基于后疫情时代新工科教育的《工程材料》教学新模式探索*

关 蕾，王 冠，张凤林，罗红平，张永康

(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

近年来，随着大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术的革新，全球制造业迎来了一场新的科技与产业革命[1]。这意味着我国高等院校的工科教育将面临巨大的挑战。自2016年“新工科”概念的提出至今，我国工程教育的发展一直不断创新思维与方式，然其建设重点始终落脚在新工科专业建设及人才培养上[2]。2020年，一场疫情风暴来袭，全球的经济及产业发展压力激增，教学格局发生了显著的变化，尤其针对我们工科院校机械类人才的培养模式亟需快速适应行业新需求，以缓解我国工业经济的压力，破除国外高端科学技术垄断，提高国际竞争力。疫情期间，我国近亿大、中、小学生开展了史无前例的大规模在线教育，经过疫情的洗礼，网络教学任重而道远，毋庸置疑，它的发展是大势所趋。针对线上线下在这次“战疫”大考中凸显出来的各自的优劣势，后疫情时代“新工科”专业建设及人才培养的教育教学方法必然掀起新一轮系统变革，未来线上线下融合教学将成为教育新常态。

后疫情时代，以知识传授为本位，不注重学生创新思维及实践能力训练的课程设置已成为过去，不符合“以本为本”的新时代教育发展理念与基本原则。制造强国，核心在于设计，关键在于制造，基础在于材料。“叠叶与高节，俱从毫末生。”机械类专业学生务必夯实材料基础知识，以牢其制造根基。因此，本文以机械类专业材料基础课程《工程材料》为例，结合团队授课实践经验，开展教育思路和教学方法的新思考，探索后疫情时代该课程教学的新模式。

1 工程材料课程教学目标及实现方法

《工程材料》是机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业、车辆工程专业的一门专业基础必修课，具有较强的理论性和应用性。本课程主要涉及与机械零件及装备有关的材料基础知识和热处理工艺的基本理论。主要内容包括机械零件的失效分析、材料的组织结构、材料凝固成型的基本原理与工艺、材料塑性成型的基本原理与工艺、钢铁材料的热处理、有色金属及合金、无机非金属材料等内容。通过本课程的学习，学生能够正确理解常用机械工程材料的成分、组织结构、工艺与性能之间的关系及其变化规律，形成具有根据零件使用条件、性能要求和失效形式，进行合理选材与应用以及制定机械零件热处理工艺路线的初步能力。了解工程材料科学和技术发展的前沿和趋势以及工程材料对国家经济建设、社会发展的重要性，具有社会责任感和职业使命感；能够在工程实践中遵守职业道德和规范进行机械零件的选材和热处理工艺的制定与改进，并综合考虑对环境与社会可持续发展的影响，理解并履行责任。

实现该目标的关键在于基础知识的深刻理解与体验式学习的深度融合。近年来被国内外众多院校推崇和推广的BOPPPS模型，通过将学习过程细分为六个单元：导言(Bridge-in)、目标(Objective)、前测(Pre-assessment)、参与式学习(Participatory Learning)、后测(Post-assessment)与总结(Summery)，实现学生全方位参与以及全程监测学习效果的目的。采用该模型，使师生重视互动教学，营造轻松活泼的课堂氛围，课程重点知识突出，整个课堂过程完整有效，学生易适应，教师可操作性强，从而达到教学预期的目标。

2 基于BOPPPS模型的线上线下融合教学新模式构建

2.1 理论与实践的有效融合

对于理论性较强的工程材料课程，在传统的教学方法中，基础理论讲授的学时占比过高，教师唱主角。即使是线上教学，不少教师也仅仅是把线下的 “满堂灌”与“一言堂”[5]，变成线上的而已，大大降低了学生的专注度。在线上教学无法有效监管的情况下，学生学习状态和教学效果更加大打折扣。学生在课程结束后往往比较迷茫，不清楚所学知识的实践途径。由于该课程学时有限，课堂讲授大幅度为实践活动让步显然也不是明智之举，这就倒逼我们进行图1的教学思考。我们教学实践的主体是当代大学生，作为“数字原住民”[4]，他们更易接受的信息需要具备轻松愉悦、适合转发、随时随地可看的特征。思维活跃，求知欲旺盛又促使他们更偏爱有互动性、竞技性及讨论性的实践活动。

图1 学生主体地位的教学思考

因此，教师在进行导言和参与式学习阶段的教学设计时，应有效应用主流网络媒体及现代教育教学资源并合理创新，充分拓展实践途径。武汉科技大学王晓艳等[6]提出后疫情时代高校思政课教学改革应重点思考如何运用互联网等新媒体、新技术，使思政课富有时代活力、更好地立德树人。本课程的部分引言环节，我们借助“超级工程”，“大国重器”等视频资源，引入“天眼”，C919大飞机，嫦娥5号，港珠澳大桥、东风17导弹等我国高端装备的材料科学和技术发展的前沿和趋势，使同学们掌握我国最新的科技发展，了解工程材料对国家经济建设和社会发展的重要性，树立正确的材料设计思想。基于新工科视角，强化学生工程伦理意识与职业道德。激发学生科技报国的家国情怀和责任感使命感[7]，推进了课程思政建设。

传统的实践方式需要学生在课程完全结束后去企业实地参观。但由于这次重大突发的公共卫生事件导致高校面临实习企业难觅，学生管理异常困难的局面。若采用数字孪生和虚拟结合，让学生在电脑前就可实现生产实训，将更好的解决后疫情时代工程实验实训瓶颈，更推动了企业的智慧化管理进程。同时，与网络直播相结合有望达到现场实践的效果。当然，学生的主体地位不可缺失，在参与式学习环节中，我们借鉴湖南卫视网红节目“声临其境”，由教师提供无声无字幕高炉炼铁，热处理工艺等演示视频，学生利用所学基础知识进行配音，解说工艺流程。理论与实践充分融合，兼具讨论性与趣味性。

2.2 自主学习习惯的养成

(1)潜移默化

掌握课程目标是学生准确定位学习方向的关键。在整个教学过程中需要多次强调，但不应是枯燥的文字罗列。我们尝试将工程材料知识点唱出来，重点知识以歌词的形式传递给学生。如我们团队将周杰伦的《菊花台》歌词进行改编，歌词如下：

Part 1：工程材料值得你思考，四面体的结构牢记于脑，成分组织结构和工艺，要和性能里面来找。铁碳相图工材的基础，相律杠杆定律相区接触，相组织组成应运而生，珠莱渗碳马贝铁奥。固溶形变弥散细晶析出来强化，添加合金塑变热处理，去应力易切削，退火正火预备起，淬火后回火综合性能提。

Part 2：失效分析材料人宿命，腐蚀磨损断裂过量变形，选材恰当，合理设计，工艺制度顺势而行。合金来了，C曲线右移，NiMnCo扩大了奥氏体相区，NbTiV三人细化了晶粒，碳钉住残余奥氏体。轴承钢渗碳钢弹簧钢调质钢，低中高温回火性能用途各异，Cr是个好东西，耐蚀稳定铁素体，不锈钢耐热钢的主力军。

通过脍炙人口的旋律，学生可牢记工程材料的知识点。在师生之间吟诵的互动中，潜移默化的影响着学生对学习目标的理解和自主学习兴趣的激发，亦凸显了师生双主体作用。

通过“每周材料科普”活动，各小组以图文并茂的形式在微信群发送材料科普小知识，学生唱主角，训练研究式思维及团队意识。此外，教师可将微信公众号中优质的学习材料共享，学生们可随时随地学习，并在微信群中展开讨论，养成每日习得材料学知识的习惯。每个成员的角色既是信息传播者也是接受者，在对信息的筛选和阅读时更加富有批判意识和科学思维。

(2)问题导向

充分利用中国大学MOOC材料类课程在线资源，供学生同步预习。在前测阶段，针对预习情况及学生具备的相关知识基础开展摸底，以了解学生兴趣和能力，并实时调整授课内容的深度与进度。工程材料课程授课对象为大二下学期机械类专业学生。鉴于材料力学及理论力学先修课程的学习，学生已掌握了构件强度、刚度和稳定性问题的基本知识和分析计算能力。并已系统进行过金工实习理论、机械工程实训等理论学习和实践操作，初步了解工程材料的结构和加工方法。因此，在前测阶段，教师提供多种材料应力应变曲线测量数据，学生课前尝试自学软件自主分析，并在课上提出问题解决问题，实现双倍收获。以问题为导向，课外专业软件的线上补充学习可为基础知识以及实验原理的理解提供支撑。在机械专业学生已掌握Solidworks，Auto CAD等制图软件的前提下，针对工程材料课程，Origin及Matlab数据处理软件的自学是提升学生解决复杂工程问题的能力的关键环节，契合新工科与课程思政的内涵。

灵活布置作业，如本课程要求学生熟练绘制铁碳相图，我们摒弃传统的课上抽查提问绘制的方式，而是课后要求全员录制绘制视频。视频时间长短和绘制质量作为评分标准，无形中督促学生开展自主训练。我们团队经过该实践，收效甚佳。

2.3 个人与团队联合考核创新

在BOPPPS的后测阶段，学生唱主角，学生之间的竞赛代替教师对学生的单向考核，个人与团队进行联合考核。我们这里提及的后测不仅仅代表每节课结束前几分钟对单次课学习效果的检验，而是贯穿整个学期的课程学习效果的测评。

我们多采用主观综合题的形式对单次课进行课程质量评估，包括对课程知识点的考核以及授课主体的评价。教学评价的公正和有效性一直是我们教育工作者最关注的问题之一，有效的教学评价直接决定了教学反思的开展和教学质量的提升。教学评价讲求时效性，针对目前最常见的课程结束后一次性评价方式的时效性和反馈性的不足，每次授课结束后的实时评价更为重要。教师和学生要达到最佳配合。我们要求学生的评价与个人总成绩相关联，以增强学生责任感和重视度。采用线上线下融合评价方式。线上从教师的基本素养和规范方面采用选择判断题进行可量化的常规评价。线下采用主观题形式，在下课前五分钟对每节课程的意见建议和下节课的期望作出评述。下次课前教师要进行归纳总结和反思汇报，达到师生全员参与。每周开展小组座谈，师生将对课程进行全面的探讨，并形成有建设意义的报告，经由参与者签字公布给所有同学。

课程的最关键后测在期末考试前以团队的形式进行，比如，开展材料辨别及材料基础知识竞赛，学生既做出题人又是参赛者，以小组的形式提交竞赛题目与答案。竞赛过程中采用盲选对手及题目的方式，寓教于乐，大大提高了学生的参与度，督促了学生们对课程知识的整合。

3 结 语

基于我国后疫情时代创新驱动的科技强国战略需求以及新工科的理念，根据我校机械类相关专业《工程材料》课程的培养目标，我们团队合理利用现代网络技术，数字化与大数据技术，从理论与实践教学以及教学评价等方面采用线上线下融合的方式，力图打造“金课”、“潮课”，以适应新工科对课程建设的新目标。基于BOPPPS模型的线上线下融合教学新模式在工科类课程中具有较强的可借鉴性。