以案例库建设为载体的工程材料及热处理课程教学改革

韩敬华等

摘 要：工程材料及热处理课程是一门阐述关于工程材料的成分—结构—性能—工艺四者关系的一门学科，具有理论性、逻辑性、抽象性、实践性强的特点。针对该课程教学中存在的一些问题，为了培养学生的师范能力、工程能力、人际交往和团队协作以及管理等几方面的能力，对该课程进行了案例库建设，并以此为载体，对该课程从教师队伍的建设、课程体系的梳理、课程大纲的重新修订、教学方法的改进等多方面进行了改革。改革结果显示：建立了培养学生综合能力的全课程的案例库，改革后学生学习兴趣提高，学生实践能力得到锻炼，改革后教学最终课程成绩远好于未改革之前。

关键词：工程材料及热处理 案例库 能力 教学 改革

中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0212-03

我校为师范类院校，毕业学生的就业后大部分是各类高校、高职、中职的教师，所以被誉为“职教师资的摇篮”，基于我校要求学生“动手动脑全面发展”的办学特色，所以对培养的学生的要求是在具有一定的理论知识的前提下尽可能地培养学生的师范性和技能性[1-2]。师范性要求学生具有一定的口才，能给其他人讲清楚自己要表达的内容，同时还要具备团结协作的精神和管理能力，能尽快地融入到一个新的集体中管理将来可能面对的众多的学生；技能性则要求学生具有一定水平的实践知识和操作技能。我校对学生的这些要求也体现在所授课程的教学中。

工程材料及热处理课程是我校机械类、材料类、汽车类专业学生必修的一门专业技术基础课，阐述的是关于工程材料的成分—结构—性能—工艺四者关系的一门学科，课程内容多而繁杂，理论性、逻辑性、抽象性、实践性都很强。该课程之前的教学采用的是“板书+多媒体”教学，教学过程存在一些不能克服的问题如教学效果不明显、学生学习兴趣不高、课程中只注重学生学习能力的培养而忽略学生其它综合能力的培养等[3-4]。针对这些教学中存在的问题，基于该课程的性质以及我校对培养学生能力的要求，并为了进一步改善教学效果，建立该课程的案例库，对该课程进行了一系列的课程改革。改革的内容涉及到教师队伍的建设、课程体系的重新梳理、课程大纲的重新修订、教学方法的改变等多方面，详细如下。

1 课程教师队伍的建设

1.1 课程教学队伍的现状和教学队伍的壮大

工程材料及热处理是一门面向全校学生授课的技术基础课程，受众面大，学生人数达到3000人，之前讲授该门课程的教师仅有三四个，教师年龄偏大，学历最高为硕士，授课时生师比非常高，授课时多采用的方法是4班合班授课。这就造成教学时教师教学压力大，学生众多，教师很难顾及每个学生的学习感受和学习困难等问题，导致的总体教学结果是学生不及格率高，每年有很大比例的学生进行补考。

针对上述的教师队伍方面的问题，学校提出了教师队伍的倍增计划。对于该课程也实施了此计划，每年有计划的引进新毕业的博士学位的教师，新引进教师既有教学经验丰富的老教师，也有新毕业的新加入教师队伍的年轻教师。这些教师既包括理论教师也包括实验实训教师，这样从年龄结构、职称分布、学缘结构、理论和实际操作等方面都对教师队伍进行了改善。目前，工程材料及热处理课程的授课教师达到12位，其中理论教师10位，实验教师2位。教师队伍的平均年龄35岁，新引进的理论教师学历都为博士学历，实验老师都为硕士学历；这些教师中有2位具有出国经历、2位具有博士后工作经历；职称结构如表1所示。

1.2 新授课理论教师教学能力的培养。

为了更好的培养学生能力和将该课程讲授得更精彩，建立了一套培养新教师的制度。第一，建立该课程的教学组，由教学经验非常丰富的优秀教师担任组长，组长全面负责新授课教师的培养事宜。第二，建立了老教师带新教师、新教师要进行至少一年时间的助课制度。通过助课，使得新教师有机会和时间学习该课程的教学思路、教学方法、课堂的管理等教学基本能力。第三，年轻的理论教师要参加学校组织的“理论教师技能大赛培训”活动，通过技能培训加强年轻理论教师的动手能力、工程能力以及课程中所要求的各种技能，培训结束成绩必须为良以上。此外，还要求理论教师必须参加实验课程的教学，以使得理论授课和实验课程无缝对接。第四，要求新授课的年轻老师开始上课前两年必须先采用板书教学，以培养教学基本功，而且授课前几轮结束时要求学生反馈对授课教师的意见，以让教师自己从学生的角度和意见反思自己教学能力不足之处以及以后教学中要改进的方向。第五，建立了定期安排学校和院级两级的督导组听课制度，以督促和保证新教师的教学能力和教学效果。第六，年轻教师必须每两年参加学校和天津市组织的“教学基本功大赛”，通过参赛的形式让新的年轻教师通过培训和观摩优秀教师授课来提高教学能力。

通过以上措施，目前，课程组的教师中，年轻教师中获得“天津市教学基本功大赛”三等奖一名，校级教学基本功大赛优秀奖一名，除上述成果外，学生评教获得“A”级教师一名，其余教师教学评价良好。由以上成绩可以看出，这些培养新教师的措施具有显著效果。

2 课程体系的重新梳理

上述已经提到，工程材料及热处理是一门介绍材料科学与工程中成分、组织、工艺和应用四要素之间规律的学科。为了更好地统一不同知识结构和学术背景的老教师和新教师之间的授课思路，同时也为了统一学校里不同本科专业对该课程不同学时的要求，对该课程体系进行了重新梳理。重新梳理后的课程内容可分为四部分：材料结构及材料性能、热处理原理及工艺、常见工程材料以及材料的失效分析与选择，四部分所包含的具体内容见图1所示，这为后面建立课程的案例库奠定知识体系的基础。图1自左至右分为四个层次：工程材料及热处理总课程为第一层次，总课程所包含的四部分内容为第二层次，每一部分内容中稍详细的内容为第三层次，最后一层次是详细的章节内容。这四个层次的划分对于制定《工程材料及热处理》课程的CDIO大纲具有重要意义。

3 课程大纲的重新修订

为了全面培养学生的自学能力、人际关系的处理能力、职业道德素养等，在新梳理的课程体系基础上，根据CDIO标准制定了《工程材料及热处理》课程的教学大纲，《工程材料及热处理》课程将按照CDIO的标准进行建设，新的大纲为案例库的建设奠定了理论基础。

把课程内容所能培养的能力分为四个方面，分别是技术知识和推理、个人的和职业的技能与特质、人际技能（团队协作与沟通）、在企业与社会的环境下构思、设计、实现运作[5-6]。每个方面的能力又可以划分成更详细的子能力，如技术知识与推理能力又可以划分成基础科学知识、核心的工程基础知识和高级的工程基础知识三个子能力。课程的CDIO大纲的撰写就是把CDIO所要求的各种子能力具体到课程内容中的每一章每一节。这就将课程所能培养的学生能力进行了不同层次的划分。具体如下。

在图1知识体系结构中对于所属第二层次的第三层次中的最上部分即基本理论用于培养学生的技术知识和推理能力，第三层次中除去最上部分的基本理论外的其余部分用于培养学生个人或职业的技能与特质，人际技能的培养则在授课模式方面体现，而在企业与社会的环境下构思、设计、实现和运作的能力则在课程的最后综合题目或课程设计中进行。

举例说明，热处理原理与工艺部分分为热处理原理和热处理工艺两部分内容，热处理原理属于基本理论，用于培养学生的技术知识和推理能力；热处理工艺部分用于培养学生个人或职业的技能与特质；热处理试验过程中则能培养学生的人际技能；热处理部分内容结束后让学生根据自己的专业选择一种常见材料的热处理工艺则是对学生在企业与社会的环境下构思、设计、实现和运作能力的培养。

4 教学内容的整合和教学方法的改进

4.1 与时俱进，整合教学内容

在教学内容上增加了材料科学发展的最新成果，删除了一些已经过时的旧的知识，让学生在学习基础理论的同时关注材料科学的最新进展。

整合内容如下。金属学方面将工程领域较少应用的纯概念、理论删除，在热处理与材料学方面侧重删除过时内容或减轻其比重，融入更符合近年来国内外金属材料品种与加工工艺实际发展的新知识，增加高分子、陶瓷材料等非金属材料的课时比重，开发《金相显微镜的使用与金相样品的制备》《45钢热处理及组织、性能分析》综合性实验，使教学内容在保持经典理论、跟随时代步伐的同时更符合我校学生实际发展的水平和需要。

4.2 建立了课程案例库，满足不同专业不同层次的教学要求

案例库中每个案例都是按照CDIO的构思—设计—实现—运作的思路进行设计，内容包括案例问题、案例引入、案例所涉及的课程内容、案例分析四部分。案例问题首先提出一个工程或实际生活中所常见的问题，引入部分则指出案例问题所含的核心内容，引入部分后面的内容则是解决案例问题所需的工程材料的知识，案例分析部分则是用刚刚学到的工程材料的知识对案例所提问题进行分析。举例如下。

案例：室温下，纯铁的抗拉强度为200 MPa，纯铜为60 MPa。

引入：纯铁、纯铜都是晶体，但它们的性能却不相同，这是为什么？

课程内容：三种常见金属晶格结构（即体心立方、面心立方和密排六方晶格结构相关内容，详细请见相关教材，在此不再累述）。

案例分析：室温下，纯铁为体心立方结构，纯铜为面心立方结构，两者晶格中原子排列的紧密程度不同，故性能也不相同，纯铁的强度优于纯铜，但塑性比纯铜低。当同一种金属（如Fe）从面心立方晶格向体心立方晶格转变时，其性能也会改变，例如：体积将膨胀，就是钢在淬火因相变而发生体积变化的原因。

在上述案例中，“室温下，纯铁的抗拉强度为200 MPa，纯铜为60 MPa。”即是案例提出的问题，引入内容“纯铁、纯铜都是晶体，但它们的性能却不相同，这是为什么？”则指出案例问题所含的核心内容是纯铁和纯铜的性能不同，并且引出问题“为什么它们的能力不同”，第三部分即引入和案例分析中间的内容是解释为什么纯铁和纯铜性能不同所需要的课程内容，即金属的三种常见晶体结构。最后的案例分析则是用三种常见金属结构来解释为什么纯铁和纯铜性能不同因为结构不同金属的性能不同。

该课程建立了如上例所示的案例库，这些案例满足不同专业不同教学时数的不同层次的教学要求。

4.3 将案例库应用于课堂，采用小组团队式教学模式

将案例库应用在课堂上，具体形式采用小组团队式教学。具体操作如下：授课时让学生自由组合成若干个学习小组，推选自己的组长，并给自己的团队起名字。上课采用小组竞赛积分制，任何有利于课程学习的行为表现都可以积分，在学习过程中除对案例进行讨论外，学生可以自己动手制作教具或者主动设置学习问题，讨论交流学习心得，设定短期以及长远的目标。通过小组竞赛积分制培养学生的团队精神，学生自己动手制作教具以及主动设置学习问题激发学