竞争学习教学模式在工程材料实践教学环节的研究与实践

邓希光 冯长杰 王赫男 农智升 满田囡

（沈阳航空航天大学 辽宁沈阳 110135）

力学性能在对理工科大学生的培养过程中，实践教学是对其工程知识、方案设计能力、实际操作能力以及分析总结能力进行提高和塑造的重要环节。高等教育中的实践教学环节主要包括课内实验、毕业设计、学科竞赛等内容。在实践教学的过程中，教师将理论教学体系与实践教学体系相结合，以利于提升学生应用专业知识的能力和创新能力，有利于学生构建扎实的专业基础和完善的综合素质，从而为学生毕业后从事相关工作打下基础[1-3]。根据当代高等教育的教学要求，高校的实践教学目标主要是根据专业需求培养学生全面发展的能力，包括全面的理论知识水平、动手实践能力、专业的职业精神、自主学习能力和探索能力等[4-5]。然而，在实践教学环节中普遍存在的问题包括：第一，学生学习意识差、学习效率低，学习积极性不足，不能全身心参与到实践教学过程中，导致教育与学习脱节；第二，教学模式落后，理论无法配合实践，不仅限制学生的思维发展，还会挫伤学生的学习热情[6-7]；第三，实践教学涉及的环节不全面，如仅注重实际操作而不注重信息收集和方案设计，实践教学需要学生“边动手边动脑”或者“先动脑再动手”，而不是单纯从事设备操作；第四，教学效果评估方法单一，往往仅参考学生最终提交的实习实践报告，无法对实践过程进行合理评价。针对上述问题，作者在工程材料实践教学环节引入了合作—竞争学习教学模式，经过实践取得了良好的教学效果。

一、竞争与合作在学习教学中的作用

竞争带动了社会的进步和人类的发展，因此竞争是人们工作和学习的主旋律，而且各行各业的发展均离不开竞争。课堂教学同样需要竞争，“考试”“分数”“录取率”就是竞争的产物。心理研究表明，竞争能够引发一系列良好的心理反应，如情绪饱满、精神焕发、注意力高度集中、思维活跃等。因此需要把竞争引入教学过程，并创建良好的竞争氛围。然而，有学者认为竞争环境仅能激发班级中优等生的主观能动性，但对学习成绩较差的学生会起到反作用，因为这些学生会将含有竞争因素的教学环节视为“丢人现眼”的机会[8]。有些教育工作者曾试图在课程设计中抛弃一切含有竞争属性的活动，并发现学生在学习过程中所承受的心理压力明显减轻[9]。有研究曾指出班级中竞争环境会导致学生产生焦虑和沮丧的负面情绪，而不利于建立积极奋进的教学氛围[10]。竞争的效果因人而异，优等生能够在竞争活动中取得良好的成绩，从而获得更大的心理满足感和自信，并进一步激励其更加努力学习；与之相反，差生则因其在竞争活动中的不良表现而背负沉重心理压力，甚至引起学生的自卑心理，从而导致进一步的厌学情绪。因此，竞争在教学过程中是一把双刃剑，需要合理设计才能起到扬长避短的作用。

一个有效的教学设计思路是将竞争模式与合作模式相结合，即所谓合作—竞争学习教学模式。在合作的模式下，学生之间不存在任何形式的竞争行为，因而可以有效减轻心理压力。有对比研究表明，学生在无竞争压力环境下通过自主学习获取的信息量明显大于竞争环境中的样本，获取信息量最大的样本组在学习过程中不采用任何形式的打分或者排名机制；此外，如果学生在学习过程中能够相互合作，无竞争环境下的学习效果将翻倍[11]。合作的形式包括，对某一论点发表个人见解并相互评论，就某一问题阐述各自的解决方案并相互讨论，在实践教学环节中承担不同的任务并相互协作等。为了保持学习团体中的合作氛围，深化每位学生的合作意识，需要教师在教学过程中培养学生相互尊重、相互包容、助人为乐、取长补短、心胸宽广等优秀品格。

合作—竞争学习教学模式中的竞争模式主要采用团队—团队竞争的方式，就如同篮球比赛。团队之间的竞争能够有效弱化竞争环境对个人心理产生的负面影响，但同时能够激发个人争取团队成功的积极性和使命感，从而有效地起到了扬长避短的作用。为了有效发挥团队间竞争的积极作用，需要设计明确的竞争指标，例如篮球比赛的竞争指标就是进球得分。因此，需要将实践教学环节的竞争指标进行合理的量化。

二、合作—竞争模式工程材料实践教学设计方案

在工程材料实践教学环节中，作者将可量化的材料性能指标作为竞争指标，并将团队内协作和团队间竞争有效地结合在一起，从而设计了以下三个阶段的实践方案。

第一阶段为金属材料最大硬度设计竞赛，是指学生分组后同时针对某给定的金属材料设计热处理实验方案并进行实际热处理操作，目的是获得该材料的最大硬度值；然后各组在同一时间提交实验样品，并由老师进行公开测试，从而确定硬度值最大的实验样品和获胜小组；最终由各组通过演讲汇报的形式向所有学生公布其工艺方案以及对最终结果的分析。

第二阶段为金属材料最大塑性设计竞赛，其具体形式与上述方案相同，所用材料依旧与上述保持一致，但考查的指标更改为定量描述金属材料塑性的指标，例如断后伸长率和断面收缩率。学生为了使给定材料的塑性达到最大值，其所采取的热处理方案与使硬度达到最大值的方案可谓完全相反，这就需要学生们完全掌握热处理工艺的基本原理才能进行合理的方案设计。

第三阶段为金属材料最大抗冲击性能设计竞赛，此阶段的方案与给定材料依旧不变，考查指标为定量描述材料抵抗冲击性能的指标，即断裂韧性值。由于金属材料的断裂韧性与其硬度和塑性均有关联，因此设计为最终阶段的竞赛。学生在进行热处理工艺设计时，既需要考虑热处理对硬度的影响，又需要考虑其对塑性的影响，在平衡两方面影响的基础上综合分析，最终制备出具有最大断裂韧性的实验样品，并进行组间对比和交流汇报。

三、合作—竞争模式实践教学培养目标

上述实践教学环节实现了三方面的培养目标。首先，教授了课程相关的工程知识，能够将数学、自然科学、工程基础和金属材料专业知识用于解决金属材料设计、制备、组织结构、性能表征及相关的复杂工程问题；其次，锻炼了学生设计和开发解决方案的能力，使学生能够针对金属材料复杂工程问题，设计开发满足使用性能需求的材料成分、组织结构、工艺流程、防护方法的解决方案，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；最后，锻炼了学生的沟通能力，使学生能够就金属材料生产及使用中的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。包括撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，若能将英语汇报融入其中，还能够培养在跨文化背景下进行沟通和交流的能力。除此之外，上述实践教学环节引入了合作—竞争的模式，能够充分调动学生的参与度和积极性，能够更加有效地达成上述培养目标。

四、合作—竞争模式下的学习教学行为分析

在进行上述实践教学环节的过程中，在组间竞争的背景下，学生必须深刻理解工程材料力学性能中的三个基本指标—硬度、塑性、抗冲击性的基本含义和测试方法，因为这是赢得竞赛的基础。如若不能认识竞赛核心目标的含义和定量描述竞赛目标的方法，后续的热处理工艺设计将失去评估的衡量尺度。因在课堂授课环节，工程知识是通过讲授的方式教授给学生的，其优点在于系统性强、覆盖面广，其缺点在于调动学生自主学习的效果较差。然而在实践教学环节通过竞争机制对学生施加一定的压力，并通过教师的正确引导使学生认识到相关工程知识在赢得竞赛中的必要性，学生即可自主获取相关知识。但此形式也具有系统性较差的缺点，因此需要在课程中挑选最重要的工程知识点设计入实践教学环节。

在充分理解相关工程知识的基础上，还需针对给定金属材料牌号和状态设计相关的热处理工艺，这是获得最优性能指标的关键。方案设计建立在对相关规律充分掌握的基础之上，因此需要学生掌握热处理工艺对给定金属材料的显微组织和性能的影响规律，而且该规律需要通过曲线或者方程等进行定量描述。老师需要引导学生通过合理有效的手段获取相关规律，可以通过查阅文献或者手册，也可以通过设计热处理正交实验。然而最好的方法是将这两方面相互结合，鼓励学生们在查询已有信息的基础上有针对性地设计正交实验，探索热处理加热温度、保温时间、冷却方式对给定材料组织和性能的影响，然后在此基础上优选最佳热处理方案，并在实施过程中正确操作相关实验设备。只有方案设计合理且设备操作正确，才能够取得理论上的最优性能。组内学生在进行上述工程知识学习、信息收集、方案设计、设备操作的过程中有很多需要相互交流、探讨、协作的环节和形式。

教师需要鼓励组内学生充分参与其中，并发挥各自的优势。为了能够以有组织的方式进行组内协作，教师可编制具有特定格式的过程报告，每位学生在完成报告的同时即为集体项目进度的推进做出了自己的贡献。以信息收集为例，每位学生可独自利用图书馆或者网络资源针对同一问题进行信息检索，然后在组内进行分享和交流。然而，在方案设计环节有可能存在组内分歧，教师需要引导学生有效地进行沟通和交流，解决分歧的最佳手段是进一步深入进行信息收集与分析。只有当学生掌握的知识逐步深入和全面，才可能从根本上解决分歧，实现最为合理的方案设计。设备操作过程需要成员间进行分工协作，例如操控热处理炉、试样装炉出炉、金相制备、性能测试等具体工作，组内成员可根据各自特点合理分配。最终需要对实验结果进行分析和总结，以此判断最优的热处理工艺。竞争学习教学模式有助于培养学生以下素养和能力。第一，职业素养，树立和践行社会主义核心价值观，具有良好的金属材料工程职业道德和人文社会科学素养，重视社会、环境、法律和行业标准的要求，并能用其指导工程应用。第二，职业能力，能够综合运用基础理论、专业知识以及科技发展新知识，并融合相关专业技术，完成复杂金属材料工程相关部件、产品的工艺设计、制造，解决金属材料部件使用过程中的关键问题，重视工程质量和产品竞争力，实现社会经济效益优化，具有创新思维和科学决策能力。第三，工程素质，能够融合多元专业知识，具备综合运用基础理论、专业知识以及科技发展新知识解决金属材料工程领域复杂工程问题的能力；能够自觉遵守工程领域的相关法律、法规及标准，并正确运用于工程实践，保证工程或产品质量。第四，综合素质，能够针对金属材料工程问题与国内外成员进行有效沟通，并主动承担团队角色。具有团队合作精神和国际视野，能够主动学习和跨文化交流与合作。

五、结束语

工程材料实践教学过程包括信息收集、方案设计、实际操作、总结分析，是完整实践教学环节的四个基本要素，同时将竞争模式和合作模式贯穿于整个教学环节。学生在此类合作—竞争模式下的成绩表现应参考其完成过程报告的情况、竞赛结果情况以及最终的总结交流情况进行综合评定。教师在合作—竞争学习教学模式下的实践教学过程中除了应该传授所需的工程知识，还应该引导学生树立健康的合作意识和竞争意识。大学不仅仅是传授知识的象牙塔，更是培养沟通能力和建立合作竞争意识的训练场，在各类实践教学环节中进行合理设置，可有效地将知识、能力、意识统一起来，实现高效教学。