縛，構建集線上教學、課堂教學和課后實踐于一體的教學模式，提升教學成效。

線下教學主要依據課程教學體系打造完善的理論課程教學內容，其教學模式與常規線下教學并無二致。團隊選定適用的教材——哈爾濱工業大學崔忠圻和覃耀春教授主編的《金屬學與熱處理》，并制作知識講授用PPT，通過教師的課堂授課完成知識點的解析和傳授。

線上教學主要依賴學習軟件，通過建設線上教學數據庫開展：1. 充分利用網絡資源，將中國鋼鐵發展史、棟梁之才—百變金剛、中國速度、黃河重大國家戰略中的“鋼鐵力量”等網絡和視頻資源用作課程思政元素，實現“說教—服從”到“體驗—反思”的思政教育升級;2. 制作和整理了金屬結晶和凝固、位錯的運動、再結晶、原子擴散、晶界移動、鋼的熱處理原理以及熱處理工藝、競賽作品集等的動畫或視頻，將抽象概念轉變為直觀印象，活化知識演繹;3. 制作和整理重點、疑難點教學內容的講解視頻，化整為零，讓學生可以利用碎片時間在課后反復學習和思考;4. 將學科發展前沿和工程應用相關的論文、視頻、新聞等打造成線上教學資源，引領學生自主學習金屬材料科學的科技進展，增強自主學習能力和科創思維;5. 引導學生達成課前、課中和課后學習要求，并通過學習軟件記錄學生學習情況。

在課程教學過程中定期設置討論課題并安排小組討論，以問題牽引啟發學生自主思考，充分發揮學生的主觀能動性。如思考當前教學內容與之前教學內容甚至其他課程相關知識的聯系，引導學生階段性回顧所學知識并思索課程知識點之間的內在聯系，厘清知識點之間的內在邏輯關系，繪制知識體系脈絡，解決知識點零散繁多，學生只能死記硬背，難以深刻理解和靈活運用的難題。

在課后設置學科前沿和工程應用相關的“大作業”，如各種特殊應用場景對鋼鐵材料性能需求及其解決方案。讓學生通過文獻查閱、網絡閱讀和專家咨詢等方式完成作業，并形成演講材料，提高課程學習的挑戰度，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。隨后安排演講與辯論等交流環節，在鍛煉學生知識綜合運用水平與拓展學生知識覆蓋面的同時，提高學生的實踐能力、團隊協作能力、溝通交流能力和語言表達能力。[10]

（四）優化完善考核方式

教學內容和教學方法的改變也促使了教學考核方式的更新，前期的考核主要依賴期末考試，學生突擊學習和死記硬背的現狀較為普遍，對課程內容的掌握停留在表象，既難以真實反映學生的學習情況，也無法充分展現學生的綜合能力和素質。團隊將單一的知識考察拓展至知識、能力和素質的綜合考察的模式。降低期末考試成績在總成績中的占比（60%），將實驗實踐、線上學習、課后調研/討論報告成績計入總成績（成績占比為40%）。該方式將教學的整個環節納入了考核范疇，進而全面考查學生的知識、能力和素質，真實反映教師教學效果和學生綜合能力。

三、金屬學與熱處理教學改革成效

課程改革后，學生在整個學習過程中的積極性、主動性和參與度明顯提升，課堂活躍度高，學習效率大幅提升，對知識點的理解更為透徹，課程成績優秀率大幅提升，無不及格現象。學生樹立了材料強國、科技報國之志，對學科和專業的認知更為清晰，認可度顯著提高。學生創新能力、工程科研思維和運用知識解決實際問題的能力得到了很好的鍛煉，自我效能感較高。學生對教師教學的肯定性和滿意度也明顯提升，教學評分優異。此外，學生積極參與競賽，并獲第十屆全國大學生金相技能大賽一等獎、第十屆全國大學生金相技能大賽團體一等獎等獎項，動手能力、實踐能力和創新能力得到了明顯的鍛煉。通過本教學改革，學生的知識、能力和素質得到了全面發展，更加符合高等院校人才培養的高標準和高要求，可以更好地服務國家和社會的需求。金屬學與熱處理課程的教學內容和模式更趨科學化和合理化，能夠更加滿足“新工科”建設、“兩性一度”金課標準、課程思政和工程教育專業認證等的要求，更好貫徹落實立德樹人根本任務。

參考文獻：

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（責任編輯：邵秋露）