《工程材料与金属热处理》课程线上线下融合教学模式探索

马冰洋，齐小犇，尚海龙

（上海电机学院 材料学院，上海）

一 引言

2012年以来，慕课（MOOC）的出现使得线上教学模式风靡全球，而后线上教学模式在我国高等教育中迅速发展[1]，特别是教育部在2015年下发《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》，鼓励和规范各大高校对线上教育进行探索和研究，加快构建具有中国特色的在线课程平台和体系后[2]，我国的线上教育模式在数量和规模上更是取得了长足的发展[3]，而2020年初的一场新冠疫情的肆虐更是加快了这一进程，越来越多的高校教师展开了线上教学模式的研究与探索[4-6]，为了响应教育部“停课不停教、不停学”的号召，作者也对工程材料与金属热处理这门课进行了线上教学模式的探索，过程中发现虽然线上教学模式具有诸如资源丰富、效率高等传统线下模式所不具备的诸多优势，但也并非完美无缺，线上教学模式对学生学习的自觉性要求较高，否则一旦脱离了老师的监管，学生的学习效率将大大降低。因此，探索将线上教学模式和传统线下教学模式有机结合起来，充分发挥他们的优势，是高校教育的重要研究方向[7-9]。

本文以《工程材料与金属热处理》课程为抓手，结合课程自身的特点，设计了线上教学模式和线下教学模式的教学内容和教学方法，探索了线上线下融合教学模式。

二 《工程材料与金属热处理》课程简介

随着社会的发展和科技的进步，对工程材料各种性能的要求越来越高，尤其是在包括航空航天、轨道交通、微电子和微机械以及能源化工等国民支柱产业中，工程材料的应用范围越来越广泛，这就对相关专业的人才培养提出了更高的要求。《工程材料与金属热处理》这门课是机械类专业的一门专业必修课，课程以成分-工艺-组织-性能-应用之间的关系和变化规律为主要教学内容，授课内容共分为五大模块，分别是工程材料力学性能模块、工程材料的基础知识模块、金属的塑性变形与再结晶模块、热处理模块、工程材料模块，课程的目的是培养学生掌握各种材料的性能特点以及提高材料性能的方式方法，在对各工程材料认知的基础上培养针对不同使用环境合理选材的能力，为后续专业课学习以及将来从事相关工作打下坚实的基础。

三 线上教学

《工程材料与金属热处理》这门课的目的是要向学生阐明各种材料“成分-工艺-组织-性能-应用”之间的相互关系，并最终使学生掌握工业生产中不同工况环境下的材料选择和使用条件，因此课程中存在大量与材料组织结构、制备工艺、使用性能等相关的概念和原理，这些概念和原理有的复杂而抽象，教学过程中向学生讲解起来十分的困难，而且学生理解起来也不够直观。而在线上的网络平台中有着非常丰富的教学资源，这些教学资源包括图片、视频、动画模拟、实物展示等，甚至包括材料应用工况环境里一线技术人员的在线解答，利用网络平台的共用共享和时效便利特性，可以将这些线上教学资源合理的引入到本课程的线上教学中，这样不仅可以使抽象死板的概念和原理变得简单生动，有助于学生对知识点的理解和掌握，而且还能够丰富课程的教学内容，提高课程教学过程中的趣味性，充分调动学生们自主学习的积极性，促进教学质量的提高。

由此可见，合理利用线上教学能够有效提高课程的教学效率和教学质量，但在本课程前期的线上教学实践中，还是发现了线上教学中存在的一些问题，首先，由于线上教学的课堂可控性相对于传统的线下教学模式较差，一些学生仅仅是使用账号登录进入了课堂，而人可能并没有真正进入课堂，存在着为了完成任务刷视频的“刷而不学”现象；其次，线上教学过程中，师生互动性不如线下教学灵活丰富，使得学生在上线上课程时跟学有余而思考不足，存在着“学而不思”的现象；另外，受限于学生自主学习能力不足，线上教学后学生对于课程知识点的思考不足，不能准确把握知识点背后更深一层的原理和内涵，存在着“思而不透”的现象。如何解决这些学生在线上学习过程中普遍存在的“刷而不学”“学而不思”“思而不透”等问题，充分发挥线上教学丰富的教学资源等优势，是提高学生学习效果、确保本课程线上教学质量的关键之一，本文将从线上教学内容选择、线上教学课程建设、线上教学方法设计进行总结阐述。

（一） 《工程材料与金属热处理》线上教学内容选择

《工程材料与金属热处理》的教学内容十分丰富，鉴于本课程是针对机械类专业学生开设的专业基础课，在机械类专业人才培养计划中起着承上启下的作用，对材料原理性的专业知识要求不高，反而更侧重于对工程材料各种使用性能、加工处理工艺方法的了解和掌握，以及针对不用应用环境和条件下对各类工程材料选择和使用，因此教学过程中对教材的选用和教学内容的取舍尤其的重要。本课程选用的教材是由赵程和杨建民主编的《机械工程材料（第3版）》，该教材由机械工业出版社出版，是新世纪高校机械工程规划教材之一，教材的编写由浅入深、深入浅出、循序渐进、便于教学的思路，另外，教材着重注意学生分析问题和解决问题能力的培养，有利于学生对教学内容的理解和吸收。教材总共分为八个章节，内容主要包括工程材料的力学性能、金属材料的基础知识、金属的塑性变形与再结晶、钢的热处理、金属材料、非金属材料、机械零件的失效与选材、新材料和新工艺等内容，适合采用线上方式开展教学的内容有材料的力学性能、金属材料、非金属材料、机械零件的失效与选材、新材料与新工艺等内容，其中材料的力学性能内容中的知识点相对简单易懂，通过线上教学对内容的讲述，比较容易就能向学生解释其中的概念和原理，而且利用线上丰富的教学资源，还可以通过视频直观地向学生展示测试这些力学性能的实验设备以及采用这些实验设备测量时的实验方法和应注意的问题，另外，还可以通过线上方式向同学们展示这些力学性能在实际工程应用中的重要性，并通过典型的材料失效案例向学生说明选材不当对所带来的严重后果，加深学生对材料力学性能的理解和认识，培养学生精益求精的工匠精神。金属材料的内容是向学生们阐述工业用钢、铸铁、有色金属及合金等金属材料的种类、牌号、性能特点、组织特征、在实际工程应用中的选用标准以及应当注意的问题，这些内容中金属材料的种类繁多，牌号庞杂，知识点细碎但较为简单，适合线上模式教学。新材料和新工艺章节的内容主要是向学生展示现如今较为前沿和热点的一些材料和工艺，利用线上教学资源的丰富性和时效性，可以清晰地向学生介绍这些科技前沿材料的功能、原理以及实际的工程应用，充分展示材料的魅力，在完成教学任务的同时还能使学生认识到材料在人类社会发展和文明进步过程中起到的关键作用，从而激发学生对材料学习的兴趣。

（二） 《工程材料与金属热处理》线上教学方法设计

《工程材料与金属热处理》课程中有些教学内容抽象而复杂，尤其是涉及到相对复杂的材料表征方法以及一些大型材料制备设备的运行等相关内容时，线下教学模式中“讲授+板书”的传统教学方法难以清晰地向学生展示其中的过程机理，即使讲述得清楚明白，学生也难以理解掌握其中的知识，没有亲自见识来的直观明白。而线上教学却可以瞬间全面地得到相关制备工艺以及制备设备的全套流程，能够直观地向学生展示其中的奥秘，使学生瞬间对所学知识有较深刻的认识和理解。例如，材料力学性能章节中材料的强度和塑性通常采用拉伸试验测量获得，将待测试样加持在拉伸试验机上进行拉伸试验，得到应力应变曲线，通过对应力应变曲线的分析，获得材料的强度与性能指标，实验过程中标准试样的形状及尺寸、拉伸试验的流程、拉伸试验设备及运行机理虽然也可以通过线下模式向学生们讲述，但花费的时间和精力却非常之多，而且讲述还不够直观清楚，而在线上教学过程中，通过线上资源展示以及分屏技术和讲述相结合，可以快速、直观、明白地将相关内容向学生阐述清楚，十分方便快捷。另外，工程材料与金属热处理线上教学内容虽然大都易于理解，但教学内容的形式却是多种多样，涵盖材料相关的基本概念、制备工艺、表征方法、制备以及热处理设备等多方面的知识，对于不同类型的知识体系，在线上教学过程中应当有针对性地采用不同的教学方法。例如，对于基本概念形的线上内容可以利用线上海量优质的教学内容，以讲述的方式生动形象地向学生展示，而对于材料性能测试设备与方法，则可以采用直接视频演示的方式向学生们呈现，甚至可以利用线上的资源，为学生设置模拟实验程序，让学生在线上就能够自己动手模拟操作实验，从而加深学生对知识掌握的牢固程度。这些线上的教学方法不但能够大大提高教学效率和质量，而且还可以增加学生的学习兴趣和积极性，具有传统线下教育所不能比拟的优势。当然，线上教学并非完美无缺，对于工程材料与金属热处理这门课的教学内容不能做到面面俱到，课程中包含的很多原理性的知识点采用线上教学模式就显得有点力不从心了，另外，本课程中还涉及许多理论公式和计算过程，这些内容通常复杂难懂，采用线上教学模式学生难以集中精力学习和理解记忆，而更适合采用“课件+板书+讲述”的线下教学模式进行教学。

四 线下教学

虽然线下教学模式不如线上教学模式资源丰富、形式多样以及高效快捷，但传统的线下教学模式具有其不可替代的特征和优势，首先，线下教学模式传统的“课件+板书+讲述”教学方法的讲解可以十分的详尽，在对某一知识点进行讲述的同时可以同时串联以前课程讲过的知识以及引出后续课程可能要学到的知识，起到复习和预习的作用，这样学生所学到的知识点将不再是一个个孤立的点，而是由各个知识点相互联系所形成的一个知识网络，进而形成一套完成的知识体系，有助于学生对课程整体的认识和把握。其次，线下教学模式的灵活性和时效性非常强，对于一些复杂的知识体系，学生往往难以一下子理解和接受，在线下教学过程中，教师可以实时观察到学生们对知识的理解情况和接受程度，从而灵活地放慢或加快教学进度，给学生充足的时间去巩固和掌握所学知识。另外，线下教学模式中师生的互动性较强，通过合理的教学设计，教师在线下教学过程中可以跟学生产生良好的互动，从而提高学生学习的积极性和学习效率。

（一） 《工程材料与金属热处理》线下教学内容选择

结合线下教学模式的特点和优势可以发现，线下教学模式更适用于专业性比较强的原理性知识点的讲解、复杂理论公式和计算方法的推导和演示以及与理论教学所对应的课程实验的开设。鉴于此，对于工程材料与金属热处理这门课程八个章节的教学内容而言，金属材料的基础知识、金属的塑性变形与再结晶、钢的热处理等章节的内容专业性比较强，理论公式以及理论计算较多，采用线下教学模式能够详细地向学生展示公式的推导过程以及适用范围和使用方法，因此更适合线下教学模式。另外，与此课程理论教学内容相对应的实验教学也更宜采用线下教学模式，实验教学内容包括金属材料力学性能测试、铁碳合金平衡组织的显微分析和金属冷塑性变形与再结晶退火后组织与性能分析三个实验，实验教学采用线下教学模式能够让学生亲自体验实验过程，自主分析实验结果并完成实验报告，能够加深学生对所学知识的掌握。

（二） 《工程材料与金属热处理》线下教学方法设计

《工程材料与金属热处理》这门课最终旨在培养学生的材料选用、加工处理能力，需要扎实掌握与材料相关的基础知识，而且对应用操作能力要求很高，因此这门课程既要教授学生掌握材料理论知识，而且要指导学生具有一定的动手操作能力，因此要设计合理的线下教学方法完成线下模式教学任务。对于专业性比较强的基础知识点，除了采用传统的 “课件+板书+讲述”教学方法以外，还可采用随讲随练、讲练结合模式提高学生对知识点的掌握和熟练程度。例如，对于“杠杆定律”理论公式的讲解过程中，可以先采用传统的教学方法对“杠杆定律”的定义和推导过程进行阐述，而后采用举实例的方法介绍杠杆定律的适用条件以及应用方法，最后可以采用随堂练习的方式让学生应用杠杆定律计算不同成分铁碳合金中相组成物和组织组成物的相对含量，这样既加深学生对该知识点的掌握程度，也让学生清楚了“杠杆定律”的使用方法和适用条件。而对于实验教学部分则可采用“教师讲解+实际演示+学生动手操作”的模式，使学生能够深入了解工程材料的制备和表征过程以及掌握设备操作流程。例如，对于材料硬度测试实验的教学过程中，首先老师讲解布氏硬度、洛氏硬度以及显微硬度三种硬度的测量设备、测量原理以及测量步骤，而后实际演示三种硬度计的操作过程，最后由学生在教师的指导下进行动手实际操作，这样的教学模式能够加深学生对专业知识的理解和记忆，也能够培养学生的动手能力，进而提高学生在以后的生产实践过程中分析问题和解决问题的能力，最终提高学生的核心竞争力，达到学生培养的目的。这种优势是线上教学模式所不具备的。

五 结语

线上教学模式是现代教育发展的产物，它与传统的线下教学模式各有所长，采用线上线下融合的教学模式是未来教育学发展的重要方向，针对工程材料与金属热处理的课程特点，以线上教育模式为主，线下教育模式为辅助的教学模式更为适合，这种模式既能充分发挥线上教学资源丰富、教学效率高的优势，又综合了线下教学灵活性和互动性高的优势，通过这种教学模式能够增加学生的学习兴趣，提高学习效率，更有利于学生掌握课程专业知识，锻炼综合能力，达到课程的培养目标。