基于“铁碳合金相变基础知识”的翻转课堂教学设计与研究*

危卫华，连小莹

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京210037；2.中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京210007)

基于“铁碳合金相变基础知识”的翻转课堂教学设计与研究*

危卫华1，连小莹2

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京210037；2.中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京210007)

翻转课堂作为近年出现的一种新型教学理念，可以为教师和学生定制个性化教学平台与个性化学习空间。学生通过网络、视频、创新实验等自主学习与课堂内的探讨与互动，能够更深刻的掌握及内化理论知识。机械制造基础课程是综合性、多学科交叉、实践性强的课程，传统的教学模式已经不能完全满足目前对高校应用型人才的培养需求。本文以铁碳合金相变基础知识为例，研究了基于翻转课堂方式的教学模板设计，从学习内容分析、学习目标分析、学习者特征分析、课前任务设计、课上任务设计和教学设计反思六个方面进行了深入研究，最终给出了基于铁碳合金相变基础知识的翻转课堂教学设计模板，从而展现出翻转课堂模式对机械制造基础乃至工科专业课程教学的实际可行性和重要性。

机械制造基础；铁碳合金相变基础知识；翻转课堂；模板设计

机械制造基础是机械类专业学生必须掌握的一门重要的综合性专业基础课，是引导学生进入专业领域，培养学生具有应用创新能力的综合训练课程，在机械类专业教学体系中具有极其重要的地位。机械制造基础课程主要涉及工程材料（材料科学的基础知识、材料的力学行为、二元合金及相变基础知识、材料的改性、金属材料、非金属材料以及材料的选用）、铸造成型、锻压成型、焊接成型以及切削加工等五大部分内容。该课程实践性强，涉及知识面广，教学内容组织上有很强的针对性和实用性，在教学过程中需要注重对学生解决实际问题能力的培养以及强化学生的工程意识，使学生具备运用铁碳合金相图等知识解决工程实际问题的能力，如金属材料热处理工艺选择、工程应用中金属材料的选用等[1]。本文面向工科本科教育，选取机械制造基础课程中工程材料章节的铁碳合金相变基础知识这部分内容，从学习内容分析、学习目标分析、学习者特征分析、课前任务设计、课上任务设计和教学设计反思6个方面进行了深入研究，最终给出基于铁碳合金相变基础知识的翻转课堂教学设计模板。

一、翻转课堂教学法特点

翻转课堂作为另外一种基于现代信息技术的新型教学模式，是近年来在国内外教学研究的热点之一。早期的翻转式教学实践和研究主要是在美国高校进行，哈佛大学的Eric Mazur物理教授最早于上世纪90年代就开展了“翻转学习”的实践研究。翻转课堂（Flipped Classroom）教学一般是指教师在每次课程上课前将一些学习数字资料提前分发给学生，让他们自己预先进行自主学习材料，如电子期刊论文、相关录音视频、电子书本等；学生有了这些准备，然后与同学和教师在课堂上开展诸如答疑、解惑、讨论等互动形式，来完成课堂教学的一种新型教学模式。这种新型的教学方式，改变了我们传统意义上的课堂教学模式，是对传统课堂教学进行的一场大改革。其特点之一，传统课堂中教师讲授课程内容，课下学生自主完成课程作业，而翻转课堂教学法则要求学生在课程内容讲授之前，自己先自主学习相关内容，然后再集体答疑、讨论、探索知识。其特点之二，翻转课堂教学让学生的角色发生改变，不再是传统教学的被动接受知识，而是先主动积极学习相关知识，然后再结合课堂主动交流互动来掌握知识。其特点之三，翻转课堂教学中的主要教学资源就是课前发给学生的如电子PPT、小型录音视频、电子教材等电子文件，不再是以往课堂教学时的教案、教材等[2][3][4]。

二、铁碳合金相变基础知识教学特点

机械制造基础课程中工程材料章节的二元合金及相变基础知识部分包含合金的晶体结构、二元合金相图、铁碳合金相变基础知识等内容。“铁碳合金相变基础知识”这部分又涉及铁碳合金中的基本相和组织、相图分析、铁碳合金在平衡冷却时的转变、含碳量对铁碳合金组织性能的影响、钢在加热时的转变、钢在非平衡冷却时的转变等内容。这些内容比较贴切生产实际，实践性强，所以内容几乎都在生产一线有所体现。因此，“铁碳合金相变基础知识”这部分内容开展翻转课堂教学法有下面一些特点。①该课程内容实践性要求高，注重理论联系实际，学生需要参加车间生产实习、认识实习等环节教学，适合学生自学；②通过课下学生之间交流与课堂上师生的互动交流，既可锻炼学生的表达能力，又可对其学习起到督促作用，有助于大多数学生学习成绩的提高[5]。

三、翻转课堂教学模板设计

1.学习内容分析

“二元合金及相变基础知识”一章在南京林业大学整个“机械制造基础”32讲中位于第一章的3～5讲，是工程材料部分最重要的三大内容（二元合金及相变基础知识、材料的改性、金属材料）之一。本讲内容为“铁碳合金相变基础知识”中的“铁碳合金中的基本相及相图分析”，特色是内容层次分明，难易有别。对于简单的内容，比如铁碳合金中的几种基本相的概念，比较简单，学生完全可以通过课前看参考资料学会；而对于难点铁碳相图分析，通过课前资料，一部分学生可能还不能完全掌握，所以课前要给学生留习题，通过习题引导，可以帮助学生掌握铁碳相图。同时，教师通过学生对习题的完成情况也可掌握学生课前对学习内容的掌握情况，从而在上课时因地制宜。本堂课重点是铁碳相图分析。

2.学习目标分析

①记住铁碳相图中涉及的基本相及其性能特点，能够区分开这些基本相的存在温度范围和含碳量范围；

②理解铁碳合金从液态向固态凝固过程中，可能出现共晶反应和共析反应的温度和含碳量条件，区分好二者具体的反应转变过程；

③掌握铁碳合金相图中涉及到的特征点、特征线的含碳量和所表示的物理含义；

④默写出简化版的铁碳合金相图，即省略掉包晶反应部分的铁碳合金相图；

⑤创新：铁碳合金相图在企业竞争等方面的指导意义。教师可以通过学生对课前习题的完成情况、课堂上的表现及课堂测验的完成情况判断学生是否达到了学习目标。

3.学习者特征分析

本课程学习者为大二学生，前面学期他们已经接触过相关专业知识的学习。他们喜欢学习该实践应用型课程，对本节内容很感兴趣。同时，他们喜欢充满乐趣和挑战的学习，希望通过本堂课的学习可以指导实践。

在本堂课之前学生已经学习了固溶体和金属间化合物的基本概念和性能特点、二元合金相图中匀晶相图和共晶相图的定义及结晶过程、运用杠杆定律进行组分分析计算等，已经具备了掌握铁碳合金中的基本相及相图分析的理论基础。课前学生通过学习课前资料、做习题能够掌握基本的内容，但对于铁碳合金相图中特征点、特征线的理解可能存在困难，特别是对于共析和共晶这两个反应容易混淆，虽然在学习资料中已经提醒学生从反应发生的含碳量或者反应发生的温度角度，来比较这两种反应的不同，但还需要通过课堂活动来帮助学生深入掌握。

四、课前任务设计

1.设计思想

课前任务与学习目标紧密联系，满足激发与维持学生学习动机的ARCS模型。

A（注意）：《铁碳合金相图（一）》、《第四节铁碳合金相图》视频以生产实际当中的加工生产为案例，拉近了学习内容与生产实践间的距离，生动而有趣味性，从而激发学生的学习兴趣。

R（关联）：以铁碳相图为基础，可分析出不同含碳量铁碳合金、乃至相同含碳量铁碳合金在不同温度下的合金组织充分和相组成，从而可建立含碳量和温度之间的关联；利用铁碳相图中涉及到的特征点、特征线及所围成的区域，来解释生产实际当中出现的问题，指导工业生产实践，从而将新学知识和现实的问题相关联。

C（信心）：课前学习资料和任务单有一定的难度，学生可通过自己或团体的努力完成。同时引导学生分析自己成功的原因，让他们明确成功是自己努力和辛勤的结果。

S（满足）：老师对学生的学习结果及时反馈，对学生进行激励和鼓励；同时通过学生学习成果的课上讨论和展示，使学生具有成就感。

2.课前学习资料

①视频1《铁碳合金相图（一）》，链接如下：http://v.ku6. com/show/TsieNzjDQpwh2YhnR6jvzQ...html?loc=tashangchuan&lb=1；

②视频2《第四节铁碳合金相图》，链接如下：http: //www.cmse.cqu.edu.cn/jpkc/gccl/kj/kj044.htm（重庆大学精品课程）；

③赵小东、潘一凡主编，《机械制造基础》，东南大学出版社，2010年，第11-14页以及配套PPT及动画资料；

④练习题3道；

⑤>附加应用型试题2道。

3.课前学习任务单

①认真学习“课前学习资料1”，在word文档中列出铁素体、奥氏体和渗碳体的基本含义和性能特点，本任务满分5分；

②认真学习“课前学习资料2”，在word文档中列出共晶反应和共析反应所发生的含碳量范围和温度条件，比较二者的转变过程，本任务满分5分；

③认真学习“课前学习资料3”，通过学习铁碳合金相图中特征点、特征线的含碳量大小和表示的物理含义，画出铁碳合金相图，本任务满分10分；

④完成铁碳合金基本知识的3道习题，并于课前48小时提交，本任务满分15分，每题5分，有两次提交机会；

⑤附加题（选作）：学有余力的同学可完成附加题，并于课前48小时提交，每题5分，本任务可附加10分。

五、课上任务设计

1.课上活动规划（见表1）

2.课堂题目

①针对45钢（含碳量为0.45%），分析其由液态到固态的结晶过程，指出在室温下其相和组织组成物各是什么？解释工程应用上“趁热打铁”问题的理由？

②讨论铁碳合金相图的记忆方法。

3.课堂可能出现的问题和解决方案

①课堂上各个活动环节都限定了时间，实际操作中所用时间可能会有所差异，这需要教师在课堂上根据实际情况进行掌控、调节，但应保持与计划时间相差不大。

②在学生的讨论环节，如果有学生的讨论、辩论偏离了主题，或某局部点所用时间过长，教师必须正确引导。

4.学生学习活动评价方式和量规

评价学生采用形成性评价和终结性评价相结合的方式，课前、课上的评价主要考虑的是学生的努力程度，而不是仅以答案的正确与否为标准。单元测验成绩、期末考试成绩以卷面分为准。

学生最终的成绩：课前任务完成情况占20%、课堂表现占40%、单元测试成绩占20%、期末考试成绩占20%。

六、教学设计反思

课前视频、资料是让学生在课前自学的内容，同时为了掌握与评价学生的学习成效，课前还给学生留了3道习题。学生课前将答案及问题反馈给老师。

课上学习内容主要是对课前学习内容的回顾、应用和拓展。课堂活动与课前学习是紧密联系的，课堂活动要实现对课前学习的答疑解惑与应用提升，同时与课前活动一起促进学生达到学习目标。

本课程学习环境设计包括：

1.物理学习环境设计

60m2的朝南教师，噪音小、空气流通、光线好；25名学生，以5个圆桌分成5个小组，其中有个小组5个人。教师宽敞不拥挤；讲台有电脑、投影设备和放音设备。

2.资源学习环境设计

教材学生人手一本；课前学习任务单、课堂测验试卷由教师打印发放给每个学生；教学视频一部分由教师进行录制并上传网络平台，一部分是教师搜集的现有网络视频，两种类型视频都由教师在课前学习任务单中注明网址。

3.技术学习环境设计

教学视频具有良好的界面设计，能够激发学生学习兴趣；各功能模块有良好的导航机制，便于学生在学习过程中能根据学习进程进行任意的学习跳跃；同时交流平台可以支持学生进行讨论和协作学习。

4.情感学习环境设计

开课前给学生上教学准备会，让学生认识到本课程的重要性同时与实际生活联系非常紧密；课上活动丰富有趣，让学生对学习充满兴趣；部分任务和测验有一定的难度，学生可通过自己或团体的努力完成。同时引导学生分析自己成功的原因，让他们明确成功是自己努力和辛勤的结果，因而培养了他们的信心。老师对学生的学习结果及时反馈，对学生进行激励和鼓励；同时通过学生学习成果的课上讨论和展示，使学生具有成就感。

七、结语

（1）翻转课堂教学方法的出现，为机械制造基础课程的教学改革提供了广阔的平台，也为师生双方带来了全新的教学和学习体验。通过学习内容分析、学习目标分析、学习者特征分析、课前任务设计、课上任务设计和教学设计反思等六个方面开展的深入研究，证实了基于铁碳合金相变基础知识的翻转课堂教学方式是可以实施的。

（2）翻转课堂教学理念及相应的教学方法，打破了昔日的先教后学的教学方式，使学生变成了学习的主宰者，有望让每一位学生都能发挥自身的潜能，激发学习的积极性、主动性，实现全面发展。因此，在教学中强调学生的主体地位特别重要。

（3）翻转课堂教学方法研究，可为工科院校机械类及近机械类专业课程的教学提供新的教学方式和经验借鉴，但是要完全实现学生积极参与、个性化教育的翻转课堂教学方式，还应在学生的专业课程体系设置、教学制度建立、高校日常教学管理等方面进行匹配的创新改革，并且还要经过实践的长期检验。

[1]赵小东,潘一凡.机械制造基础[M].南京:东南大学出版社,2010.

[2]司家勇,李立君.基于MOOC的机械工程材料课程翻转课堂教学改革研究[J].时代农机,2015,42(10):108-111.

[3]杨丽娟.职校开展计算机翻转课堂教学的认识及对策[J].科技创新导报,2016,(5):116-118.

[4]冯武卫,李振华.基于翻转课堂模式的机电传动与控制课程教学改革研究[J].科技创新导报,2016,(4):106-109.

[5]舒庆,邵俊鹏.工程材料与热成形技术课程中的翻转课堂实践与思考[J].实践·探索,2016,(1-2):108-110.

（编辑：郭桂真）

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1673-8454（2017）18-0060-04

2016年南京林业大学高等教育研究重点课题“基于微课的翻转课堂混合教学模式研究与实践”（2016A08），“江苏高校品牌专业建设工程”资助项目（PPZY2015A062），2017年南京林业大学专业学位研究生课程案例库建设项目（2017AL08），2016年南京林业大学教学质量提升工程课题“《机械制造基础》微课制作”（00644-03-00965）。