基于深度学习理念下《金属熔炼与塑性加工》课程教学模式的解构与重塑

2023-12-29冀盛亚常成冯宜丽常帅兵楚庄马天凤

机械工程师 2023年12期

冀盛亚，常成，冯宜丽，常帅兵，楚庄，马天凤

（河南工学院, 河南新乡 453003）

0 引言

1976年，在教育心理学家布鲁姆认知领域六层级（识记、理解、运用、分析、综合和评价）基础上，马顿和塞尔乔首次提出了深度学习理论。经过40余年的发展，深度学习已成为国内外教育研究领域重要的学习理论之一[1]。

深度学习是一种学习状态，它否定了对知识机械记忆、单纯复述的浅层学习状态，更强调在对学习内容深层理解的基础上，解构知识点之间的交叉与渗透，重塑知识点之间的相互关联，并在对知识点的架构、整合和迁移应用中，获得高阶思维的发展。简而言之，深度学习的五大特征为：深度理解、批判学习、架构整合、迁移应用及高阶思维发展[1-3]。当前，课堂教学改革的主旨是培养“知识人”到培养“智慧者”的转型，“由识转智”正是深度学习的理念和价值追求。

1 《金属熔炼与塑性加工》课程的现状及存在的问题

《金属熔炼与塑性加工》是电缆工程专业的专业课。由于该门课程内容是《材料科学基础》《金属工艺学》《金属塑性加工原理》3门课程的叠加与整合，涉及较多的原理、规律、概念、定义，且知识点之间的相互关联多。在讲授金属的塑性变形时需要灵活运用滑移系、位错的运动与增殖这些基础理论，在讲授回复与再结晶时需要熟练掌握合金相、相图、相变对材料组织与性能的影响这些基本概念和规律。只有实现了知识点之间的融会贯通、课程前后章节之间的交叉融合，才能梳理该门课程的知识体系，实现系统化学习。目前这门课程面临以下四大矛盾：

1）教学内容繁多而课时有限（24个理论课时）之间的矛盾。如何在有限的课时保质保量完成教学内容的讲授，实现学生材料学理论知识与实践能力的有机融合，成为《金属熔炼与塑性加工》课程教学改革的首要任务；

2）材料学专业基础知识的多样性需求与非材料专业（电缆工程专业）学生基础知识的相对薄弱之间的矛盾；

3）该课程应用背景的多样性需求与学生实践经验匮乏之间的矛盾；

4）该课程知识点的灵活运用与学生惯有的死记硬背的学习方式之间的矛盾。

这四大矛盾导致学生无法深刻理解重点内容，出现畏难情绪，甚至降低了学习兴趣。为进一步提高教学效果，《金属熔炼与塑性加工》课程有待进一步改进。

2 智慧教学与课程融合发展的优势及现状

近年来，新兴科技的蓬勃发展给教育行业的发展带来了崭新的机遇。利用这些智能化、信息化技术来实现教育的跨越式发展已成为世界各国的共识。为抢占数字教育的制高点，俄罗斯在《俄罗斯2024年前国家发展目标和战略任务》中明确提出在2024年创建安全的数字化教育环境。2018法国发布《重建共和国基础教育规划法》中明确将“教育数字化”作为教育发展的关键方向[4]。

经济的发展依赖于科技的进步，而科技的发展根植于人才的培养。基于可预测的巨大成长空间及广阔的发展前景，为抓住稍纵即逝的发展良机，我国密集出台了一系列政策，以倡导并推动教育的现代化变革。2019年中共中央办公厅与国务院印发了《中国教育现代化2035》[5]和《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》[6]，提出“利用现代技术，建构数字化的网络教育体系（平台），并以此为载体，打破学习的时空限制，建设学习型社会，以期为我国的现代化建设提供大批创新型人才”。当前，作为科技的先导，国内外已有大量与数字化网络技术相融合的教学系统及学科实验平台，其智能化、信息化技术及建设的经验可以借鉴[7-14]。

深度学习需要学习者在整个学习过程中深入、专注、理性思考及批判性思维，而这不光需要学习者的高认知、高关注，更需要教师以培养学生知识、素质及分析和解决问题的能力入手，制定培养目标，设计教学方案，通过学习的组织与引导、沟通与协调，充分调动和发挥学生的积极性、主动性与创造性。基于“云、网、端”的智能化、信息化技术在及时化反馈、立体化交互、智能化推送、便捷化创设学习环境的优秀品质，极大地提升了学生学习过程的存在感、参与度，使得学生沉浸其中，通过多种感官来感觉和认知相关知识，实现思维的拓展与发散。依托智慧教学实现《金属熔炼与塑性加工》课程的教学模式的解构与重塑，是实现该课程深度学习的必由之路。

3 《金属熔炼与塑性加工》课程智慧教学新模式的塑造

1）以专业需求为导向、课程思政为引擎，优选教学内容。

教材是课程教学内容的载体，甄选课程教材。结合我校“对接产业、突出重点、打造特色、形成品牌”的学科建设思路，以能力培养为目标，重塑教学大纲，以“适用、实用、够用”为原则，筛选教学重点，以专业需求为导向，遴选与整合各种优质网络，通过课程网站的合作与共享，构建全新的课程内容体系。

俗话说“知之深才能爱之切”，《金属熔炼与塑性加工》课程一方面应该立足华夏大地，厚植中华基因，传承红色精神。以课程思政建设为契机，深入挖掘思政素材，通过中国故事中的思政元素阐释中国精神，实现立德树人的标准，弘扬中华传统文化教育和新时代中国国情教育，增强学生文化自信和民族自信，培养学生的爱党、爱国、坚定的社会主义理想和价值观。另一方面以人为本，弘扬人的价值，注重人的综合素质培养和全面发展，通过展示新材料、新工艺等前沿科研成果，培养学生的创新意识、科学精神，在潜移默化中激发学生的学习热情及科学素养，使学生“内化于心，外化于行”，实现爱国主义与科研精神的知行合一。

2）建设教学内容模块二/三维动画数据库，演示知识点间的相互关联、交叉与渗透。

使用右糖、Flash、TVPaint、万彩骨骼大师、RETAS PRO或3D MAX等这些二维或三维动画软件将金属与合金的凝固过程、晶体缺陷（点缺陷、位错、面缺陷）的微观形成机理、单晶体（多晶体、单相固溶体、多相固溶体）的塑性变形规律形象生动地展示出来，同时，收集、整合合金的微观组织数据库、材料性能数据库、架构数据库间的动态交互。利用情境化的教学内容，演示那些“艰深晦涩”的原理和规律，一方面可以提高课堂效率和教学的形象性。另一方面极大地调动学生的学习兴趣。

3）增加实践教学内容，提升学生的实操能力，培养其材料学创新思维。

制定实践教学大纲，增加实验教学内容，一方面提高学生对材料性能的直观感受。另一方面，通过对平衡组织显微观察，深刻领悟什么是合金相、晶体结构、晶体缺陷及相图的基本概念，深刻理解组织、工艺、性能三者的直接关系，培养学生材料学的创新思维。

4）依托超星泛雅教学平台构建“云、网、端”线上线下混合式智慧教学模式。

近年来，得益于人工智能、量子科技、区域块、大数据、云平台、人工智能（AI）、物联网等新兴科技的阶跃性发展，各种云上教学平台（网易云课堂、腾讯课堂、超星学术、新东方、YY教育、短书、精品MOOC、轻轻教育）如雨后春笋般层出不穷，这些云上教学平台不但设计、制作并储存了大量优质的教学资源，而且开发出性能完备的网络授课系统、训练测试系统、学习管理系统、应用反馈系统。同时，通信信息技术的快速迭代及5G网络的高速普及，使得“云、网、端”（云上教学资源、5G网络、手机客户端）的高效组合成为可能（如图1），这一方面打破学习的时空界线，学生可以自主选择合适的学习时间、地点及学习内容，提高了学生学习的自主性，另一方面也打破了学习的物理空间，线上线下多元化的知识体系有利于复合型人才的培养。因此，以超星泛雅教学平台为依托，探索基于“云、网、端”一体融合的智慧教学模式，成为高等教育教学改革的必由之路。

图1 基于深度学习理念的智慧教学模式设计

基于深度学习理念，以布鲁姆认知六维度为指导，制定知识、能力及素质三阶递进的课程教学目标，撰写课程线上线下混合式教学设计、学生学习任务书，探索促进学生深度学习的教学策略设计，架构基于“云、网、端”一体融合的智慧教学组织及教学流程的安排策略、教学信息的传递及协作策略、教学资源的组织分配策略，旨在帮助教师根据教学内容的不同，灵活地改变教学方式，并根据学生特征分析（知识水平、学习能力、思维能力、理解能力、学习方式及学习风格等）的差异性因材施教。通过“云、网、端”一体融合的智慧教学实践，引导学生获得全新的深度学习体验，尝试由教师控制的替代型教学策略向学习者控制的生成型教学策略演进[15]。

学习者控制的生成型教学策略，改变了以教师为主的传统教学结构，教师成为整个学习过程的引导者、帮助者与促进者，学生成为整个学习过程的主要承担者，不但侧重于专业知识的传授，更强调对学生学习兴趣的激发和学习主动性的培养。

课前，依托超星泛雅教学平台，发布教学资源（课程线上线下混合式课程教学设计、课程学生学习任务书，精品MOOC及主题讨论），通过查阅泛雅教学平台学生的预习状态及主题讨论情况制定教学计划。课堂上，教师既保留原有的教学思路与教学目标，同时依据学生的自学情况采取相应的教学策略。采用分组讨论、翻转课堂、传统教学相结合的教学模式，并通过“举手”、“抢答”“讨论”等环节，让更多学生参与其中。为培养学生独立观察思考问题、分析问题、解决问题的能力，鼓励学生自己对重点、难点进行解析，教师点评，这样不但能有效地实现“师生互动”或“生生互动”，增强学生的团队合作意识、自主学习能力及语言表达能力，而且能调动学生的听讲情绪和激发学生的学习热情。