工程材料基礎課程線下多維度教學模式探究

孫巧艷　鄭巧玲　高圓　王繼平　李燁飛

[摘 要]根據教育部一流本科課程建設實施意見的“兩性一度”標準，工程材料基礎課程開展了教學方式的改革和探索，致力于提高人才培養質量。本課程實施了研究性學習和拓展性學習，從多維度改革教學方式，指導學生開展了中性筆筆尖材料的組織與成分分析研究性學習，培養學生解決復雜問題的能力，同時引導學生勇于實踐探索，克服畏難的心理。通過拓展性學習，讓學生閱讀文獻和查閱資料，拓展學生的知識領域和視野;通過了解鐵碳相圖的發展歷史，讓學生從歷史唯物主義的視角了解材料學科重要理論的發展歷史，體會人類智慧的積累和沉淀歷程;從我國重大工程建設項目學習各類材料的實際應用，強化學生理論聯系實踐的科學思維，增強學生的民族自豪感和建設社會主義強國的熱情。

[關鍵詞]一流課程;研究性學習;拓展性學習;人才培養

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0105-04

課程是人才培養的核心和關鍵，高質量的課程為高質量的人才培養提供了堅實的保障。進入21世紀以來，我國科技發展對優秀人才的需求更加迫切，高等教育和課程建設備受重視，國家先后推行了精品課程、精品資源共享課等相關建設項目，高等教育人才培養水平得到提升。

2019年10月，教育部高教司下發《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號）（以下簡稱《實施意見》），明確一流課程的標準是高階性、創新性和挑戰度，即“兩性一度”?！秾嵤┮庖姟诽岢隽嗣鞔_的一流本科課程建設目標，旨在“全面開展一流本科課程建設，樹立課程建設新理念，推進課程改革創新，實施科學課程評價，嚴格課程管理，建立教授上課、消滅“水課”、取消“清考”等硬規矩，夯實基層教學組織，提高教師教學能力，完善以質量為導向的課程建設激勵機制，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系。經過三年左右的時間，建成萬門左右的國家級和省級一流本科課程（簡稱“雙萬計劃”）”，引導和鼓勵教師根據“兩性一度”的標準對課程內容、課程資源、教學手段等進行梳理和重構，圍繞培養創新型人才開展全方位、多維度的教學改革和課程建設工作[1-4]。

根據課程目標和培養要求，教師進行多維度設計教學環節，取得了顯著成果[5-7]。筆者探索了研究性學習和拓展性學習等學習方式在工程材料基礎教學中的應用和效果。研究性學習一般基于具體研究任務，安排學生課外開展實驗或調查研究，通過對數據整理和分析最后得出結論[8]。拓展性學習由芬蘭教育學家恩格斯托姆提出，是一種多維度的學習理論，將多種層面的學習行為整合。在當今經濟與技術高速發展，人才需求多層次的情況下，拓展性學習更能滿足當前社會轉型與個體發展的需求，為國家培養優秀人才[9]。

工程材料基礎課是西安交通大學的公共基礎課，授課對象為大機類專業的本科生。本課程主要為本校大機類本科生講授材料基礎理論和工程應用的典型材料的性能特點，使學生掌握材料成分—工藝—結構—性能的內在關系，具備基本的選材知識，了解典型工程材料實際應用情況，為學生提供材料專業的知識儲備，幫助其解決未來工作中遇到的相關材料問題。工程材料基礎堅持貫徹教育部的文件精神，重視課程建設，成果顯著，曾獲得國家精品課程（2009）、國家精品資源共享課（2014），2019年本課程在線課程已在中國大學MOOC平臺上線運行，2020年獲批國家一流在線課程。

本課程對照國家一流課程“兩性一度”的基本要求，堅持以學生為中心的教學理念，以培養學生能力為目標，引導學生開展研究性的實踐探索和拓展性的學習，取得了顯著的教學效果。

一、工程材料基礎課程研究性和拓展性學習及效果

（一）揭示圓珠筆筆尖材料的“秘密”，培養學生勇于探索和理論聯系實際的科學素養

1.研究性學習內容的確定

2016年媒體曝光了我國圓珠筆筆尖材料尚依賴進口，這一消息刺痛了無數國人，2016年的“兩會”報道了圓珠筆筆尖材料的國產化制造問題。這則新聞事件為工程材料基礎課程的教學提供了一個很好的研究性學習案例。學生對圓珠筆非常熟悉，研究圓珠筆筆尖材料沒有違和感。

仔細觀察一支圓珠筆或者中性筆，如圖1所示。圓珠筆用的材料主要是高分子材料，比如筆桿、筆芯等，金屬材料用于筆尖、尖套，筆尖的球珠是不銹鋼或者硬質合金，目前使用更多的是硬質合金球。圓珠筆的關鍵部位是筆尖，筆尖包括一根金屬針管和一顆球珠，筆尖質量的好壞決定了圓珠筆是否好用。本課程選擇圓珠筆尖材料組織與性能分析作為開展研究性學習的內容，主要考慮以下幾個方面：（1）材料獲取容易。學生天天用圓珠筆，收集用過的舊筆芯若干，就可以作為研究材料。（2）探究內容與課程內容相符。本課程的主要內容是金屬材料，圓珠筆尖（不包括球珠）屬于金屬材料，與課程內容相符。（3）探究過程與課內實驗內容關聯程度高。要求學生觀察分析圓珠筆筆尖金屬的微觀組織，測試其硬度，并分析成分，涵蓋了2個課內實驗內容，研究性學習的總體要求高于課內實驗，學生能得到充分的鍛煉。對于圓珠筆筆尖材料分析研究性學習，設計流程如圖2所示。

研究性學習的組織過程如下：教師在課堂布置選題，學生自由申報，教師根據學生報名情況分組（2～3人一組），指定專門教師進行實驗指導和儀器操作培訓，學生在教師的指導下獨立完成學習任務，在課程結束前在班級用PPT匯報學習的結果，具體實施過程如下。

（1）準備材料：學生收集常用品牌的中性筆筆芯，取下筆尖金屬，完成實驗材料的準備。

（2）制備金相樣品：學生要接受金相樣品制備培訓和金相顯微鏡的使用培訓，能夠獨立制備金相試樣和使用金相顯微鏡，并根據學習的需要制備觀察組織的金相樣品。對于中性筆筆尖，筆尖的形狀不規則而且尺寸小，不易手持磨樣，需要在教師的指導下鑲樣，再按照金相樣品制備方法在砂紙上完成粗磨、細磨、拋光和腐蝕。

（3）組織觀察：學生學會使用金相顯微鏡，在金相顯微鏡下觀察中性筆筆尖金屬腐蝕前后的微觀組織形貌。

（4）在教師協助下用掃描電鏡的能譜測試了筆尖金屬的成分，在維氏硬度計上測試了合金的硬度。

（5）學生總結研究性學習結果，準備匯報PPT。

（6）學生在課堂上匯報學習結果，進行師生互動和討論。

2.學生取得的研究性學習的結果

圖3 是學生對常用某品牌中性筆筆尖金屬材料組織、成分與性能研究的結果以及學生匯報交流情況。圖3（a）、（b），筆尖微觀組織具有加工態組織特征，晶粒為拉長形狀，組織中有含硫夾雜物;圖3（c）為能譜測試結果，該金屬是易削不銹鋼，主要成分是Fe、Cr、Ni、Si等元素;圖3（d）、（e）則表明中性筆的球珠為含WC的硬質合金;圖3（f）是學生在課堂上匯報了中性筆尖材料的研究結果，并與同學們開展討論。

3.研究性學習提高了學生解決復雜問題的綜合能力，能促進高階思維的培養

國家一流課程的高階性要求課程目標堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。本課程突破課堂教學的單一模式，改革學生被動學習和被動接受知識的模式，結合社會關注熱點材料，選擇與課程內容切合緊密的中性筆筆尖材料研究，引導學生開展研究性學習。這個研究性項目的開展使學生克服了畏難情緒，增加了學生勇于實踐探索的勇氣。參與研究性學習的學生這樣表達了自己的收獲：“好多事情不做就從來不知道會做得怎樣。在剛開始接觸金相制備的時候。我感覺這真的很難，開始拋光的時候其實自己內心非常懷疑，一張絨布咋能把金屬磨光啊，1個試樣要拋1個多小時才行。后來自己慢慢熟練后，也可以40分鐘制備好一個試樣了?，F在想想，從當初的懷疑和生疏，到現在的自信和熟練，差的就是做，不敢做、不去做永遠不知道自己行不行?！?/p>

（二）引領了解學科前沿，體會傳承與創新

為了突出本課程的創新性，本課程在教學內容中引入學科前沿成果的新規律和新現象，讓學生體會傳承與創新的關聯。針對碳鋼這一重點教學內容，我們設計了兩個探索性題目：一個題目是含碳量對碳鋼的強度和塑性的影響規律是否可以突破？另一個題目是從鋼中的碳元素到當前的碳材料。這兩種題目需要學生查閱文獻資料，總結和整理。

1.了解學科前沿成果，體會傳承與創新

鋼鐵是人類社會廣泛使用的金屬材料，在國民經濟建設中發揮著舉足輕重的作用。人們對鋼鐵材料的研究也最為深入和系統。關于含碳量對碳鋼性能的影響規律已經非常明確和系統：隨著含碳量的增加，強度先增加后降低，強度的峰值對應的含碳量在0.9～1.0%（wt.）范圍，而塑性隨著含碳量的增加而降低。但是實際上，近年來材料工作者已經找到了突破這種含碳量對強度和塑性影響的倒置規律，其研究結果表明，在一種特殊熱處理工藝下（淬火—分配—回火，QP&T），隨著含碳量從0.2%增加到0.4%，碳鋼的強度增加，其塑性也呈現增加趨勢。

學生根據教師布置的題目自行查閱文獻，并基于對材料理論和知識的理解，整理文獻報道的研究結果，用PPT在班級進行匯報和討論。課程組認為這是一個很有啟發的拓展性學習案例（見圖4），是對課本上的知識和規律的有力補充。根據這個案例，需要給學生傳達的信息是“課本的知識是對的，但不是絕對的”，進一步啟發學生不要受到已有知識框架和體系的約束和限制，可以根據實際技術需求進行突破和改變，這個環節有助于培養和強化學生的創新意識。

2.查閱資料，拓展材料知識體系和領域

碳鋼是鐵和碳形成的合金，碳元素是鋼鐵材料的重要元素之一。本課程讓學生以鋼中的碳元素作為出發點，查閱資料，進一步了解當前熱門材料——碳材料，拓寬學生的視野。引導學生通過文獻調研，充分認識當前備受關注的碳材料，比如石墨烯、碳納米管和富勒烯等碳材料，了解這些碳材料在半導體、能源電子行業具有極大的應用潛力，拓展學生的知識面。這個環節的目的是豐富學生的材料知識，因為課程學時有限，沒有足夠的時間對當前的熱點材料進行詳細介紹，但是我們認為學生應該對碳基材料有所了解。如何將碳材料和課程內容銜接呢？本課程以碳為 “橋梁”，為學生設計了從鋼中碳元素到碳材料的拓展性學習，學生針對目前的各類碳材料的文獻進行總結。為了提高學生的興趣，讓學生了解自己熟悉的物品（比如硬幣、圓珠筆等）實用的材料，我們讓學生通過查閱資料將總結整理成書面報告。學生提交的書面報告如圖5所示。

（三）回溯材料學科基礎理論起源與發展，體會人類智慧結晶的歷程

本課程的重點內容之一是Fe-Fe3C相圖，這是鋼鐵材料熔煉、加工與熱處理的根本指導理論。但是我們現在看到的完美的Fe-Fe3C相圖是怎么一步一步被人類發現的？哪些科學家為此作出了貢獻？要了解這些信息，需要學生閱讀冶金史的資料，了解鐵碳相圖發展歷史，獲知鋼中特定組織名稱（奧氏體、馬氏體等）的由來，這對于學生了解課程知識具有積極的作用。這種拓展性學習對學生來說，屬于綜合性比較強的訓練，有一定的難度，需要學生“跳一跳夠得著”。本課程設計了“探尋Fe-Fe3C相圖的發展歷史”的學習題目，以課外拓展性學習的形式讓學生完成，并提交學習報告。學生通過鐵碳相圖發展歷史的回溯，體會到科學的發展歷程以及重要科學家的貢獻。這個過程讓學生了解科學規律的發現過程不是一帆風順的，有坎坷也走過彎路，但是只要堅持真理，不斷繼承和創新，揭示學科的客觀規律和真理，就能服務和造福人類社會。這些拓展性學習有利于幫助學生樹立科學觀。

（四）引入“港珠澳大橋”超級工程，理論與實踐相結合

工程材料基礎課程是一門工程背景很強的課程，課程中所講的每一種材料都有明確的工程應用。2018年建成通車的港珠澳大橋為本課程提供了很好的教學案例。大橋使用的材料主要是金屬材料，尤其以鋼鐵、鋁合金為主，其次還有高分子材料、復合材料的典型應用。本課程設計了拓展性學習，讓學生查找文獻資料，總結港珠澳大橋使用材料的種類和具體應用。從學生提交的報告來看，學生完成情況良好。首先是鋼鐵材料的應用，學生通過查閱資料，了解到為港珠澳大橋提供鋼材的國內的鋼鐵公司，同時體會到在華南沿海地區建造跨海大橋，要克服海洋氣候腐蝕的困難，因此使用了耐候鋼和不銹鋼，這種材料具有耐腐蝕性能，能滿足當地環境的耐腐蝕要求，而且成本比不銹鋼低。其次，為了解決大橋門窗被海水腐蝕的難題，選擇了鋁合金，這種鋁合金經過特殊表面處理，具有“自潔”性能。此外，高分子材料和復合材料在大橋的橋梁支座、人工環島躍浪溝、高性能繩索和消振護舷方面有重要的應用。

通過讓學生對港珠澳大橋使用材料的調研和總結，一方面加強了學生理論知識與工程應用的聯系;另一方面，讓學生對港珠澳大橋建設工程及其重要性有了更深的了解，讓學生為我國橋梁工程的技術成就感到自豪和驕傲，提升了學生的民族自豪感，堅定了學生的“四個自信”。

二、結語

針對一流課程的高階性、創新性和挑戰度的總體要求，工程材料基礎課程探索了創新型的教學方式，根據課程內容及其特點，引導學生開展研究性和拓展性學習，以提高人才培養質量。通過指導學生對圓珠筆筆尖材料的組織、成分的研究，使學生理論聯系實際，勇于實踐與探索。本課程引入學科前沿的新規律和新現象，引導學生接觸學科前沿，了解熱點材料，拓寬學生的材料知識領域和視野，培養學生的創新性思維;并針對Fe-Fe3C相圖，引導學生開展相關歷史文獻的閱讀，讓學生了解學科知識理論建立與發展的過程，體會人類智慧的積累沉淀歷程，使學生養成尊重歷史和崇尚科學的科學觀。此外，對港珠澳大橋使用的結構材料的調研和總結，強化了課本理論和工程應用的聯系，使學生深入了解我國橋梁建設工程與技術發展的成果，增強了學生的民族自豪感，堅定了學生的“四個自信”。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]