工程认证背景下钢的热处理原理与工艺课程教学设计和方法研究*

梁亚红 李国伟 黄娇 许萍 孙丽

内蒙古工业大学材料科学与工程学院 呼和浩特 010051

0 引言

工程教育专业认证是推进我国高等学校理工科专业发展的一项重大举措，该举措的目的是为了培养适应社会发展需求的大学本科毕业生。工程教育专业认证是以产出导向（Outcome Based Education，OBE）作为国际通用标准，然后通过专业的持续改进机制来进行评价，我国采用的认证程序核心理念包含以学生为中心、以目标为导向和以持续改进为机制三个方面[1-2]。这一理念强调过程性评价，并且重点突出以学生学习产出为导向的评价活动，打破了传统的专业教育与考核的模式。做好工程认证对各高校来说，是提高自身竞争力的必经之路，也是各高校适应21世纪人才培养需求的关键所在[3]。

我国每年有十几万金属材料工程专业的毕业生踏入社会，为金属材料相关行业的飞速发展及我国工业发展提供人才支持。在工程教育专业认证的驱动下，学校教育更重视培养学生学习产出的能力和价值。如何使金属材料工程专业毕业生满足企业的需求成为中国金属材料科技与工业发展的焦点问题[4]。钢的热处理原理与工艺是金属材料专业的一门必修课，也是专业教学计划中的核心课程。该课程在专业知识结构中占有很重要的地位，所涉及的内容是学生将来在工作岗位能够使用到的最基础、最直接的专业知识。本文针对工程教育认证对学生的毕业要求，借鉴国内各高等学校的经验，提出钢的热处理原理以及工艺课程教学设计与教学方法的基本思路，目的在于培养学生的自主学习能力，提升学生的专业综合素质。

1 工程认证背景下的课程教学理念

在工程认证OBE 导向的大背景下，实现课程综合改革和持续改善，并用专业的持续改进机制来进行评价成为课程教学的指导理念。认证标准重点突出毕业生掌握、分析和解决工程中复杂问题的能力，这就要求教师将实际工程中的问题引入实践教学课程中[2]，突出体现工程复杂问题的专业性和具体性，培养学生的工程思维；而在解决问题及方案设计中还要考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境因素，培养学生的创新意识。认证标准中的学习产出还要求使学生拥有团队合作精神和国际化视野，能够在多学科和多元文化环境中进行有效沟通和交流[6]，这就需要教师在教学过程中引导学生进行团队协作，互补互助去解决问题，培养学生的合作思维。

因此，培养学生的工程思维、创新思维和合作思维，促使学生的学习方式从被动学习转向“自主、合作与发现”学习。以自主学习、融合交叉、团队合作能力和工程能力为目标，同时融入“爱国、爱家、爱自己”的思政情怀进行钢的热处理原理与工艺课程的教学改革。

2 课程教学大纲的改进

钢的热处理原理与工艺课程是以金属学基本原理、钢的热处理原理揭示常见工程材料的化学成分、工艺、组织及力学性能之间的关系与变化规律，并能够运用这些原理和规律进行热处理工艺的制定。掌握本课程内容是培养学生分析解决工程实际问题能力的重要环节之一，同时为学生进行后续专业课程的学习，完成工艺课程设计、毕业设计打下良好的基础。根据金属材料工程专业人才培养目标、毕业要求确定课程体系，钢的热处理原理与工艺作为金属材料工程专业模块中的核心课程，课程的教学目标要有效支撑毕业要求的三个指标点，如表1所示。通过本课程的学习，学生在技能、知识、能力和素质方面达到以下目标。

表1 课程教学目标与毕业要求的对应关系

教学目标1：掌握钢的固态相变的基本原理和规律，能够用于识别和判断钢在不同的热处理条件下产生的典型组织、相结构，并能够运用固态相变原理和规律对热处理工艺进行改进。

教学目标2：掌握常用热处理工艺的基本过程和影响工件热处理性能的关键因素，能够根据工件特定的性能要求，对其进行热处理方案设计。

教学目标3：能够识别和预判不同热处理工艺过程中可能出现的缺陷，利用固态相变的基本原理和规律，结合钢的成分、组织、工艺和性能之间的关系分析原因，提出合理的热处理工艺方案，并进行实验论证。

钢的热处理原理与工艺涉及钢的热处理原理、工艺等多方面知识，课程主要讲授钢的固态相变的基本原理和规律，并阐述了利用相变原理调控钢的相结构和组织、提高性能的工艺方法。

三个毕业要求指标点中均涉及运用相关的专业理论知识识别工程问题并提出解决方案，同时有创新意识的体现。因此，课程大纲的制定不仅要明确固态相变的基本原理和规律，同时将钢的化学成分、工艺、组织及力学性能之间的关系与变化规律应用于工程实践中，与材料发展的时代特征相结合，发掘学生的创新意识。

3 教学方法的应用

课程教学应紧扣以学生为中心、以目标为导向和以持续改进为机制三个方面进行，事实上从《论语》即可看出，早在春秋时期，孔子对弟子的教学就遵循这三个方面的原则。

以下就从这三个方面讲述钢的热处理原理与工艺课程的教学方法在课堂中的应用，同时结合线上网络教学平台进行教学实践。

3.1 “三人行，必有我师焉”：分组讨论（以学生为中心）

本课程传统的教学模式是教师课堂讲授，学生被动听课，学生是被动学习。工程教育专业认证下的课程教学改革核心理念首先就是以学生为中心，让学生成为课堂的主人，只有学生主动地学才更有成效。因此，在传统授课的基础上，需要进行翻转课堂教学调整，采用分组讨论的形式激励学生提高学习的主动性与学习兴趣。整个课题组的教师（根据学生分组情况，每次讨论课5 ～6 个小组，每组5 ～6 人，每组1 位教师参与）以引导员的身份参加每次分组讨论。

例如，针对教学目标1 设计的一次讨论课题目为“钢的奥氏体相变、珠光体相变、贝氏体相变、马氏体相变的特点和性能及其相对应的热处理工艺”，教师引导学生在自主学习和讨论的过程中掌握钢的固态相变的基本原理和规律，并能够用于识别和判断钢在不同的热处理条件下产生的典型组织、相结构。

学生作为课堂讨论的参与者，是学习的主体。在小组讨论前，学生需要提前熟悉任务，并通过查阅文献或观看网络教学视频来完成任务。这就要求学生主动参与，并且用心去查找、归纳并总结，而不是被动地接受知识点，增加了学生学习的主动性。而且，每个人的基础知识、认知经验是不同的，因此，完成任务时的着重点也因人而异。子曰：“三人行，必有我师焉。择其善者而从之，其不善者而改之。”在讨论的过程中，每位学生都要发言，同学之间的作用甚至比教师更加重要，学生各抒己见，相同点大家互相加深理解；不同点进一步阐明，互相之间拓宽思路。

讨论结束后学生进一步总结并输出自己的收获。课堂中的对话与讨论使学生将教学目标的知识点吸收内化，积极参与、主动参与课堂的讨论环节才有成效；教师作为外部力量在学习过程中激励学生，强调学生积极看待自我的能力，内外共同作用提升学生的学习过程效益。

教师作为课堂讨论的助手，是学生学习的引导员。首先，分组讨论的内容需要教师精心准备，布置的任务内容紧扣教学目标。其次，在整个讨论过程中，教师要细致地观察并对学生的发言及对话给予肯定和引导。教师的激励会对学生的学习行为形成外部强化；合理的引导将学生的思考方向导向课程的目标内容。最后，教师要观察并记录学生思考问题的角度以及学生对于专业内容的关注点、兴趣点，进行课后反思，从而在自己以后的课堂教学中加以应用，及时改进、及时反思，形成以目标为导向、持续改进教学模式的良性循环。

3.2 “学而时习之”：观察与分析（以目标为导向）

翻转式课堂教学以学生为中心，可以提高学生的学习主动性与学习兴趣，但是由于教学资源有限、课程学时限制和课程内容本身的专业性等原因，工程类专业课程仍将以教师讲授为主，因为知识传递最有效的方式就是讲，传统教学在这个环节上是有效的，也是唯一有效的[7]。因此，工程教育认证下钢的热处理原理与工艺课程的改革重点在于如何以目标为导向进行教学设计。《论语》在开篇就提到“学而时习之，不亦说乎？”，学到的东西要时常练习、实践。那学到的是什么呢？是知识。如果一门心思只学知识，而不想着如何让学到的知识服务于自己，服务于社会，造就的无疑是一些“闭门造车”“纸上谈兵”的书呆子和百无一用的书生。因此，“习”才是“学”的最终目标，这一点和工程教育认证的教育理念是一致的。

课程大纲中支撑毕业要求的三个指标点均涉及钢的制备和服役工程问题的解决及改进。讲课过程中通常需列举很多实际生产中钢的热处理工艺及服役的例子，如果只采用教材中的例子，学生在学习的过程中首先要熟悉该实例，包括工艺、条件、环境等，然后再和课程目标内容去结合、对应，这就增加了学生学习的认知过程，很有可能在某个环节跟不上或者开小差，教学效果较差。如何才能引起学生对生产实例的共鸣并产生学习的兴趣呢？

首先，实例要与学生的日常生活、金工实习、生产实习和综合实验等实践活动相结合，学生对这些实例中的材料、条件或性能等某一方面是了解甚至是熟悉的，先引起学生的兴趣，然后再联系课程目标展开讲解，理论联系实际，能让学生更好地理解并引起共鸣。

其次，实例要结合大国重器与“卡脖子”清单，大国重器是中国自发研制的具有世界领先水平的科技、工程装备，其中有一部分涉及金属材料制备和服役工程问题，将相关视频内容剪辑并在课堂中播放，让学生更加直观地认知自己所学的专业对社会及整个国家的作用及贡献，不仅能够增加学生学习专业知识的兴趣，更能激发青年学生的爱国热情。

例如，第三集“通达天下”中讲述了用于打造新一代泵车86 米超长泵车臂架的高强钢板的制备过程，通过一道重要的热处理工艺将400 MPa 的普通钢板加工成1 800 MPa 的高强钢板。在热处理过程中，加热速度、加热温度、冷却液速度和流量等参数均需要精准控制，这些都是工程师团队经过上千次的试验，不断改进设备以及不断调整参数才获得的宝贵经验。通过对这个例子的讲解及分析可以达到教学目标：特定需求的金属材料复杂工程问题的方案设计，以及结合相关专业理论对金属材料研究过程中发现的问题进行分析。《科技日报》的报道中列出的“卡脖子”清单，如表2所示，其中有许多和金属材料相关，也可以激发学生的求知欲望和自我探索意识。

表2 《科技日报》报道中列出的“卡脖子”清单

在讲授过程中，教师要明确教学目标，坚持目标为导向的习与学相结合的教学设计及教学方法，课堂实践加课后反思，及时改正错误与不足，改善课堂教学效果；同时随时随地地提醒自己跟上时代步伐，紧跟科技进步的脚步，始终将科技、工程进步与课程目标相结合。

3.3 “温故而知新”：对比与总结（以持续改进为机制）

子曰：“温故而知新，可以为师矣。”这句话的意思是：在温习旧的知识时，能有新的收获，就可以当老师了。事实上对待新的事物，人们总会用自己已有的知识和经验来解释，旧的知识是学生理解和掌握新的知识的基础。如果教师将所要讲授的知识跟学生已有的知识和经验进行连接，就会消除学生对于未知的畏难情绪，激发学生解决问题的探索欲。在解决问题的过程中，学生在旧的知识基础上进行拓展、延伸和总结，便升级为新的知识，从而完成属于自己的知识建构。

激励学生、调动学生激活已有知识和经验的最好的办法就是提问。给讲授的重要内容匹配适当的问题，用问题引导学生思考，激发学生用已有知识分析问题，进行总结，而答案就是原本要讲的一点一点的目标内容。也可以设计连环型问题，一步一步地将学生的思考引向目标内容。比如在讲解钢在淬火处理后的硬度时，以不同含碳量的钢淬火后的硬度曲线图（如图1所示）提出问题。3 条曲线分别是经过三种不同处理工艺获得的钢的硬度曲线，曲线1 是在高于Ac3及Accm单相区加热淬火后冷处理；曲线2 是亚共析钢在高于Ac3、过共析钢高于Ac1加热后淬火；曲线3 是在高于Ac3及Accm加热后淬火。首先让学生进行观察：随着含碳量的增加，钢淬火处理后的硬度是如何变化的。在观察的过程中学生会有各种各样的疑问，而教师要通过提问将学生的思维汇集在一起。要求学生从3 条曲线的变化规律中找出相同之处和不同之处。可以针对相同与不同引出两个问题。为什么不同的淬火工艺得到的硬度曲线是相同的？是什么原因造成了同一含碳量的钢经不同淬火处理后获得了不同的硬度？依次讨论这两个问题，通过激活学生关于马氏体相变中成分、组织和转变特点等已有知识分析问题产生的原因，获得淬火工艺对于材料性能的影响规律。从而达成教学目标2 的掌握影响工件热处理性能的关键因素，以及教学目标3 的识别和预判不同热处理工艺过程中可能出现的缺陷，利用固态相变的基本原理和规律，结合钢的成分、组织、工艺和性能之间的关系分析原因。

图1 不同含碳量的钢淬火后的硬度及碳含量与残余奥氏体量的关系

通过问题提出、激发旧知、分析问题、总结归纳，从而获得新知，在此过程中同样可以提炼解决问题的方法，并将解决问题的方法拓展到其他相似的情况来解决大量相应的问题。在遇到复杂问题时，也能够通过对比的方式提出新的解决方案，实现创新。学生在对比与总结过程中持续学习；教师对本轮教学过程中的教学设计、教学方法进行反思并改进，持续指导下一轮教学过程。

3.4 “学如不及，犹恐失之”：网络平台主动探究

孔子讲到学习的态度问题时说，“学如不及，犹恐失之”。真正有志于学的人，应当有着唯恐学不到、唯恐学不会的紧迫感。事实上，确实有一部分学生既有勤奋的学习劲头，也有着探寻新知的迫切心情。当学生在作业或复习过程中有疑问或者想要超前学习时，可以随时到课程的网络平台，观看相应章节的视频，或者找老师当面解决，这样既能提高学生的学习效率又能节省时间。而对于一些学习能力相对较差的学生，在课堂上有未理解、未吸收的内容，在课后也可以通过观看教学视频复习并巩固。因此，建立钢的热处理原理与工艺网络平台是必不可少的。

视频教学内容侧重教学难点中的理论基础及原理和规律，每一个知识点至少匹配一个与课堂教学内容相关联的具体的实践工程应用。同时在网络教学内容中添加一些拓展内容，为一部分学生提供更多的学习与探索的模块，这部分内容还有待进一步思考和完善。

4 考核方法的改进

在工程教育专业认证体系中，培养目标不再是传统毕业时的要求，而是学生毕业五年时达到的实际工作能力，培养方案、课程大纲、课程体系、教学内容等都依据毕业要求制定，相应的课程考核环节也要改进。本课程一个重要的目标要求就是培养、提高学生分析解决工程实际问题的能力。因此，课程考核也应按照这个思路展开，指导学生从被动学知识转向学以致用。

为了加强对学生学习过程的监督管理，课程考核应打破以往单一的笔试和考勤评定成绩的方式，对平时课堂讨论、实验、课后作业等教学过程都按环节赋分，结合期末考试给出综合成绩。钢的热处理原理与工艺课程考核由课堂测试、小组讨论总结报告和结课考试三部分组成。课堂测试可以随堂通过网络平台直接发布，测试结果不仅可以判断教学过程中课程目标内容的达成情况，而且便于对下次课程的教学内容进行调整。整个课程进行的几次翻转课堂小组讨论情况及小组讨论总结报告也作为一项考核内容，个人成绩由小组组员互评的个人贡献率加和乘以项目小组总结报告成绩获得[8]。最后一项考核为结课考试，为了突出工程认证的能力培养目标，试卷考题应注重专业知识、应用知识、解决问题能力的综合。课堂测试、小组讨论总结报告和结课考试三项考核相结合不仅可以监督学生学习的过程管理，同时契合毕业指标要求，这样多元化的评价方式在真实考查学生掌握课程基本原理、基础知识的同时，也实现了培养具有工程应用能力人才的目的。