新兴技术范式下融入思政教育的金相实验课程教学设计

刘凤芳 宫明龙 叶杰 房大然 张亚辉 罗绍华

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.011

摘  要：实验教学是大学教学过程中非常重要的实践环节。当代大学的实验课教学应和理论教学一样都需要跟上新经济的发展，需要在新兴技术范式下进行实验教学改革创新，丰富教学方法和内容。以专业基础课金属学及热处理课程中金相实验教学为例。在样品制备、热处理、组织观察和软件分析等实验过程中采用互动多媒体、智慧课堂、多学科交叉融合和视频微课等新兴教学技术及方法，同时融入思政元素。在提高学生兴趣及综合分析能力的同时进行思政教育，培养具有工匠精神的新一代专业创新性复合型人才。

关键词：新兴技术范式;金相实验;思政教育;混合式教学;教学设计

中图分类号：G642      文献标志码：A           文章编号：2096-000X（2022）17-0043-06

Abstract： Experimental teaching is a very important practice link in the university teaching process. The experimental teaching of contemporary universities should keep up with the development of the new economy as well as theoretical teaching. It is necessary to carry out experimental teaching reform and innovation under the emerging technology paradigm， and enrich the teaching methods and content. This paper takes the metallographic experiment teaching of basic course Metallography & Heat Treatment as an example. In the experimental process of sample preparation， heat treatment， tissue observation， software analysis， etc.， new teaching techniques and methods such as interactive multimedia， smart classroom， multi-disciplinary integration， video micro-lecture， etc. are used， and ideological and political elements are incorporated at the same time. Ideological and political education is carried out while improving students' interest and comprehensive analysis ability， so as to cultivate a new generation of professional and innovative compound talents with craftsman spirit.

Keywords： new technology paradigm; metallographic experiment; ideological and political education; blended teaching; instructional design

隨着经济的发展和新兴信息时代的到来，传统的实验教学模式已经不能满足当下科技的发展对创新型人才的要求，需要不断地对教学质量改进。金相组织观察是金属材料学科教学和科研中了解材料微观世界最基本的手段和方法之一，金相实验是材料类专业最基础、最重要的实验课。随着新工科专业的建设，机械工程和车辆工程等机械类专业的本科课程也相继开设了金相实验内容。为解决金相实验课中出现的课程内容陈旧、学生兴趣度不高、教育后出现工具人等问题，各高校不断进行改革与实践。“采用开放式、自主性和实战型”教学，互动多媒体教学模式及依托科技竞赛促进教学等相继出现。更新教学理念，本着为推进新兴技术在新工科教育教学中的深度融合性应用，全面践行“学生中心、产出导向、持续改进”质量理念，目的是促进教与学的改革，充分利用新时代范式技术，深入推进信息技术与教育教学的深度融合，教学目标与新工科时代背景理念携手共进，为学生的创新培养提供保障。进而培养知识与能力并重、素养与责任并重的创新性复合型人才。

本文以金相实验课程教学为例，采用互动多媒体、智慧课堂、多学科交叉融合、视频微课等新兴教学技术及方法，同时融入思政元素。对金相实验教学重新设计，探究新兴技术下的智慧和思政教学方法，以提高学生的综合素质和能力。

一、金相实验课教学方法优化设计方案

实验设计框架如图1所示，在探究新兴技术及理念下，进行教学模式的改革。围绕混合式教学进行了互动教学、小视频微课、第二课堂等教学方式，同时引入思政元素，企业生产案例分析等丰富教学内容。设计教学方法及内容相辅相成，并根据教学内容设计手段，充分利用现有新兴技术手段改进教学方法，在专业素养培养过程中对学生进行正确的价值观导向引领，在思政教育课堂指引下专业素质及创新能力培养同向同行。

二、金相教学实验项目设计与实施

为了使实验教学内容突破原有验证性实验为主的教学方法，探索以技术指标为导向，学生自主创新为主的教学思路，创立了包括基础技能素质训练、专业技能训练及综合素质训练实验平台的专业实验教学体系。实验项目主要分为四个模块，见表1;各模块对应的教学目标见表2，均增加了素质和德育目标。

（一）金相显微镜使用的实验模块设计与实施

实验模块将金相显微镜的使用录成多个小视频，做成微课。一个视频尽量在2 min以内，适于移动设备的学习，学生在课前可以利用碎片时间在手机等移动设备上预习。大幅节省课堂的讲解时间，提高课堂效率;课上通过互动多媒体教学系统进行PPT讲解操作技巧，用实际生活中的常见物放在显微镜下观察，吸引学生的注意力提高学习的兴趣。

思政内容：显微镜是材料人的“眼睛”，能够在微观世界中发现科学的魅力。材料是国家制造的基础。时刻牢记不忘初心，以看到最原始最真实图像作为分析依据，去研究样品的特性，让材料的“眼睛”发现更精彩的世界。

显微镜下观察头发（图2为显微镜下不同学生的头发放大照片）。由于头发较细，反光不好，很难调整看清视场，对调节显微镜技能有一定要求，从而训练学生的动手能力和耐心。学生通过观察自己头发鳞片判断发质是否健康，如图2（a），头发丝较粗，营养良好，鳞片完整。图2（b）头发丝较细，营养良好，鳞片完整，图2（c）头发丝较细，被烫过或营养缺乏的头发，基本看不到鳞片。这样学生不仅学会了使用显微镜的技巧，并且对后面的金属材料的微观组织产生兴趣， 所学知识与生活息息相关。

本实验模块有观察标样的环节。学生观察标样过程中，利用互动教学系统，通过课件教學、电子举手，远程指导的方式进行组织观察及分析，提交作业互动问题等活跃课堂气氛。教学过程中利用新兴技术中的互动和手机交作业情况截图如图3、图4所示。

课后作业通过手机网上答题形式提交成绩单完成知识点夯实，通过查资料了解显微镜前沿技术。既减轻学生实验报告压力，同时也避免完成过程中不真实的情况;既达到基础技能素质训练，同时也减轻教师负担。

（二）显微组织观察实验模块设计与实施

显微组织观察实验模块内容设计的知识点由浅入深，应用互动多媒体展示细微特征，全方位认识组织，进行组织的分析。

以20钢为例（如图5所示），20钢通过退火处理后组织如图5（a）所示，显微镜下为珠光体加铁素体组织。从图片分析：珠光体的分布位置集中在晶界的交汇部分，铁素体以基体形式出现;从机理分析来看，主要因为在热处理过程中晶界部分能量较高，聚集在其周围的过饱和的碳在冷却过程中首先析出，和铁形成渗碳体，随着温度的下降，渗碳体逐渐增多。该样品扫描电子显微镜下照片如图5（b）所示，渗碳体呈片层状分布在铁素体基体上，形成珠光体;从性能分析来看，铁素体是单一固溶体，硬度、强度较低，珠光体是两相组织，且渗碳体是硬脆相，使得珠光体性能得到加强。如果想要提高其硬度及强度就要使得珠光体量增加来获取。从组织来看片间距越窄，硬度会越硬;可以快速冷却即正火处理，得到片间距小，珠光体量多;当冷却速度更快时需要水冷或油冷，即可获得板条马氏体如图5（c）所示。

思政内容：我国科技的进步离不开材料领域的开发。航空航天的发展，“嫦娥”的登月、核潜艇的探底、高铁的高速奔驰，每张国家名片的背后都离不开科研工作者的奋斗，更有材料人无数次对材料的研发和实验。透过组织研究特性是材料人最基本的技能。从金相基本组织认识分析开始，通过画出平衡组织示意图细节，深刻体会析出位置及分布形态特征。通过观察金相图片体验航天材料的研发、3D打印技术的应用，拉近高科技发展与材料学科距离，观察新材料高熵合金组织（如图5（d）所示），明显的骨架结构及骨架间的共晶组织，3D打印后组织如图5（e）所示，纵横相间的纹理结构。

（三）金相样品制备实验模块设计与实施

金相样品制备实验模块主要引导学生对实验的热情，精益求精的探索精神。金相样品的制备是分析材料的关键。真实反映材料的组织特征是分析材料的前提。如何让粗糙的样品表面从磨平到磨光，抛光成镜面再能腐蚀出清晰无缺陷的组织，这个过程需要按照步骤反复练习、感受、摸索，找到磨制的力度、方向;抛光盘的湿度控制、抛光力度与时间的完美结合;腐蚀过程的最佳火候把握。每一个细节决定后面呈现的组织是否有假象，组织能如实全部反映出来。让每个学生经历好奇-摸索-沮丧-坚持-成功后的喜悦。要想制备高质量的金相样品，上课的有限时间是远远不够的。充分利用科技创新竞赛平台，将实验课程与创新实践有机融合。以全国金相技能大赛为契机，将科技竞赛作为学生的第二课堂，开放实验室将学生积极性充分调动起来。以赛促教、以赛促学的思路，提高学生成就感和荣誉感。培养学生动手实践能力，为以后创新创业打好基础，做到专创有效融合。

思政内容：引用金相大赛的口号“金相天骄，洞见未来”“万丈高楼平地起”，金相样品制备相当于材料分析的根基。金相样品制备是一个精益求精的过程，需要细心观察、静心琢磨、解决制样问题中出现的“阴阳面、划痕、麻点、硬化、假象”等缺陷。树立吃苦耐劳、反复试验、探求更高要求的匠心精神及职业素养，才能洞见未来。

（四）软件在金相分析中应用实验设计与实施

金相是分析研究材料微观组织结构的基础实验。根据组织分布特征来判断材料的性质。传统的金相评级方法都是比较法，根据组织图片和国家标准评级图片对比，找到相应的级别，效率低而且人为主观性很强。随着数字信息技术的发展，用软件处理组织图片并且实现一定范围内的定量评级，如晶粒度的评级、脱碳层的测量及估算珠光体面积含量计算等。

以珠光体含量测定为例（如图6所示），对一个二元合金的亚共析钢，组织图上的两种组织，经过软件处理、分割后，分析计算出珠光体相对含量。界面如图6（a）所示（原图），经过分析过程（如图6（b）所示）后，得到计算含量结果如图6（c）所示。通过结果分析，得出珠光体含量为61.99%，根据杠杆定律计算如下：

式中，Q为珠光体的相对含量，C为含碳量的百分数。

即C%计算约为0.477%，通过分析可知此二元合金钢的含碳量大约为0.477%。还可以辅助对工程及生产中未知材料的分析。

思政内容：利用现代信息科技手段通过电脑软件分析，改变学生以往循规蹈矩的对图片定性认识，利用电脑软件对图片进行分析，对材料中组织进行测量及含量的测定，知识点得到全方位的延伸，所学知识与企业生产实际密切联系，提高学生工程意识及职业素养。

三、教学效果评价反思

通过新兴范式技术与实验教学相融合的教学理念、融入思政、突破传统的教学模式，对教学方法及教学内容进行改进与创新。利用计算机多媒体技术、信息化技术、网络移动技术，对显微组织进行识别与分析，改变以往循规蹈矩的教学手段，用各种信息手段提高学生兴趣，实验内容和知识点在纵向与横向得到扩展。课程思政指引下进行实验教学，让实验课成为有效推动“双创”人才培养的强有力补充。

四、结束语

在实验教学中积极引导学习接触现代科学技术，合理融入思政元素，激发学生对实验的兴趣，提高学生运用新技术的能力。避免实验教学循规蹈矩，缺乏新意。提高学生学习主动性及教学成效性，打破时空限制，课堂不止局限于上课时间与空间。从学习者的“学”出发，采用数字信息、网络化技术手段丰富课堂教学，改进教学内容，不同的实验项目根据需要采用不同的教学方式。使新兴范式技术更好服务于实验教学，提升学生专创融合的能力。

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基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“新兴技术范式下的金相实验教学方法创新与实践”（2020GJJG317）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目“‘新工科’背景下材料成型及控制工程专业实践创新教学体系研究”（2019GJJG433）;河北省高等教育学会高等教育科学研究“十三五”规划课题立项“‘新工科’背景下材料成型及控制工程专业实践创新教学体系的建立”（GJXH2019-065）;东北大学秦皇岛分校课程建设项目“《金属学及热处理》课程思政示范课程”（2020KCSZ-B10）;东北大学秦皇岛分校教学研究与改革项目“材料成型及控制工程专业专创融合教学体系研究”（2020JG-A03）;东北大学秦皇岛分校课程思政示范专业建设“材料成型及控制工程专业”（2020KCSZ-A04）

作者简介：刘凤芳（1974-），女，汉族，吉林农安人，学士，高级实验师，研究方向为金属材料检验。

*通信作者：宫明龙（1975-），男，汉族，山西繁峙人，博士，副教授，研究方向为金属材料制备及材料热处理。