OBE 理念下融入思政的实验教学设计与实施——以金属材料综合实验课程为例

刘凤芳，宫明龙，张亚辉，罗绍华，朱彦荣

（东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院，河北 秦皇岛 066004）

金属材料综合实验是金属材料方向最重要的专业综合实践课。专业综合实践课程可以促进学生对金属材料专业知识的综合应用，可以培养学生创造性思维，可以培养学生独立分析及解决问题的能力及实践能力。在课程实践过程中通过理论联系实际，过程设计、规化实验流程、发现问题及解决问题，更有利于科学素养的提高。目前的综合实验存在各实验相互独立，没有连贯性，主题性不强，很多学生积极性不够，学习效果欠佳，跟不上现有新工科交叉融合、多元化人才培养的步伐。而OBE（成果导向教育）更能契合新工科教育理念。为让综合实验在教学体系内更完善，培养具有较强实践能力的综合素质人才。OBE 教学理念注重学生个体性，注重学习目的和效果。设计实验时充分突出学生的多层次。

实验教学过程中，教师的课程建设是关键。应充分发挥实验教师的作用，培养创新情感、锻炼创新意志和鼓励创新行为。提高学生积极性，突破传统教学模式的观念，对实验过程进行改进，并融合思政元素，重新对教学内容和方法进行设计。在教学过程中教师潜移默化帮助学生成长，给予学生正确的引导，输出正确的三观。引导学生不断提升自己，具有健全的品格，在自己的学科中和学校的氛围中深造，拥有宽广的视野，拥有发声的底气和能力，具有可持续发展的学识和能力。

教师应具备跨学科、信息技术运用能力，实践能力、创新能力和终身学习能力，让各门专业课之间有机衔接，专业课与实验课有机联系，有效应用各类实验技能，从基础知识到综合应用有序过渡，真正让实验课程成为培养学生创新能力培养的重要部分。让学生实现从单一技能到综合运用的质的升华。

一、教学设计

在OBE 理念的指导下，培养学生设计实验、操作技能和理论知识的运用能力，在此过程中熟悉金属材料热处理过程及材料经热处理后组织和性能的变化，每个学生都有独立分析问题的能力。

实验设计思路：循序渐进的过程，融入思政与专业知识和能力培养的有机结合，教学方法和课程内容的有机结合，教师的个人魅力、学术修养、道德情操和育人方法的有机融合，让课堂有温度。

（一）实验教学目的及内容

实验内容与实验目的及思政目标见表1。金属材料综合实验内容以材料热处理为核心，将金属材料学、热处理工艺与设备和材料力学性能等专业课程有机衔接，有效应用金相实验、硬度实验、热处理淬火及回火实验等，将理论知识与实验技能有机融合。

表1 实验内容与培养目标对应的专业课程

（二）课前专业理论知识的巩固及实验操作常识的普及

针对不同的专业知识点采取不同教学手段，同时让学生自学方式熟悉对设备安全操作常识。通过考核后进行下一步实验。主要内容包括：

（1）将各部分知识点编制成问卷星考试答题，如图1所示。主要内容包括材料热处理基础理论、显微镜使用方法、组织观察辨别方法、非金属夹杂物评定、金相分析软件的使用及样品制备过程等。为后续实验现象的分析做好准备。学生利用手机可以反复网上答题，直至分值达到总分值90%，方可通过。考核过程自动判定分数，显示答题人及分数通过手机上传到班级QQ 群。

图1 问卷星设计考核内容

（2）对箱式电阻炉加热元件、热电偶、控制仪表工作原理、均温区大小及安全操作知识用PPT 和小视频资料展示。

（3）学生需要在实验过程正确熟练使用实验加工设备，如电火花切割机、金相样品切割机和砂轮机等。并且可以熟练应用金相显微镜、硬度测试仪和万能试验机等实验设备。

（4）学生可以熟练地应用金相显微分析技术拍照并进行晶粒度评级及夹杂物分析。

二、实验过程及方法实施

实验过程中设置三个题目，分别为低碳钢（20 钢）、中碳钢（45 钢）和高碳钢（65Mn 钢）。在热处理后硬度要求达到40±3HRC。实验分成三个小组完成，每个小组6～8 人。根据成果导向思维，按照预定目标设计实验过程。

实验流程如图2 所示，抽签选题目后以小组为单位查找资料、讨论方案，确定材料的原有状态及经过怎样的热处理过程后可以到达题目中要求。确定工艺参数后进行组内分工包括处理操作，过程取样，组织分析，夹杂物分析及硬度测试，数据汇总后总结分析。

图2 实验流程图

实验后三个小组数据综合分析，总结不同含碳量在热处理过程中对组织及硬度影响。如果实验过程中出现淬裂情况需分析夹杂物在其中的影响。

为让学生在每个环节更好完成实验，在实施环节中融入思政元素。实验过程及要求：

（一）判断热处理前材料的状态

学生切取小块样品用金相组织和硬度初步判断选用的材料牌号，状态是否为退火态。这一步很关键不可以省略，体现了实验的严谨性，防止材料使用过程中出现混料的发生，是生产工程中需要具备的工程素养。

（二）取样过程要求

了解不同取样部位对样品性能的影响。取样位置控制在原材边缘到中心距离的四分之一到二分之一，性能比较均匀，具有代表性，取样过程不能对样品产生其他影响，样品的大小保证满足金相组织观察及硬度测试；定量分析结果的正确性及不确定度，培养学生的工程意识。

（三）热处理过程

学生需要了解的基础知识：

（1）根据Fe-FeC 相图确定亚共析钢淬火温度Ac以上30～50 ℃，根据样品的直径及厚度计算保温时间，见表2。

表2 圆柱形碳钢试样在箱式加热炉中保温时间

（2）根据钢的淬透性及淬硬性不同及淬火介质的冷却能力见表3。确定每组的热处理工艺参数及冷却介质。

表3 常用淬火介质的冷却能力

（3）由于20 钢淬透性较差，淬硬性低，故一般选用盐水作为淬火介质，45 钢一般选用水作为淬火介质，而65Mn 钢淬透性及淬硬性较高，防止淬裂的产生，一般选用油作为淬火介质。

（4）根据切取样品的大小计算保温时间及升温时间，写出方案制定合理性说明，样品放置炉中位置及热处理工艺曲线程序编制。

（四）实验现象的分析

（1）组织分析时对样品的制备追求精益求精，利用科技竞赛平台激励机制，鼓励样品制备能手参加全国比赛去磨练学生意志，体现了材料组织的“真善美”。

（2）非金属夹杂物评定过程，通过显微镜下反光不同进行识别，了解各类夹杂物颜色及形态特征，借助软件进行标尺添加、长度测量。

（3）数据汇总要有本人的分担实验部分，本组实验参数设计分析，实验后组织及分析数据，还要有三个组的汇总，结合不同含碳量在热处理过程中如何改善组织和性能，选择参数的缘由。

三、实验成绩评定方法

成绩考核评定办法采取分4 个部分及4 种方式进行见表4。

表4 实验成绩评定各部分所占比例

（1）课前预习部分：主要培养学生自学习惯。为防止过程枯燥，可以采取视频、微课、图片及动画等现代教学元素进行展示，提高学生学习兴趣。充分利用现代化工具，通过手机网上答题的形式考核学生。对学生而言，能减轻书写部分报告的压力；对老师而言，能够实时掌握学生学习程度。

（2）实验设计部分：以课堂交流讨论为主，主要通过组内互相交流，学生团队制定合理方案。让其他组队员来打分评定。

（3）操作过程部分：小组内分工完成，每人承担不同的部分，最后由同组人来打分，督促学生积极性，实验过程中追求操作上的精益求精。

（4）实验分析部分：数据汇总，报告撰写规范化，分析提出独特的见解，并对实验进行反馈。

四、结束语

教师建设课程过程中让教师、学生及课程更好做到三位一体。实验设计中充分发挥在团队合作交流空间，实验过程中培养学生责任感及精益求精的探索精神。

开放性的实验思路，每个学生的实验内容不重复，可以充分体现学生的层次性。课前利用视频、微课及动画等现代化手段培养学生自学习惯。手机软件答题既能提高学生兴趣也可减轻学生负担。实验过程采取小组分工形式完成，培养团队合作意识。在专业领域使用信息技术，专业软件分析评定非金属夹杂物和晶粒度。最后三个小组汇聚成一个大组，通过各小组之间实验后数据对比分析讨论。这样类似一个小型毕业设计，可以将几门专业课有机连接起来，使专业课与实验技能融会贯通，并对实验做出反馈，助于持续改进教学过程。