劉鳳芳 宮明龍 葉杰 房大然 張亞輝 羅紹華

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.011

摘? 要：實驗教學(xué)是大學(xué)教學(xué)過程中非常重要的實踐環(huán)節(jié)。當(dāng)代大學(xué)的實驗課教學(xué)應(yīng)和理論教學(xué)一樣都需要跟上新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要在新興技術(shù)范式下進(jìn)行實驗教學(xué)改革創(chuàng)新，豐富教學(xué)方法和內(nèi)容。以專業(yè)基礎(chǔ)課金屬學(xué)及熱處理課程中金相實驗教學(xué)為例。在樣品制備、熱處理、組織觀察和軟件分析等實驗過程中采用互動多媒體、智慧課堂、多學(xué)科交叉融合和視頻微課等新興教學(xué)技術(shù)及方法，同時融入思政元素。在提高學(xué)生興趣及綜合分析能力的同時進(jìn)行思政教育，培養(yǎng)具有工匠精神的新一代專業(yè)創(chuàng)新性復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：新興技術(shù)范式;金相實驗;思政教育;混合式教學(xué);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）17-0043-06

Abstract： Experimental teaching is a very important practice link in the university teaching process. The experimental teaching of contemporary universities should keep up with the development of the new economy as well as theoretical teaching. It is necessary to carry out experimental teaching reform and innovation under the emerging technology paradigm， and enrich the teaching methods and content. This paper takes the metallographic experiment teaching of basic course Metallography & Heat Treatment as an example. In the experimental process of sample preparation， heat treatment， tissue observation， software analysis， etc.， new teaching techniques and methods such as interactive multimedia， smart classroom， multi-disciplinary integration， video micro-lecture， etc. are used， and ideological and political elements are incorporated at the same time. Ideological and political education is carried out while improving students' interest and comprehensive analysis ability， so as to cultivate a new generation of professional and innovative compound talents with craftsman spirit.

Keywords： new technology paradigm; metallographic experiment; ideological and political education; blended teaching; instructional design

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新興信息時代的到來，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)下科技的發(fā)展對創(chuàng)新型人才的要求，需要不斷地對教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)。金相組織觀察是金屬材料學(xué)科教學(xué)和科研中了解材料微觀世界最基本的手段和方法之一，金相實驗是材料類專業(yè)最基礎(chǔ)、最重要的實驗課。隨著新工科專業(yè)的建設(shè)，機(jī)械工程和車輛工程等機(jī)械類專業(yè)的本科課程也相繼開設(shè)了金相實驗內(nèi)容。為解決金相實驗課中出現(xiàn)的課程內(nèi)容陳舊、學(xué)生興趣度不高、教育后出現(xiàn)工具人等問題，各高校不斷進(jìn)行改革與實踐?！安捎瞄_放式、自主性和實戰(zhàn)型”教學(xué)，互動多媒體教學(xué)模式及依托科技競賽促進(jìn)教學(xué)等相繼出現(xiàn)。更新教學(xué)理念，本著為推進(jìn)新興技術(shù)在新工科教育教學(xué)中的深度融合性應(yīng)用，全面踐行“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”質(zhì)量理念，目的是促進(jìn)教與學(xué)的改革，充分利用新時代范式技術(shù)，深入推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，教學(xué)目標(biāo)與新工科時代背景理念攜手共進(jìn)，為學(xué)生的創(chuàng)新培養(yǎng)提供保障。進(jìn)而培養(yǎng)知識與能力并重、素養(yǎng)與責(zé)任并重的創(chuàng)新性復(fù)合型人才。

本文以金相實驗課程教學(xué)為例，采用互動多媒體、智慧課堂、多學(xué)科交叉融合、視頻微課等新興教學(xué)技術(shù)及方法，同時融入思政元素。對金相實驗教學(xué)重新設(shè)計，探究新興技術(shù)下的智慧和思政教學(xué)方法，以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。

一、金相實驗課教學(xué)方法優(yōu)化設(shè)計方案

實驗設(shè)計框架如圖1所示，在探究新興技術(shù)及理念下，進(jìn)行教學(xué)模式的改革。圍繞混合式教學(xué)進(jìn)行了互動教學(xué)、小視頻微課、第二課堂等教學(xué)方式，同時引入思政元素，企業(yè)生產(chǎn)案例分析等豐富教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計教學(xué)方法及內(nèi)容相輔相成，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計手段，充分利用現(xiàn)有新興技術(shù)手段改進(jìn)教學(xué)方法，在專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)過程中對學(xué)生進(jìn)行正確的價值觀導(dǎo)向引領(lǐng)，在思政教育課堂指引下專業(yè)素質(zhì)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)同向同行。

二、金相教學(xué)實驗項目設(shè)計與實施

為了使實驗教學(xué)內(nèi)容突破原有驗證性實驗為主的教學(xué)方法，探索以技術(shù)指標(biāo)為導(dǎo)向，學(xué)生自主創(chuàng)新為主的教學(xué)思路，創(chuàng)立了包括基礎(chǔ)技能素質(zhì)訓(xùn)練、專業(yè)技能訓(xùn)練及綜合素質(zhì)訓(xùn)練實驗平臺的專業(yè)實驗教學(xué)體系。實驗項目主要分為四個模塊，見表1;各模塊對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)見表2，均增加了素質(zhì)和德育目標(biāo)。

（一）金相顯微鏡使用的實驗?zāi)K設(shè)計與實施

實驗?zāi)K將金相顯微鏡的使用錄成多個小視頻，做成微課。一個視頻盡量在2 min以內(nèi)，適于移動設(shè)備的學(xué)習(xí)，學(xué)生在課前可以利用碎片時間在手機(jī)等移動設(shè)備上預(yù)習(xí)。大幅節(jié)省課堂的講解時間，提高課堂效率;課上通過互動多媒體教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行PPT講解操作技巧，用實際生活中的常見物放在顯微鏡下觀察，吸引學(xué)生的注意力提高學(xué)習(xí)的興趣。

思政內(nèi)容：顯微鏡是材料人的“眼睛”，能夠在微觀世界中發(fā)現(xiàn)科學(xué)的魅力。材料是國家制造的基礎(chǔ)。時刻牢記不忘初心，以看到最原始最真實圖像作為分析依據(jù)，去研究樣品的特性，讓材料的“眼睛”發(fā)現(xiàn)更精彩的世界。

顯微鏡下觀察頭發(fā)（圖2為顯微鏡下不同學(xué)生的頭發(fā)放大照片）。由于頭發(fā)較細(xì)，反光不好，很難調(diào)整看清視場，對調(diào)節(jié)顯微鏡技能有一定要求，從而訓(xùn)練學(xué)生的動手能力和耐心。學(xué)生通過觀察自己頭發(fā)鱗片判斷發(fā)質(zhì)是否健康，如圖2（a），頭發(fā)絲較粗，營養(yǎng)良好，鱗片完整。圖2（b）頭發(fā)絲較細(xì)，營養(yǎng)良好，鱗片完整，圖2（c）頭發(fā)絲較細(xì)，被燙過或營養(yǎng)缺乏的頭發(fā)，基本看不到鱗片。這樣學(xué)生不僅學(xué)會了使用顯微鏡的技巧，并且對后面的金屬材料的微觀組織產(chǎn)生興趣， 所學(xué)知識與生活息息相關(guān)。

本實驗?zāi)K有觀察標(biāo)樣的環(huán)節(jié)。學(xué)生觀察標(biāo)樣過程中，利用互動教學(xué)系統(tǒng)，通過課件教學(xué)、電子舉手，遠(yuǎn)程指導(dǎo)的方式進(jìn)行組織觀察及分析，提交作業(yè)互動問題等活躍課堂氣氛。教學(xué)過程中利用新興技術(shù)中的互動和手機(jī)交作業(yè)情況截圖如圖3、圖4所示。

課后作業(yè)通過手機(jī)網(wǎng)上答題形式提交成績單完成知識點夯實，通過查資料了解顯微鏡前沿技術(shù)。既減輕學(xué)生實驗報告壓力，同時也避免完成過程中不真實的情況;既達(dá)到基礎(chǔ)技能素質(zhì)訓(xùn)練，同時也減輕教師負(fù)擔(dān)。

（二）顯微組織觀察實驗?zāi)K設(shè)計與實施

顯微組織觀察實驗?zāi)K內(nèi)容設(shè)計的知識點由淺入深，應(yīng)用互動多媒體展示細(xì)微特征，全方位認(rèn)識組織，進(jìn)行組織的分析。

以20鋼為例（如圖5所示），20鋼通過退火處理后組織如圖5（a）所示，顯微鏡下為珠光體加鐵素體組織。從圖片分析：珠光體的分布位置集中在晶界的交匯部分，鐵素體以基體形式出現(xiàn);從機(jī)理分析來看，主要因為在熱處理過程中晶界部分能量較高，聚集在其周圍的過飽和的碳在冷卻過程中首先析出，和鐵形成滲碳體，隨著溫度的下降，滲碳體逐漸增多。該樣品掃描電子顯微鏡下照片如圖5（b）所示，滲碳體呈片層狀分布在鐵素體基體上，形成珠光體;從性能分析來看，鐵素體是單一固溶體，硬度、強(qiáng)度較低，珠光體是兩相組織，且滲碳體是硬脆相，使得珠光體性能得到加強(qiáng)。如果想要提高其硬度及強(qiáng)度就要使得珠光體量增加來獲取。從組織來看片間距越窄，硬度會越硬;可以快速冷卻即正火處理，得到片間距小，珠光體量多;當(dāng)冷卻速度更快時需要水冷或油冷，即可獲得板條馬氏體如圖5（c）所示。

思政內(nèi)容：我國科技的進(jìn)步離不開材料領(lǐng)域的開發(fā)。航空航天的發(fā)展，“嫦娥”的登月、核潛艇的探底、高鐵的高速奔馳，每張國家名片的背后都離不開科研工作者的奮斗，更有材料人無數(shù)次對材料的研發(fā)和實驗。透過組織研究特性是材料人最基本的技能。從金相基本組織認(rèn)識分析開始，通過畫出平衡組織示意圖細(xì)節(jié)，深刻體會析出位置及分布形態(tài)特征。通過觀察金相圖片體驗航天材料的研發(fā)、3D打印技術(shù)的應(yīng)用，拉近高科技發(fā)展與材料學(xué)科距離，觀察新材料高熵合金組織（如圖5（d）所示），明顯的骨架結(jié)構(gòu)及骨架間的共晶組織，3D打印后組織如圖5（e）所示，縱橫相間的紋理結(jié)構(gòu)。

（三）金相樣品制備實驗?zāi)K設(shè)計與實施

金相樣品制備實驗?zāi)K主要引導(dǎo)學(xué)生對實驗的熱情，精益求精的探索精神。金相樣品的制備是分析材料的關(guān)鍵。真實反映材料的組織特征是分析材料的前提。如何讓粗糙的樣品表面從磨平到磨光，拋光成鏡面再能腐蝕出清晰無缺陷的組織，這個過程需要按照步驟反復(fù)練習(xí)、感受、摸索，找到磨制的力度、方向;拋光盤的濕度控制、拋光力度與時間的完美結(jié)合;腐蝕過程的最佳火候把握。每一個細(xì)節(jié)決定后面呈現(xiàn)的組織是否有假象，組織能如實全部反映出來。讓每個學(xué)生經(jīng)歷好奇-摸索-沮喪-堅持-成功后的喜悅。要想制備高質(zhì)量的金相樣品，上課的有限時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。充分利用科技創(chuàng)新競賽平臺，將實驗課程與創(chuàng)新實踐有機(jī)融合。以全國金相技能大賽為契機(jī)，將科技競賽作為學(xué)生的第二課堂，開放實驗室將學(xué)生積極性充分調(diào)動起來。以賽促教、以賽促學(xué)的思路，提高學(xué)生成就感和榮譽(yù)感。培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力，為以后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打好基礎(chǔ)，做到專創(chuàng)有效融合。

思政內(nèi)容：引用金相大賽的口號“金相天驕，洞見未來”“萬丈高樓平地起”，金相樣品制備相當(dāng)于材料分析的根基。金相樣品制備是一個精益求精的過程，需要細(xì)心觀察、靜心琢磨、解決制樣問題中出現(xiàn)的“陰陽面、劃痕、麻點、硬化、假象”等缺陷。樹立吃苦耐勞、反復(fù)試驗、探求更高要求的匠心精神及職業(yè)素養(yǎng)，才能洞見未來。

（四）軟件在金相分析中應(yīng)用實驗設(shè)計與實施

金相是分析研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)實驗。根據(jù)組織分布特征來判斷材料的性質(zhì)。傳統(tǒng)的金相評級方法都是比較法，根據(jù)組織圖片和國家標(biāo)準(zhǔn)評級圖片對比，找到相應(yīng)的級別，效率低而且人為主觀性很強(qiáng)。隨著數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，用軟件處理組織圖片并且實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的定量評級，如晶粒度的評級、脫碳層的測量及估算珠光體面積含量計算等。

以珠光體含量測定為例（如圖6所示），對一個二元合金的亞共析鋼，組織圖上的兩種組織，經(jīng)過軟件處理、分割后，分析計算出珠光體相對含量。界面如圖6（a）所示（原圖），經(jīng)過分析過程（如圖6（b）所示）后，得到計算含量結(jié)果如圖6（c）所示。通過結(jié)果分析，得出珠光體含量為61.99%，根據(jù)杠桿定律計算如下：

式中，Q為珠光體的相對含量，C為含碳量的百分?jǐn)?shù)。

即C%計算約為0.477%，通過分析可知此二元合金鋼的含碳量大約為0.477%。還可以輔助對工程及生產(chǎn)中未知材料的分析。

思政內(nèi)容：利用現(xiàn)代信息科技手段通過電腦軟件分析，改變學(xué)生以往循規(guī)蹈矩的對圖片定性認(rèn)識，利用電腦軟件對圖片進(jìn)行分析，對材料中組織進(jìn)行測量及含量的測定，知識點得到全方位的延伸，所學(xué)知識與企業(yè)生產(chǎn)實際密切聯(lián)系，提高學(xué)生工程意識及職業(yè)素養(yǎng)。

三、教學(xué)效果評價反思

通過新興范式技術(shù)與實驗教學(xué)相融合的教學(xué)理念、融入思政、突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。利用計算機(jī)多媒體技術(shù)、信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)移動技術(shù)，對顯微組織進(jìn)行識別與分析，改變以往循規(guī)蹈矩的教學(xué)手段，用各種信息手段提高學(xué)生興趣，實驗內(nèi)容和知識點在縱向與橫向得到擴(kuò)展。課程思政指引下進(jìn)行實驗教學(xué)，讓實驗課成為有效推動“雙創(chuàng)”人才培養(yǎng)的強(qiáng)有力補(bǔ)充。

四、結(jié)束語

在實驗教學(xué)中積極引導(dǎo)學(xué)習(xí)接觸現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，合理融入思政元素，激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，提高學(xué)生運用新技術(shù)的能力。避免實驗教學(xué)循規(guī)蹈矩，缺乏新意。提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性及教學(xué)成效性，打破時空限制，課堂不止局限于上課時間與空間。從學(xué)習(xí)者的“學(xué)”出發(fā)，采用數(shù)字信息、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)手段豐富課堂教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，不同的實驗項目根據(jù)需要采用不同的教學(xué)方式。使新興范式技術(shù)更好服務(wù)于實驗教學(xué)，提升學(xué)生專創(chuàng)融合的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛利玲.“金相顯微技術(shù)”課程改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（2）：197-200.

[2]熊小濤，孫建林，薛潤東，等.材料學(xué)科實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（6）：265-267.

[3]徐京，陳卓，謝群，等.改進(jìn)金相實驗教學(xué)方法的探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2016（16）：36-37.

[4]秦亮，張艷，周瑞，等.金相實驗教學(xué)方法改革與探索[J].科技資訊，2018，16（14）：160-161.

[5]趙濤.智慧技術(shù)支持下混合式學(xué)習(xí)模式建構(gòu)與實踐研究[J].中國電化教育，2021（9）：137-142.

[6]蒙毅，曹雷剛，毛潭，等.基于“開放教學(xué)”的金相技能實驗課改革研究實驗科學(xué)與技術(shù)[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2020，18（5）：69-73.

[7]劉長虹，艾云龍，鄧克明.基于多媒體顯微互動系統(tǒng)的金相實驗教學(xué)的改革[J].實驗技術(shù)與管理，2008，28（5）：89-91.

[8]張旭茗，牛中毅，蓋登宇.等.以金相大賽為契機(jī)促進(jìn)材料專業(yè)實驗教學(xué)改革[J].實驗室科學(xué)，2015，18（2）：94-96.

[9]郭倩穎，陳勝藍(lán)，龍麗霞，等.基于金相技能大賽探索實驗教學(xué)改革[J].實驗室科學(xué)，2021，24（4）：122-124.

[10]藺萬煌，呂長平，蘇益，等.實驗技能競賽與大學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的探索[J].實驗技術(shù)與管理，2012，10（29）：18-21.

[11]彭成紅，朱小科，傅偉文，等.持續(xù)改進(jìn)金屬材料實驗教學(xué)質(zhì)量的實踐[J].實驗室研究與探索，2019（1）：158-162.

[12]崔艷雨，武志瑋，陳媛媛，等.工科專業(yè)實踐環(huán)節(jié)融入“課程思政”教育的思考[J].中國校外教育，2020（3）：38-39.

[13]高德毅，宗愛東.課程思政：有效發(fā)揮課堂育人主渠道作用的必然選擇[J].思想理論教育導(dǎo)刊，2017（1）：31-34.

[14]劉鳳芳，宮明龍.專創(chuàng)融合背景下金相實驗課程思政教學(xué)的模式探究[J].科教導(dǎo)報，2021（3）：86-87.

[15]房川琳，熊慶，蘇燕.融合思政元素的無機(jī)化學(xué)實驗課程建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2021，38（1）：28-32.

基金項目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“新興技術(shù)范式下的金相實驗教學(xué)方法創(chuàng)新與實踐”（2020GJJG317）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“‘新工科’背景下材料成型及控制工程專業(yè)實踐創(chuàng)新教學(xué)體系研究”（2019GJJG433）;河北省高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題立項“‘新工科’背景下材料成型及控制工程專業(yè)實踐創(chuàng)新教學(xué)體系的建立”（GJXH2019-065）;東北大學(xué)秦皇島分校課程建設(shè)項目“《金屬學(xué)及熱處理》課程思政示范課程”（2020KCSZ-B10）;東北大學(xué)秦皇島分校教學(xué)研究與改革項目“材料成型及控制工程專業(yè)專創(chuàng)融合教學(xué)體系研究”（2020JG-A03）;東北大學(xué)秦皇島分校課程思政示范專業(yè)建設(shè)“材料成型及控制工程專業(yè)”（2020KCSZ-A04）

作者簡介：劉鳳芳（1974-），女，漢族，吉林農(nóng)安人，學(xué)士，高級實驗師，研究方向為金屬材料檢驗。

*通信作者：宮明龍（1975-），男，漢族，山西繁峙人，博士，副教授，研究方向為金屬材料制備及材料熱處理。