李 蕊， 賀 毅

(中國民航大學 工程技術訓練中心，天津 300300)

·實驗教學與創(chuàng)新·

基于CDIO的金屬工藝學課程體驗式教學改革

李 蕊， 賀 毅

(中國民航大學 工程技術訓練中心，天津 300300)

金屬工藝學課程是面向工科專業(yè)學生開設的一門重要的理論課程，在培養(yǎng)學生工程能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮重要作用。針對傳統(tǒng)教學過程中存在的問題，基于CDIO工程教育模式，按照體驗式教學方法，重新構建教學內容。并以工程能力培養(yǎng)為主線，創(chuàng)建以學生為主體，以教師為主導的教學模式，實踐證明，改革后的課程更適應學校應用型人才培養(yǎng)目標的需要。

金屬工藝學； CDIO工程教學模式； 體驗式教學

0 引 言

CDIO模式是新世紀國際工程教育改革的最新成果，它由美國麻省理工學院連同瑞典3所頂尖工業(yè)大學于2000年倡導創(chuàng)立。CDIO是Conceive(構思)、Design(設計)、Implement(實現(xiàn))、Operate(運作)的首字母，代表了產品、系統(tǒng)或過程的整個生命周期的所有環(huán)節(jié)[1-2]。CDIO理念是在充分聽取學術界、產業(yè)界、工程師和學生等各方面意見的基礎上形成的，適用于世界范圍內的工科學校。CDIO工程教育模式自從2000年提出以來，經過多年探索已被公認為當前國際工程教育改革中較為成功的教育模式。2005年，汕頭大學率先在我國進行CDIO改革[3]。我校從2009年開始進行CDIO工程教學教育改革工作。

從實施CDIO的學科專業(yè)來看，我國CDIO工程教育改革主要集中在“機械類、電氣類、化工類、土木類”等4大類專業(yè)，盡管已經突破了CDIO最初應用在機械、航空航天、電力和汽車專業(yè)的局限，但是在我國進行的CDIO改革學科專業(yè)范圍還較窄[4]。實施CDIO教學改革的課程多集中在電工電子實訓[5]、金工實習[6]、數(shù)學實驗課[7]等實踐性的課程中，理論課程的CDIO改革實踐還較缺乏。

1 體驗式教學一實施CDIO工程教育改革的重要組成

1.1 體驗式教學概述

體驗教學的建立可追溯到20世紀初，杜威放棄實驗室的研究方法，而把真實的學校生活作為研究對象，他反對傳統(tǒng)教學以教師、課堂、教材為中心，而主張教學應以學生、活動、經驗為中心[8]。體驗式教學思想在我國有深厚的歷史淵源，“體驗”的語義出自《淮南子. 氾論訓》：“故圣人以身體之”?！冬F(xiàn)代漢語詞典》中對“體驗”的解釋是“通過實踐來認識周圍的事情；親身經歷”[8]。

國內學者們一致認為，體驗式教學的概念涉及的關鍵詞為體驗、實踐、環(huán)境和經歷。體驗式教學是通過實踐來認識周圍事物，用親身的經歷去感知、理解、感悟、驗證教學內容的一種教學方法。體驗式教學確保學生的主體地位，關注學生學習過程中的情感體驗，利于學生對知識經驗的積累，利于學生培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。體驗式教學被認為是素質教育的理想選擇[9]。1999年，國家少工委鮮明地提出“在實踐中體驗”的教育思想，從20世紀90年代中期開始，國內展開了體驗式教學的梳理和研究[8]。

1.2 體驗式教學符合CDIO的“一體化”核心理念

“一體化”是CDIO工程教育模式的核心思想，它直接體現(xiàn)在CDIO標準3(一體化課程計劃)和標準8(一體化學習經驗)[10]。CDIO模式下的一體化課程計劃是一種在整合工程學科知識和專業(yè)知識的基礎上，實現(xiàn)知識、能力和態(tài)度一體化培養(yǎng)的課程設計。

體驗式教學方式符合“一體化”的人才培養(yǎng)思想，兩者存在深度契合。體驗式教學過程常采用經典的五段式教學方法，即“入境激情-對話怡情-探究動情-實踐縱情-評述析情”[11]。五段式教學模式將各章節(jié)教學內容進行項目化設置，學生在學習基本知識的基礎上，對教學內容(項目)完成包括構思、設計、實施、改進和展示全過程的團隊項目研發(fā)。該方式將以學生作為主體，實現(xiàn)學生從探索知識到實踐應用知識的全過程，把知識與能力整合在一起。從根本上說，體驗式教學符合CDIO“一體化”教學思想。

1.3 體驗式教學符合CDIO標準要求

CDIO標準7、8、10關注教學環(huán)節(jié)，描述了提高教學質量的方法。其中標準8指出，基于主動經驗學習方法的教與學[12]。主動學習和經驗學習方法不將重點放在被動的信息傳遞上，而是放在讓學生更多地從事操作、運用、分析上。

體驗式教學是主動性、經驗性地教與學方法的典范。它倡導學生主動參與、探索知識、交流合作，改變教學過程中過分依賴教師、教材，突出知識的建構，將課堂變成一個充分展示學生主體性與主動性的學習情境。目前體驗式教學作為一種有效的手段，已應用在英語、計算機編程、信息技術等理論課程的改革中[13]，是理論課程在CDIO工程教育模式下進行改革探索的有效途徑。

2 CDIO模式下金屬工藝學課程體驗式教學改革路線

2.1 金屬工藝學課程現(xiàn)狀

金工課程又稱工程材料及機械制造基礎，由金屬工藝學和金工實習兩部分組成，是面向工科專業(yè)學生開設的，極具特色的一門專業(yè)技術基礎課，其內容包括金屬材料及其性能、金屬熱加工(鑄造、鍛造、焊接、熱處理)，以及冷加工(切削加工)等理論知識[14]。金屬工藝學是該課程的理論部分，其內容來源于生產實踐，是一門實踐性、綜合性、應用性很強的理論課[15]。該課程是理論教學與實踐教學連接的重要紐帶，其上承機械制圖、工程材料；下啟機械原理、機械設計；并與金工實習、維修實習緊密聯(lián)系，在整個課程體系中承上啟下，是建構學生完整的知識體系，培養(yǎng)學生工程能力和創(chuàng)新能力，至關重要的教學過程[16]，如圖1所示。針對學校培養(yǎng)航空航天類人才的需要，我校在該課程中還滲透了航空材料、飛機零件成形工藝與技術、發(fā)動機零件選材、服役情況分析等與專業(yè)知識相關的內容。但以往教學工作中，金屬工藝學課程遇到如下問題：

圖1 金屬工藝學課程的定位

(1) 金屬工藝學課程體系源于上世紀50年代，是借鑒前蘇聯(lián)相關體系基礎形成的。隨著制造技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域的新材料、新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)，金屬工藝學所涵蓋的內容已越來越豐富。由單純講授金屬材料，擴展到復合材料、功能材料；加工工藝已由傳統(tǒng)的冷、熱加工，擴展到聲、光、電等特種加工方法；加工設備由傳統(tǒng)機床擴展至數(shù)控機床、加工中心，不斷擴充的教學內容增加了教師教學及學生學習的難度。

(2) 金屬工藝學教學多采用傳統(tǒng)的“教師講”“學生聽”的課堂教學方式，缺乏學生自主參與，很難喚起學生的興趣和積極性。并且由于課程本身教學內容面廣頭緒多，學生又多為大一新生，對工業(yè)生產了解甚少，學習該課程時極為困難，課程教學質量難以提高。針對上述問題，我校金屬工藝學課程進行了一系列的改革探索，現(xiàn)將150145工業(yè)工程專業(yè)課程的改革情況進行梳理。

2.2 金屬工藝學課程改革

金屬工藝學課程是一門理論性和實踐性都很強的學科，適合開展CDIO教學模式改革[17]。對照CDIO標準，教學改革工作從課堂理論教學、實踐教學和教學評價三個方面展開，如圖2所示。理論教學部分簡化基礎知識的講授，將淺顯易懂的教學內容布置學生課下自主完成學習。課堂講解針對重難點內容，授課形式采用體驗式教學的五段式授課方法，授課過程中結合航空專業(yè)特色，增加案例介紹。此次教學改革在夯實基礎理論的同時，增加了實驗、實踐、參觀環(huán)節(jié)，學有余力的學生還可借助CDIO工作坊進行項目開發(fā)。教學評價部分完善了考核方式，考察學生課程全過程的學習效果，這更加符合CDIO標準11的要求。并建立教學反饋機制，通過課下交流、學生問卷調查等形式反饋教學效果，及時完善教學改革方案。

圖2 CDIO教學模式金屬工藝學體驗式教學改革思路

3 CDIO教學模式下“體驗式”教學方式改革實施

3.1 金屬工藝學課程理論教學部分的改革實踐

3.1.1 優(yōu)化教學內容配置

面對金屬工藝學課程篇章多、內容繁雜，而課時有限的現(xiàn)狀，如何優(yōu)化配置教學內容，充分、高效地利用課堂教學時間，是教學改革亟需解決的問題之一。課堂教學的改革思路是簡化基礎知識講解過程，以重難點知識為主，突出學習脈絡。以往課堂教學過程中基本概念、基礎知識講解占用了大量時間，現(xiàn)將該部分內容布置學生課下完成，教師將PPT、視頻等資源上傳至Bb平臺，自學過程中學生遇到的問題可通過電子郵件及時與教師取得溝通，并刪減陳舊、繁雜且應用性差的教學內容。

3.1.2 增加互動式案例教學

以往金屬工藝學教學工作以教材為基礎，逐章節(jié)講解各知識點，內容枯燥，不易理解，很難引起學生的興趣。教學改革結合學生的專業(yè)背景，增加案例介紹，對現(xiàn)代工業(yè)新涌現(xiàn)的制造工藝加以簡介。案例情境的引入使學生體驗到所學知識在生產實踐中的真實應用，激發(fā)學生的學習熱情。

例如，講解第一篇第二章晶體結構時，學生不易區(qū)分單晶體、多晶體的概念，對晶體結晶過程難以理解。針對這一問題，講授過程引入“中國突破發(fā)動機單晶葉片核心技術打破壟斷”的案例，介紹中航工業(yè)自主研制的單晶葉片，并講解發(fā)動機單晶葉片制造結晶過程，區(qū)分單晶葉片與多晶葉片的差異。學生在單晶葉片制備的教學情境中，直觀體驗到單晶體與多晶體的區(qū)別，對晶體結晶過程有了全面認識。又如在介紹第五篇切削加工時，學生對鉗工加工存在認識的局限，對于整個篇章學習興趣較低。教學改革后引用“國產大飛機C919制造過程中應用鉗工工藝制造核心部件”的案例，該核心部件用銼刀手工銼削獲得，學生極為震撼。案例情境在教學過程中的應用，使學生了解到產品由構思-設計-實現(xiàn)-運作的全過程。

3.1.3 完善授課方式

教學改革突出體現(xiàn)在轉變以往填鴨式教學模式，將金屬工藝學各篇章教學工作進行項目化劃分，教學形式以“五段式”教學模式策劃。課前準備階段，負責各章節(jié)的學生分成學習小組，各章節(jié)的理論知識以項目形式布置給學生。學生在組內團隊合作準備素材，各組學生再共同策劃各章節(jié)(項目)的總體實施方案，并在課前進行彩排改進，教師在過程中監(jiān)督、引導。課堂教學階段，學生依次走上講臺對知識展開有情境設置的、相互聯(lián)系的課堂教學活動。并對具備實驗條件的理論內容開展實驗、實踐、參觀環(huán)節(jié)，最后由授課教師總結，評析，全過程如圖3所示。教學過程中，學生以團隊協(xié)作方式進行自主探究式學習，教師起引導作用，促使學生完成依次構思-設計-實施-展示的全過程。

以第一篇第四章工業(yè)用鋼為例，該章節(jié)要求學生了解常用的工業(yè)用鋼，從各種鋼材的化學成分和微觀組織結構入手，認識鋼材在性能上的特點，理解各種鋼材的應用范圍。教學過程中，將該項目的學生分為4組，分別在引入教學情境、對話探索、探究知識、實踐升華4個方面進行準備。課下學生預習了教材中的相關內容，并利用互聯(lián)網(wǎng)資源、圖書館中文數(shù)據(jù)庫資源，搜集了眾多案例，隨后針對整個篇章展開構思、設計，不斷排練改進，最終在課堂上實現(xiàn)。

圖3 CDIO教學模式下金屬工藝學課程改革實施方案

(1) 引入教學情境。該章節(jié)課堂實現(xiàn)環(huán)節(jié)中，負責“引入教學情境”分組的學生代表首先站到講臺，分享了李克強總理2016年1月4日在山西太原座談會上的講話：“去年，我們在鋼鐵產量嚴重過剩的情況下，仍然進口了一些特殊品類的高質量鋼材。我們還不具備生產模具鋼的能力，包括圓珠筆頭上的“圓珠”，目前仍要進口?！甭牭竭@里，學生已經被帶入總理講話的情境中，并對于鋼材產生了繼續(xù)探究的初始興趣。該同學繼續(xù)說“如果不是總理說出來，估計好多人不知道，我國年產400多億支圓珠筆，然而核心材料高度依賴進口。據(jù)介紹，國外設備對原材料的要求相對更高，國產不銹鋼線材無法使用，必須依靠日本進口易切削不銹鋼線材，……”經過該學生生動的引入教學情境環(huán)節(jié)，學生們已被充分激發(fā)求知欲望和學習熱情。

(2) 對話探索。負責“對話探索”分組的兩位學生代表來到講臺，對工業(yè)用鋼展開對話式的探索。設問1：“鋼材的力學性能(學生已學習材料力學性能章節(jié))千差萬別，應用的場合各異，這是什么原因？”學生答“鋼是鐵和碳的合金，根據(jù)需要還會添加合金元素，化學成分不同，性能自然有差異。”設問2：“鋼材的這些差異有沒有規(guī)律可循呢？”學生答：“不同元素對鋼材性能的影響是有規(guī)律的，不同化學成分的鋼材在微觀組織上的區(qū)別決定了其性能的差異?！苯涍^兩次設問，學生已經清晰認知到該部分知識的學習脈絡“鋼材化學成分-組織-性能-應用”四者的關系。

(3) 探究知識。經過上述環(huán)節(jié)的引入探究，學生主體對知識的獲取產生強烈的欲望，達到“動情”的狀態(tài)。負責“探究知識”分組的學生代表走上講臺，講解鋼材中各元素對性能的影響，各種化學成分鋼材微觀組織的差異，以及不同鋼材的性能特點及應用。此后，授課教師總結上述知識，并介紹常用的航空用鋼，如應用于發(fā)動機渦輪軸、曲軸的調質鋼40CrNiMoA，用于制造起落架、機翼大梁等的超高強度鋼30CrMnSiNi2A等。此時，學生的情緒和思維已被帶入生產實踐的情境之中。

(4) 實踐升華?！皩嵺`升華”的分組代表，介紹各種鋼材的顯微組織結構可通過金相顯微鏡觀察到，鋼材的強度、硬度、沖擊韌性等性能可通過實驗測得。該同學將實踐課的內容、要求介紹給學生，并布置了下次實驗課的預習作業(yè)。學生通過前幾個階段的學習，獲得了知識，豐富了情感，鍛煉了能力。最后，教師對學生課堂表現(xiàn)進行評析，補充課程內容。學生之間開展評析、學生自我也進行評析，幫助學生認清已有水平，發(fā)現(xiàn)自身不足，為后續(xù)學習打下牢固的基礎。

3.2 金屬工藝學課程實踐教學部分的改革實踐

“做中學(Learning by doing)”是CDIO工程教育改革的三個戰(zhàn)略之一，杜威指出“從做中學是比從聽中學更好的學習方法，做中學就是從活動中學，從經驗中學”[12]?！皩嵺`縱情環(huán)節(jié)”是CDIO教學模式體驗式教學方法與傳統(tǒng)理論教學方式最主要的區(qū)別之一。我校工程訓練中心是國家級實驗教學示范中心，實習工廠配有各種機械制造設備，是學生參觀實踐的理想場地。工程中心于2012年建成“CDIO鉗工工作坊”，工作坊中配備了機械制造過程中常用的工具和設備，供學生進行項目開發(fā)。2014年，工程中心又建成了“航空材料維修工藝檢測與質量分析實驗室”，實驗室中配置了金相顯微鏡、沖擊試驗機、硬度計等分析材料組織、性能的測試儀器。應用上述設備，理論教學的各章節(jié)均可根據(jù)其特點開展實驗、實踐、參觀環(huán)節(jié)，使學生更直觀地認識理論知識。第一篇第四章的實踐教學環(huán)節(jié)安排兩個試驗，區(qū)別傳統(tǒng)實踐課程，試驗項目結果需由學生親自探索獲得。

(1) 鋼的金相組織觀察實驗。理論教學階段，學生已經充分認識材料“成分-組織-性能”這三者之間的關系，該項目要求學生通過觀察金相組織區(qū)分鋼材試樣。學生學習如圖4(a)所示的金相顯微鏡的使用方法，并對如圖4(b)所示的3個鋼材試樣進行觀察分析。結果顯示，外觀并無明顯差異的3個試樣，其顯微組織呈現(xiàn)極大的區(qū)別。試樣1在放大100、200、500倍下分別觀察到圖5所示的顯微組織照片，經分析認定該組織為鐵素體和少量分布的三次滲碳體，判定試樣為典型的工業(yè)純鐵(含碳量<0.0218%的鐵碳合金)。試樣2在金相顯微鏡下觀察到典型的珠光體組織形貌，即層片狀鐵素體與滲碳體交替出現(xiàn)，如圖6所示，試樣判定為共析鋼(含碳量0.77%的鐵碳合金)。試樣3在金相顯微鏡下觀察到共晶萊氏體，即珠光體與滲碳體的混合物，如圖7所示，此試樣為共晶鑄鐵(含碳量4.3%的鐵碳合金)。該實驗使學生直觀觀察到不同材料微觀組織形貌的差別，進一步認識到材料化學成分與微觀組織的關系。

(a)

(b)

圖4 金屬組織形貌觀察設備及試樣

(a) 100×

(b) 200×

(c) 500×

(a) 100×

(b) 200×

(c) 500×

(a) 100×

(b) 200×

(c) 500×

(2) 力學性能測試。該實驗安排學生親自動手操作如圖8a所示的便攜式里氏硬度測試儀，對鋼材試樣進行硬度測試，并利用擺錘式沖擊試驗機(如圖8b所示)對材料的沖擊韌性進行測量。分析測試結果，學生獲得鐵碳合金隨碳含量的增加，硬度提高，韌性下降的結論，印證了理論教學的結果。實踐過程中，學生應用理論知識，通過實踐證實理論知識的正確性。

3.3 金屬工藝學課程教學評價部分的改革實踐

CDIO標準11對學習考核做了闡述，考核應考察學生在個人、人際交往能力及過程的建造能力等方面的學習效果。此次教學改革摒棄傳統(tǒng)理論課程考核以考試分數(shù)簡單評定學生的方式，多元化評價學生學習效果，增加平時成績比重，弱化期末考試分數(shù)的比例。教師課下參與學生小組討論活動，全方位考察學生在項目組內的學習、團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維等方面表現(xiàn)。使考核結果更全面地反映學生學習全過程的情況，考核按表1進行。

(a)里氏硬度測試儀(b)沖擊試驗機

圖8 力學性能測試設備

表1 金屬工藝學考核比例

建立教學評價機制方面，此次教學改革旨在從教師、學生、用人單位等多方面聽取教學意見。教師課后自身總結、發(fā)覺問題，定期開展教學研討會。學生通過課后交流及問卷調查反饋教學意見，反饋結果顯示學生普遍對該課程的改革給予認可，主要反映在：① “五段式”授課方式激發(fā)了學生的學習興趣，主動參與的熱情高。② 新增設的實踐環(huán)節(jié)提高了學生的實踐技能、分析和解決問題的工程能力。理論與實踐相結合，縮短了學生與實際工程的距離。③ 學生的創(chuàng)新能力及創(chuàng)新自信心得到極大增強，有學生主動聯(lián)系老師，提出申請參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、各種競賽的意愿。學生也反映了課程改革中存在的一些問題，如自學環(huán)節(jié)占用了學生較多的課余時間，增加學習負擔；再如分組學習中，每個組都是由一兩個能力比較強的學生來支撐整個內容，其他學生“搭便車”情況比較突出，教學改革工作后續(xù)還需要進一步調整完善。

4 結 語

當前，各國教育界已從“重教”轉向“重學”，體驗式教學順應這一趨勢[18]，與CDIO工程教育改革理念完美契合，是理論課程實施CDIO改革的有效策略。結合學校發(fā)展規(guī)劃，突出我校專業(yè)特色，基于CDIO的金屬工藝學課程體驗式教學改革工作正在穩(wěn)步推進。我們將繼續(xù)探索推進金屬工藝學教學向更高層次發(fā)展，推動學校工程教學改革，更好地服務于培養(yǎng)適應現(xiàn)代民用航空所需的工程技術人才。

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Experiential Teaching Reform on Metallurgical Technology Course Based on CDIO Training Mode

LIRui,HEYi

(Engineering and Technology Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Metallurgical technology is an important theoretical course for engineering students. This course is an important step for the training of talented personal with the ability of engineering practice and innovation. Facing on the problems of the traditional teaching in metallurgical technology, based on CDIO engineering training mode, the teaching content is reconstructed depending on the teaching mode of experiential teaching. Course design takes engineering capability cultivation as the main line. Students are treated as the main body, and the teachers as the guide in class, the reformed courses are much more suitable to the demands of applied talents training.

metallurgical technology; CDIO training mode; experiential teaching

2016-06-23

國家重大科技專項課題(2013ZX04001071)；中國民航大學教學改革項目(CAUC-ETRN-2014-19)

李 蕊(1984-)，女，天津人，碩士，講師，研究方向：航空機械及制造。Tel.:13821201303；E-mail：ruili@cauc.edu.cn

TG 11；G 642.0

A

1006-7167(2017)06-0186-06