新工科下《工程材料学》线上...学改革与虚拟实验方案的探索_黎雨.pdf

2023年第22卷 第2期产业与科技论坛2023（22）2Industrial&Science Tribune新工科下 工程材料学 线上教学改革与虚拟实验方案的探索黎雨徐春【内容摘要】针对新工科背景下 工程材料学 课程线上教学校企壁垒增大、监督模式复杂、原理性知识点讲解抽象以及线上实验教学模式改革困难等问题，本文提出了基于线上课程授课内容、评价体系以及产教融合方案的改革，和虚拟实验平台的搭建与共享，以应对“新工科”下教学模式与方法的优化以及虚拟实验教学模式的探索，为培养新时代科技创新人才提供参考。【关键词】工程材料学;新工科;线上教学;虚拟实验;平台建设【作者单位】黎雨，徐春;上海应用技术大学材料学院一、引言2020 年伊始，教育部为保证“停课不停学”，号召各高校基于“互联网+教育”教学模式进行线上教学1。对以传统教学为主，线上为辅的教学模式形成一定的冲击。教学方式的改变、教学软件与硬件的不够充分，以及“新工科”下实验教学模式的探索，对新时代教师教学的综合能力提出了更高的要求。线上教学，即通过应用信息科技和互联网技术进行内容传播以及快速学习的方法2。线上教学的形式主要包括视频公开课、网络教育课程、在线开放课程等。与传统教学相比，线上教学不受时间、空间限制，可依托网络平台如雨课堂、中国大学慕课、智慧树、超星等工具。但与此同时，教学的实施效果也相对更难把控。如网络直播教学过程中难以对学生知识的接收程度、参与程度以及完成作业的情况进行实时监督。在硬件方面，线上教学依赖于教师与学生所处环境的网络以及设备情况，如果网络不稳定，会出现语音卡顿、平台下线等特殊状况。因此，基于新工科的线上教学改革势在必行，探索新教学模式与优化教学方法也迫在眉睫，不断提升自身综合素质以应对线上教学的改革挑战成了教师的必修课。更为重要的是，对于实践性较强的课程，实验教学至关重要。传统的实验教学模式主要表现为“灌输式”3，实验前的预习环节比重较小，往往只是简单地讲述注意事项后，学生直接进行实验操作，既不利于科技创新能力的培养，也忽略了实验过程的细节问题。课内实验的线上实施方案与虚拟仿真平台仍处于探索与建设阶段，无法满足大部分地方高校的需求。同时，线上虚拟实验在培养学生的动手能力方面仍有欠缺，在“新工科”背景下如何进行多元化虚拟实验教学方案的实施成为重中之重。二、工程材料学 课程特点及线上教学存在的问题工程材料学 是材料科学与工程专业金属材料方向的专业基础课程，具有理论性和实践性都强的特点。目的是使学生在学习钢铁冶金基础、材料科学基础、金属热处理原理及金属材料性能的基础上，进一步学习和分析钢的合金化原理、钢的强化方法及提高钢的强韧性措施，熟悉各种工程材料的使用条件、成分、生产、金属改性工艺及使用性能之间的关系，为学生以后从事材料科学与工程及领域相关的工作打下良好基础。同时，为适应新工科教学的要求，增加学生根据工作材料的工作条件及性能要求对工程材料进行自主设计的实验教学部分，进一步培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的职业素养和交流沟通能力。基于以上要求，该课程理论知识既包括了金属合金化、组织设计与强韧化机制原理，又包含了企业生产过程各种工程构件用钢、机器零件用钢、工具钢等的实际热处理工艺。但目前在课程教学中这部分主要以理论讲解为主，实践参与及实验环节较少。以上海应用技术大学材料科学与工程学院开设的 工程材料学 课程为例，该课程教学学时为 48 学时，而实验学时仅为4 学时。在仅有的4 学时下，课程的实验教学部分依然是验证性实验，包括铁碳相图的平衡组织观察、热处理工艺以及硬度实验等。一方面，笔者了解到在前一学期的 金属学热处理实践 课程中已包含此部分实验工艺的教学，再次验证会降低学生的积极性，引起浮躁、厌学的情况;另一方面，虽然加入了验证性实验，但对于开发学生对于工程材料自主设计的能力仍然缺乏，如热处理工艺均是教师自行制定，不符合新工科培养学生创新意识和提高科研能力的要求4。特别地，在分析以上课程特点的基础上，工程材料学课程的线上教学，仍存在以下问题:一是校企壁垒增大，由于部分教学内容滞后于产业技术发展，传统教学会利用企业现场观摩的方式加深实践印象。而线上教学仅仅只能实现网络平台授课的效果，造成高校人才培养与企业技术需求之间不匹配的程度增大。二是线上教学监督模式复杂，如借助腾讯会议平台直播授课，需在课前 5 分钟要求学生全部打开摄像头观察，无疑降低了授课的效率，若中途有学生退出也无741产业与科技论坛2023年第22卷 第2期Industrial&Science Tribune2023（22）2法及时发现，起不到监督的作用。三是原理性知识点讲解抽象，如工程结构用钢中的韧脆转变温度的知识点，传统教学可用板书和绘图的方式加快学生对于屈服强度和断裂强度随温度变化的规律的知识，而线上教学无法解释此过程，因而起不到加深印象和理解的作用，同时由于与学生的互动减少，更加无法让教师掌控学生对于知识点的把握情况。四是线上实验教学模式改革困难，上述已提及，在短课时下的验证性实验无法激发学生的科研创新意识，同时也起不到验证理论学习中工艺成分组织性能的链条规律的效果。因此，亟须对此课程的线上教学与虚拟实验的改革方案进行探索。三、工程材料学 线上教学改革方案的探索(一)线上课程讲授内容的改革。在进行学情分析的基础上，针对原理性知识点讲解抽象的问题，可制定线上教学方法学时划分方案，即采用不同的学习平台进行线上授课。对于一些科普性较强的学习内容，如绪论、“超高强度钢的热处理工艺”“热作模具钢的工作条件、时效方式和性能要求”等，可采用腾讯会议的平台进行授课;而对于理论性较强的章节，如钢的合金化基础、“工程构件用钢的性能特点”和“调质钢的热处理工艺”，可在中国大学 MOOC 上传电子教材、相关论文、扩展视频和课程回放等相关学习资源。根据学生线上预习情况，在课堂上针对重点、难点内容进行讲授5。同时，基于新工科下课程发展对于新技术、新产业与新业态的把握要求，拟加入部分基于选区激光熔覆的增材制造内容。在复杂结构制造方面，增材制造技术突破了传统减材和等材工艺难加工的局限，而且制造成本不随零件复杂性的增加而大幅度提高。作为一种新型的制造工艺，钢在增材制造过程中所经历的时间 温度变化过程同传统制造工艺相比有极大的不同。包括由于快速凝固所造成的非平衡凝固使得组织的细化、形貌的变化，晶体结晶的变化等。因此，此部分内容的加入能够丰富传统钢材的工艺，使学生了解到除了熔炼、铸造、锻造和轧制以外的新型工艺，提高学生的兴趣。在线上授课方面，利用中国大学 MOOC 平台将增材制造的参考资料如综述性文献、3D 打印视频、预习作业等提前录入课程以便学生预习，改变学生对于传统钢材成型环境的印象。(二)线上课程评价体系的改革。考核既是对学生学习效果的考核，也是对教师教学质量的检验6，传统线下教学工程材料学 课程的考核方式主要以平时成绩和期末成绩为主，分别占30%和70%。而平时成绩主要包括课程签到与平时作业。对于线上授课，平时作业的批改过程复杂而繁琐，无形中加重教师的负担。而且单一、比重大的期末考试无法客观性地反映学生的学习过程，弱化了学生的自主学习与实践能力。因此，线上教学需构建多元化的考核评定标准体系，增加多次过程化考核并且降低期末成绩比例，实时监控每位学生的学习动态。举例说明，工程材料学 课程可在1.2 章节后进行第一次过程化考核，占比20%，同时考核题目要降低客观选择与填空的比例，增加主观问答的理解。(三)线上授课产教融合的改革。为解决新工科下 工程材料学 课程企业实际与理论融合的问题，降低校企壁垒，在无法做到企业现场观摩研习的情况下，拟通过聘请企业导师做专题线上讲座的方式，将实际生产过程中钢材工艺、成分与性能问题进一步剖析。如工程构件用钢中的双相钢，理论下双相钢组织的获得方法有两种，即通过临界温度退火或通过热轧后控制冷却速度，但实际上化学成分、退火温度、两相比例和冷速往往是相互影响的，完整的工艺成分组织性能关系并不能通过简单的理论原理来设计。现有企业往往通过控轧控冷的机械热处理方法设计双相组织，在控制轧制量、轧制温度、冷却速度的多通道工艺参数下，可以设计不同比例与形貌的双相钢组织。因此，实际过程与理论原理仍然存在很大的偏差，拟通过企业专家对此过程的组织演化、热处理设备转换以及现场工艺的讲解，可以加深学生对于理论与实际之间偏差的掌握。四、工程材料学 虚拟实验教学改革方案的探索(一)虚拟实验平台的搭建与共享。为解决线上实验教学模式改革困难的问题，虚拟仿真实验平台的搭建已急不可待。虽然大多数高校都有实验教学软件的使用，但由于专业与课程情况不同，地方高校实验平台大都自成体系，使得虚拟仿真实验平台的共享困难。基于此，北京科技大学材料国家级实验教学示范中心新建的虚拟实验项目“金属材料成分、工艺、组织和性能一体化设计虚拟仿真实验”可以让学生在线学习并掌握实验技能，能满足大部分地方高校课内实验的需求。在仅有的 4 课时学习内容中，教师可在前面 2 学时内容中安排理论基础与实验认知的学习，此部分学习以三维动画的方式展示不同钢铁材料相图和微观组织演变的机理，帮助学生直观形象地理解并掌握基本原理和基本实验技能，如抛光机、硬度计、激光共聚焦扫描显微镜等实验仪器操作方法，不仅达到实验预习、考查学生理论知识与操作的目的，同时也极大地提高了学生的积极性。在后面 2 学时的内容学习中选择综合运用部分要求学生对工程材料进行自主设计，如要获得 1,000MPa 的屈服强度，需要什么组织、何种工艺、何种成分等，要求学生自主设计 3 种成分、22 种组织相应的热处理工艺，并完成工艺卡的撰写，如表 1 所示。此部分工艺卡的设计可针对不同学生选择不同目标组织，避免出现传统实验过程因分组而导致学生参与度不高的问题。表 1 工程材料学 虚拟实验教学设计工艺卡序号组织名称硬度值淬火温度保温时间冷却方式是否需要回火回火温度保温时间1回火马氏体2细晶马氏体3回火屈氏体4铁素体+马氏体(二)虚拟实验教学方式的改革。一方面，为避免再次出现“验证性实验”，全新的线上实验教学需结合生产实际，并丰富实验内容。如以实际生产或教师的科研课题为载体，不仅仅复习、掌握工程材料的相关理论知识，同时也使其具有8412023年第22卷 第2期产业与科技论坛2023（22）2Industrial&Science Tribune“专创融合”视角下 纳税实务课程思政教学改革探索 以个人所得税纳税实务项目为例王艳利王莹【内容摘要】本文从“专创融合”视角下 纳税实务 课程思政教学改革 个人所得税纳税实务项目整体设计、教学内容设计、教学实施过程、教学反思与考核评价等四方面进行探索，在对学生进行专业能力培养的同时，做好思政教育和创新创业教育，使学生树立正确的世界观、人生观、价值观和就业观，在毕业后尽快适应社会，把握正确的人生方向。【关键词】专创融合;纳税实务;课程思政;教学改革【基金项目】本文为陕西省职业技术教育学会 2020 年度关于国家“双高计划”建设学校课程思政专项研究课题“纳税实务 课程思政研究与实践”(编号:SGKCSZ2020 1577)、咸阳职业技术学院 2020 年度课程思政建设研究与实践课题立项“纳税实务 课程思政研究与实践”(编号:2020KCSZ135)、陕西省职业技术教育学会 2022 年度教育教学改革研究课题“双创竞赛 引导下物流管理专业群学生创新创业能力培育路径的探索与实践”(编号:2022SZX287)研究成果。【作者简介】王艳利(1968)，女，陕西咸阳人，咸阳职业技术学院财经学院副教授;研究方向:纳税实务、会计学基础教学王莹，咸阳职业技术学院近年来，高职院校从多方面对创新创业教育进行了实践与探索，形成了创新创业教育的理念，虽取得了一定成效，但仍存在基础薄弱、模式匮乏，与专业结合不紧密等问题，创新创业教育主要是培养大学生的创新创业意识、创新创业技能，更主要的是素质培养和道德培养。在专业课程教学中，将创新创业教育与课程思政教育进行融合既是必要也是必然的。实际应用的意义。比如，工程材料学 的实验设计，可以以双相钢为目标对象，要求学生在虚拟实验预习后设计不同比例的双相钢的热处理工艺。同时需对考核制度进行完善，如每组进行两次答辩，分别对实验方案的预习和实验后结果与预期的一致性进行说明和分析，这样不仅提高学生在实验过程中的互动性与积极性，也提高了学生的综合能力。另一方面，担任科研项目的指导老师，可指导学生申报材料类大学生创新创业研究课题，以项目为驱动，培养学生的创新能力。这样不仅仅在一门课程中，在整个大学生涯中都能充分调动学生自主学习的积极性和主动性，加强学生创新意识的培养。五、结语通过对 工程材料学 课程的学习，要求学生综合运用金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对工程材料各种性能的影响的基本规律，分析各种工程材料零件的化学成分设计、生产、金属改性加工和使用中的问题。针对此课程在新工科背景下校企壁垒增大、线上教学监督模式复杂、原理性知识点讲解抽象，以及线上实验教学模式改革困难等问题，本文分别提出了针对线上教学与虚拟实验的方案，以求深化面向新工科建设的课程教学改革，精确把握专业人才的培养方向，培养学生科技创新的能力。【参考文献】1 董旗，汪洪峰，刘胜荣工程材料及成形技术 课程线上教学方法探讨 J 内江科技，2021，42(4):146 147 2 王珏 新冠疫情下的线上教学初探J 大经贸，2020，3:106 108 3 陈娇娇，王娜，刘雅静，史成坤，齐海涛“双一流”背景下工程材料实验教学改革与实践 J 广州化工，2021，49(18):109 111+153 4 戴晓元，张健，华熳煜，寇丽丽 新工科背景下 工程材料课程实验教学改革探索 J 科技创新导报，2020，17(6):188+190 5 张翔，游文明，孔纪兰 工程材料与热加工课程混合式教学改革与实践 J 现代职业教育，2021，41:36 37 6 贺小伟，李平，张有强，刘金秀，王龙，弋晓康“机械工程材料”课程教学与考核方法改革探讨 J 新疆农机化，2020，1:46 48941