工程材料基础课程线下多维度教学模式探究

孙巧艳　郑巧玲　高圆　王继平　李烨飞

[摘 要]根据教育部一流本科课程建设实施意见的“两性一度”标准，工程材料基础课程开展了教学方式的改革和探索，致力于提高人才培养质量。本课程实施了研究性学习和拓展性学习，从多维度改革教学方式，指导学生开展了中性笔笔尖材料的组织与成分分析研究性学习，培养学生解决复杂问题的能力，同时引导学生勇于实践探索，克服畏难的心理。通过拓展性学习，让学生阅读文献和查阅资料，拓展学生的知识领域和视野;通过了解铁碳相图的发展历史，让学生从历史唯物主义的视角了解材料学科重要理论的发展历史，体会人类智慧的积累和沉淀历程;从我国重大工程建設项目学习各类材料的实际应用，强化学生理论联系实践的科学思维，增强学生的民族自豪感和建设社会主义强国的热情。

[关键词]一流课程;研究性学习;拓展性学习;人才培养

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0105-04

课程是人才培养的核心和关键，高质量的课程为高质量的人才培养提供了坚实的保障。进入21世纪以来，我国科技发展对优秀人才的需求更加迫切，高等教育和课程建设备受重视，国家先后推行了精品课程、精品资源共享课等相关建设项目，高等教育人才培养水平得到提升。

2019年10月，教育部高教司下发《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）（以下简称《实施意见》），明确一流课程的标准是高阶性、创新性和挑战度，即“两性一度”。《实施意见》提出了明确的一流本科课程建设目标，旨在“全面开展一流本科课程建设，树立课程建设新理念，推进课程改革创新，实施科学课程评价，严格课程管理，建立教授上课、消灭“水课”、取消“清考”等硬规矩，夯实基层教学组织，提高教师教学能力，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系。经过三年左右的时间，建成万门左右的国家级和省级一流本科课程（简称“双万计划”）”，引导和鼓励教师根据“两性一度”的标准对课程内容、课程资源、教学手段等进行梳理和重构，围绕培养创新型人才开展全方位、多维度的教学改革和课程建设工作[1-4]。

根据课程目标和培养要求，教师进行多维度设计教学环节，取得了显著成果[5-7]。笔者探索了研究性学习和拓展性学习等学习方式在工程材料基础教学中的应用和效果。研究性学习一般基于具体研究任务，安排学生课外开展实验或调查研究，通过对数据整理和分析最后得出结论[8]。拓展性学习由芬兰教育学家恩格斯托姆提出，是一种多维度的学习理论，将多种层面的学习行为整合。在当今经济与技术高速发展，人才需求多层次的情况下，拓展性学习更能满足当前社会转型与个体发展的需求，为国家培养优秀人才[9]。

工程材料基础课是西安交通大学的公共基础课，授课对象为大机类专业的本科生。本课程主要为本校大机类本科生讲授材料基础理论和工程应用的典型材料的性能特点，使学生掌握材料成分—工艺—结构—性能的内在关系，具备基本的选材知识，了解典型工程材料实际应用情况，为学生提供材料专业的知识储备，帮助其解决未来工作中遇到的相关材料问题。工程材料基础坚持贯彻教育部的文件精神，重视课程建设，成果显著，曾获得国家精品课程（2009）、国家精品资源共享课（2014），2019年本课程在线课程已在中国大学MOOC平台上线运行，2020年获批国家一流在线课程。

本课程对照国家一流课程“两性一度”的基本要求，坚持以学生为中心的教学理念，以培养学生能力为目标，引导学生开展研究性的实践探索和拓展性的学习，取得了显著的教学效果。

一、工程材料基础课程研究性和拓展性学习及效果

（一）揭示圆珠笔笔尖材料的“秘密”，培养学生勇于探索和理论联系实际的科学素养

1.研究性学习内容的确定

2016年媒体曝光了我国圆珠笔笔尖材料尚依赖进口，这一消息刺痛了无数国人，2016年的“两会”报道了圆珠笔笔尖材料的国产化制造问题。这则新闻事件为工程材料基础课程的教学提供了一个很好的研究性学习案例。学生对圆珠笔非常熟悉，研究圆珠笔笔尖材料没有违和感。

仔细观察一支圆珠笔或者中性笔，如图1所示。圆珠笔用的材料主要是高分子材料，比如笔杆、笔芯等，金属材料用于笔尖、尖套，笔尖的球珠是不锈钢或者硬质合金，目前使用更多的是硬质合金球。圆珠笔的关键部位是笔尖，笔尖包括一根金属针管和一颗球珠，笔尖质量的好坏决定了圆珠笔是否好用。本课程选择圆珠笔尖材料组织与性能分析作为开展研究性学习的内容，主要考虑以下几个方面：（1）材料获取容易。学生天天用圆珠笔，收集用过的旧笔芯若干，就可以作为研究材料。（2）探究内容与课程内容相符。本课程的主要内容是金属材料，圆珠笔尖（不包括球珠）属于金属材料，与课程内容相符。（3）探究过程与课内实验内容关联程度高。要求学生观察分析圆珠笔笔尖金属的微观组织，测试其硬度，并分析成分，涵盖了2个课内实验内容，研究性学习的总体要求高于课内实验，学生能得到充分的锻炼。对于圆珠笔笔尖材料分析研究性学习，设计流程如图2所示。

研究性学习的组织过程如下：教师在课堂布置选题，学生自由申报，教师根据学生报名情况分组（2～3人一组），指定专门教师进行实验指导和仪器操作培训，学生在教师的指导下独立完成学习任务，在课程结束前在班级用PPT汇报学习的结果，具体实施过程如下。

（1）准备材料：学生收集常用品牌的中性笔笔芯，取下笔尖金属，完成实验材料的准备。

（2）制备金相样品：学生要接受金相样品制备培训和金相显微镜的使用培训，能够独立制备金相试样和使用金相显微镜，并根据学习的需要制备观察组织的金相样品。对于中性笔笔尖，笔尖的形状不规则而且尺寸小，不易手持磨样，需要在教师的指导下镶样，再按照金相样品制备方法在砂纸上完成粗磨、细磨、抛光和腐蚀。

（3）组织观察：学生学会使用金相显微镜，在金相显微镜下观察中性笔笔尖金属腐蚀前后的微观组织形貌。

（4）在教师协助下用扫描电镜的能谱测试了笔尖金属的成分，在维氏硬度计上测试了合金的硬度。

（5）学生总结研究性学习结果，准备汇报PPT。

（6）学生在课堂上汇报学习结果，进行师生互动和讨论。

2.学生取得的研究性学习的结果

图3 是学生对常用某品牌中性笔笔尖金属材料组织、成分与性能研究的结果以及学生汇报交流情况。图3（a）、（b），笔尖微观组织具有加工态组织特征，晶粒为拉长形状，组织中有含硫夹杂物;图3（c）为能谱测试结果，该金属是易削不锈钢，主要成分是Fe、Cr、Ni、Si等元素;图3（d）、（e）则表明中性笔的球珠为含WC的硬质合金;图3（f）是学生在课堂上汇报了中性笔尖材料的研究结果，并与同学们开展讨论。

3.研究性学习提高了学生解决复杂问题的综合能力，能促进高阶思维的培养

国家一流课程的高阶性要求课程目标坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。本课程突破课堂教学的单一模式，改革学生被动学习和被动接受知识的模式，结合社会关注热点材料，选择与课程内容切合紧密的中性笔笔尖材料研究，引导学生开展研究性学习。这个研究性项目的开展使学生克服了畏难情绪，增加了学生勇于实践探索的勇气。参与研究性学习的学生这样表达了自己的收获：“好多事情不做就从来不知道会做得怎样。在刚开始接触金相制备的时候。我感觉这真的很难，开始抛光的时候其实自己内心非常怀疑，一张绒布咋能把金属磨光啊，1个试样要抛1个多小时才行。后来自己慢慢熟练后，也可以40分钟制备好一个试样了。现在想想，从当初的怀疑和生疏，到现在的自信和熟练，差的就是做，不敢做、不去做永远不知道自己行不行。”

（二）引领了解学科前沿，体会传承与创新

為了突出本课程的创新性，本课程在教学内容中引入学科前沿成果的新规律和新现象，让学生体会传承与创新的关联。针对碳钢这一重点教学内容，我们设计了两个探索性题目：一个题目是含碳量对碳钢的强度和塑性的影响规律是否可以突破？另一个题目是从钢中的碳元素到当前的碳材料。这两种题目需要学生查阅文献资料，总结和整理。

1.了解学科前沿成果，体会传承与创新

钢铁是人类社会广泛使用的金属材料，在国民经济建设中发挥着举足轻重的作用。人们对钢铁材料的研究也最为深入和系统。关于含碳量对碳钢性能的影响规律已经非常明确和系统：随着含碳量的增加，强度先增加后降低，强度的峰值对应的含碳量在0.9～1.0%（wt.）范围，而塑性随着含碳量的增加而降低。但是实际上，近年来材料工作者已经找到了突破这种含碳量对强度和塑性影响的倒置规律，其研究结果表明，在一种特殊热处理工艺下（淬火—分配—回火，QP&T），随着含碳量从0.2%增加到0.4%，碳钢的强度增加，其塑性也呈现增加趋势。

学生根据教师布置的题目自行查阅文献，并基于对材料理论和知识的理解，整理文献报道的研究结果，用PPT在班级进行汇报和讨论。课程组认为这是一个很有启发的拓展性学习案例（见图4），是对课本上的知识和规律的有力补充。根据这个案例，需要给学生传达的信息是“课本的知识是对的，但不是绝对的”，进一步启发学生不要受到已有知识框架和体系的约束和限制，可以根据实际技术需求进行突破和改变，这个环节有助于培养和强化学生的创新意识。

2.查阅资料，拓展材料知识体系和领域

碳钢是铁和碳形成的合金，碳元素是钢铁材料的重要元素之一。本课程让学生以钢中的碳元素作为出发点，查阅资料，进一步了解当前热门材料——碳材料，拓宽学生的视野。引导学生通过文献调研，充分认识当前备受关注的碳材料，比如石墨烯、碳纳米管和富勒烯等碳材料，了解这些碳材料在半导体、能源电子行业具有极大的应用潜力，拓展学生的知识面。这个环节的目的是丰富学生的材料知识，因为课程学时有限，没有足够的时间对当前的热点材料进行详细介绍，但是我们认为学生应该对碳基材料有所了解。如何将碳材料和课程内容衔接呢？本课程以碳为 “桥梁”，为学生设计了从钢中碳元素到碳材料的拓展性学习，学生针对目前的各类碳材料的文献进行总结。为了提高学生的兴趣，让学生了解自己熟悉的物品（比如硬币、圆珠笔等）实用的材料，我们让学生通过查阅资料将总结整理成书面报告。学生提交的书面报告如图5所示。

（三）回溯材料学科基础理论起源与发展，体会人类智慧结晶的历程

本课程的重点内容之一是Fe-Fe3C相图，这是钢铁材料熔炼、加工与热处理的根本指导理论。但是我们现在看到的完美的Fe-Fe3C相图是怎么一步一步被人类发现的？哪些科学家为此作出了贡献？要了解这些信息，需要学生阅读冶金史的资料，了解铁碳相图发展历史，获知钢中特定组织名称（奥氏体、马氏体等）的由来，这对于学生了解课程知识具有积极的作用。这种拓展性学习对学生来说，属于综合性比较强的训练，有一定的难度，需要学生“跳一跳够得着”。本课程设计了“探寻Fe-Fe3C相图的发展历史”的学习题目，以课外拓展性学习的形式让学生完成，并提交学习报告。学生通过铁碳相图发展历史的回溯，体会到科学的发展历程以及重要科学家的贡献。这个过程让学生了解科学规律的发现过程不是一帆风顺的，有坎坷也走过弯路，但是只要坚持真理，不断继承和创新，揭示学科的客观规律和真理，就能服务和造福人类社会。这些拓展性学习有利于帮助学生树立科学观。

（四）引入“港珠澳大桥”超级工程，理论与实践相结合

工程材料基础课程是一门工程背景很强的课程，课程中所讲的每一种材料都有明确的工程应用。2018年建成通车的港珠澳大桥为本课程提供了很好的教学案例。大桥使用的材料主要是金属材料，尤其以钢铁、铝合金为主，其次还有高分子材料、复合材料的典型应用。本课程设计了拓展性学习，让学生查找文献资料，总结港珠澳大桥使用材料的种类和具体应用。从学生提交的报告来看，学生完成情况良好。首先是钢铁材料的应用，学生通过查阅资料，了解到为港珠澳大桥提供钢材的国内的钢铁公司，同时体会到在华南沿海地区建造跨海大桥，要克服海洋气候腐蚀的困难，因此使用了耐候钢和不锈钢，这种材料具有耐腐蚀性能，能满足当地环境的耐腐蚀要求，而且成本比不锈钢低。其次，为了解决大桥门窗被海水腐蚀的难题，选择了铝合金，这种铝合金经过特殊表面处理，具有“自洁”性能。此外，高分子材料和复合材料在大桥的桥梁支座、人工环岛跃浪沟、高性能绳索和消振护舷方面有重要的应用。

通过让学生对港珠澳大桥使用材料的调研和总结，一方面加强了学生理论知识与工程应用的联系;另一方面，让学生对港珠澳大桥建设工程及其重要性有了更深的了解，让学生为我国桥梁工程的技术成就感到自豪和骄傲，提升了学生的民族自豪感，坚定了学生的“四个自信”。

二、结语

针对一流课程的高阶性、创新性和挑战度的总体要求，工程材料基础课程探索了创新型的教学方式，根据课程内容及其特点，引导学生开展研究性和拓展性学习，以提高人才培养质量。通过指导学生对圆珠笔笔尖材料的组织、成分的研究，使学生理论联系实际，勇于实践与探索。本课程引入学科前沿的新规律和新现象，引导学生接触学科前沿，了解热点材料，拓宽学生的材料知识领域和视野，培养学生的创新性思维;并针对Fe-Fe3C相图，引导学生开展相关历史文献的阅读，让学生了解学科知识理论建立与发展的过程，体会人类智慧的积累沉淀历程，使学生养成尊重历史和崇尚科学的科学观。此外，对港珠澳大桥使用的结构材料的调研和总结，强化了课本理论和工程应用的联系，使学生深入了解我国桥梁建设工程与技术发展的成果，增强了学生的民族自豪感，坚定了学生的“四个自信”。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]