全英文“納米表面工程與摩擦學(xué)”課程教學(xué)體系設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊雷 秦立果 李明 李晶 許睦旬

[摘 要] 為順應(yīng)國(guó)際化教育需求，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院持續(xù)8年開設(shè)全英文納米“表面工程與摩擦學(xué)”課程。課程針對(duì)留學(xué)生知識(shí)體系存在差異性、課程內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科、教學(xué)范圍既廣又深的難點(diǎn)，借助思源學(xué)習(xí)空間等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具開展線上、線下混合教學(xué)，課下提供工程案例視頻啟發(fā)學(xué)生思考，課堂上通過問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，并在課程開設(shè)過程中引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)幫助學(xué)生理解摩擦學(xué)知識(shí)，形成了工程問題導(dǎo)引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動(dòng)的教學(xué)特色，為國(guó)際化教學(xué)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 國(guó)際化教育；全英文授課；納米表面程工與摩擦學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2020年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“鋼絲繩摩擦磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制與實(shí)驗(yàn)開發(fā)”（202002108005）；2020年度西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“拔尖人才圖學(xué)思維與工程圖學(xué)研究型學(xué)習(xí)方法研究”（20BJ04Y）；2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于智能設(shè)計(jì)與制造對(duì)工程圖學(xué)課程內(nèi)容與體系的改革”（201901172009）

[作者簡(jiǎn)介] 楊 雷（1987—），男，陜西咸陽人，工學(xué)博士，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事微納摩擦學(xué)、智能傳感器研究；秦立果（1986—），男，湖北咸寧人，工學(xué)博士，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事摩擦學(xué)、仿生減阻研究。

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）02-0065-04 [收稿日期] 2021-05-19

引言

全英文教學(xué)，不僅能滿足留學(xué)生教育的需求，還會(huì)推動(dòng)高校教育教學(xué)質(zhì)量的提高，為高等院校的國(guó)際化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-4]。為了順應(yīng)形勢(shì)的需要，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院持續(xù)8年開設(shè)全英文“納米表面工程與摩擦學(xué)”課程，采用全英文課件、全英文資料與全英文講授，培養(yǎng)學(xué)生高水平的外語表達(dá)能力，同時(shí)使學(xué)生具備較強(qiáng)的國(guó)際意識(shí)，能夠站在全球資源配置角度思考專業(yè)問題。該課程是機(jī)械工程專業(yè)研究生的專業(yè)課，涉及多個(gè)學(xué)科、具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，其主要核心是解決工程問題，其主要內(nèi)容包括納米表面制備和測(cè)試、摩擦磨損機(jī)理等。經(jīng)過不斷探索、改進(jìn)，將該課程教學(xué)體系進(jìn)行了梳理、調(diào)整，改革了教學(xué)方法和教學(xué)手段，形成了工程問題導(dǎo)引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動(dòng)的教學(xué)特色。

一、教學(xué)難點(diǎn)

“納米表面工程與摩擦學(xué)”全英文課程在教學(xué)過程中，不僅涉及到授課教師的英文水平需求較高，同時(shí)由于學(xué)生來源廣泛以及課程內(nèi)容設(shè)置有以下難點(diǎn)。

1.留學(xué)生比例高，基礎(chǔ)不齊。外國(guó)留學(xué)生選課比例高達(dá)85%以上，由于各個(gè)國(guó)家之間教育水平不同，各個(gè)學(xué)生的知識(shí)體系和基礎(chǔ)差異性巨大。

2.納米表面工程與摩擦學(xué)屬于交叉學(xué)科，涉及材料、力學(xué)、摩擦等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。由于該課程涉及的學(xué)科范圍廣泛，學(xué)生學(xué)習(xí)呈現(xiàn)“片段化”“分裂化”，往往容易成為一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的記憶，互相之間缺乏聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生難以理解。

3.該課程需要同時(shí)兼顧課程廣度與深度。納米表面工程與摩擦學(xué)涉及工程項(xiàng)目及學(xué)科前沿，其中工程項(xiàng)目尤其是復(fù)雜工程項(xiàng)目往往涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，而且該學(xué)科發(fā)展迅速，如何讓學(xué)生可以跟隨學(xué)科前沿，掌握最新研究進(jìn)展，是教學(xué)中的難點(diǎn)。

二、教學(xué)體系

授課教師曾在國(guó)外學(xué)習(xí)深造，并積極參與一線教學(xué)研究工作，熟知美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家的教育體制和教學(xué)方法；實(shí)驗(yàn)教師一直在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)一線工作，有著豐富的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些教師多年從事一線教學(xué)工作，深諳國(guó)外相應(yīng)課程的教育體系、教學(xué)大綱和要求，在大量研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，量體裁衣地制定了新的教學(xué)大綱和計(jì)劃，制作了PPT和相關(guān)資料，建立了一套適合留學(xué)生的納米表面工程與摩擦學(xué)教學(xué)體系。

該課程包含理論學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，課外實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)。其中課程理論包括了納米表面制備、表面力學(xué)測(cè)試、摩擦磨損機(jī)理等，實(shí)驗(yàn)包括納米表面制備、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。授課內(nèi)容安排如表1所示。

三、教學(xué)方法

針對(duì)本課程的難點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過不斷探索形成了工程問題導(dǎo)引、線上線下結(jié)合、問題式驅(qū)動(dòng)的教學(xué)特色，實(shí)現(xiàn)的教學(xué)方法如下。

（一）結(jié)合思源學(xué)習(xí)空間，開展線上、線下混合教學(xué)

思源學(xué)習(xí)空間是西安交通大學(xué)在線教學(xué)輔助平臺(tái)。學(xué)生可以在學(xué)習(xí)空間中查看相關(guān)的公告（如期末考試時(shí)間通知、教材通知等）和學(xué)校教務(wù)通知。學(xué)生可以進(jìn)入相應(yīng)的課程頁面，及時(shí)查看每一門課有幾個(gè)未交作業(yè)、有幾個(gè)新課件上傳等，從而及時(shí)跟進(jìn)課程進(jìn)度。本課程主要使用的板塊是課程公告、課程作業(yè)、課程文件和課程討論[5-9]。

具體而言，學(xué)習(xí)空間具備以下三個(gè)功能：（1）作為課件及相關(guān)資料上傳下載的工具。在課程文件區(qū)域，教師每節(jié)課的課件和相應(yīng)的預(yù)習(xí)視頻都能及時(shí)上傳。同時(shí)，PPT和MP4文件都可以在線播放。（2）作為作業(yè)提交和成績(jī)查看的工具。除了下載課件，該平臺(tái)最重要的功能是提交作業(yè)，并且每次作業(yè)成績(jī)也可以在作業(yè)版塊中進(jìn)行查詢。（3）作為互動(dòng)和討論的工具。學(xué)習(xí)空間主要的互動(dòng)區(qū)域是“課程討論”模塊。在該模塊中，教師和學(xué)生都可以發(fā)帖進(jìn)行討論和互動(dòng)。同時(shí)為了提高教學(xué)效率，教師在課余時(shí)間還采用微信、郵件等多種方式和途徑，與學(xué)生進(jìn)行溝通。教師通過網(wǎng)絡(luò)和郵件布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)或面對(duì)面的方式，與學(xué)生討論和交流問題。

（二）PBL教學(xué)方法

該課程的課程目標(biāo)定位于掌握基礎(chǔ)知識(shí)，但課程知識(shí)點(diǎn)多，為了讓學(xué)生了解知識(shí)在工程實(shí)際中應(yīng)用并激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)興趣，本課程引入PBL（Problem Based Learning）教學(xué)方法，盡可能促進(jìn)學(xué)生深度思考[10，11]。該教學(xué)共分為兩個(gè)部分，第一部分是課堂中、后，通過測(cè)試促使學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，第二部分是課程結(jié)束后，通過最新科研論文閱讀，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

本課程引入了基于工程案例視頻的測(cè)試來幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，包括：課前測(cè)試和課上測(cè)試。在學(xué)習(xí)空間上的課前測(cè)試是很簡(jiǎn)單的，測(cè)驗(yàn)學(xué)生有沒有掌握基礎(chǔ)知識(shí)。課堂上的測(cè)試通過教師引導(dǎo)，激勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)點(diǎn)思考與探索，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

本課程在每次課開始之前上傳視頻，該視頻經(jīng)過教師挑選屬于本堂課程中知識(shí)點(diǎn)在工程中應(yīng)用，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)知識(shí)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生興趣。在課程中間，為了避免學(xué)生陷入課程無聊、知識(shí)點(diǎn)無用的做法，教師會(huì)拋出問題，并提供1～2分鐘的短視頻幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，并針對(duì)該問題在實(shí)際中應(yīng)用進(jìn)行了討論。通常教師都會(huì)在前一次課上給出下次課的任務(wù)，讓學(xué)生事先查找相關(guān)資料，認(rèn)真預(yù)習(xí)，這樣課堂上教學(xué)效果會(huì)更好。

為了提高學(xué)生創(chuàng)新思維，緊密跟隨前沿研究。在創(chuàng)新思維培養(yǎng)環(huán)節(jié)，以學(xué)生為中心，以問題為驅(qū)動(dòng)引入翻轉(zhuǎn)課堂，教師提供豐富的前沿論文資源，根據(jù)學(xué)生水平給予不同難度的論文，引導(dǎo)學(xué)生課外查閱資料、理解論文含義和分析論文中采用的技術(shù)手段、未來的探索方向。課上，學(xué)生對(duì)整個(gè)論文內(nèi)容進(jìn)行介紹，并分析該論文采用的技術(shù)與自己的思考，同時(shí)其他同學(xué)可以進(jìn)行提問。最后，教師根據(jù)不同學(xué)生的匯報(bào)情況進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)一步補(bǔ)充學(xué)生沒有考慮到的考核知識(shí)點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的“以教導(dǎo)學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)定教”，讓學(xué)生根據(jù)自身情況自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，將課內(nèi)與課外相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

（三）工程問題引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高等學(xué)校是工程教育的主陣地，應(yīng)面向工業(yè)界培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)能力強(qiáng)的工程技術(shù)人才，應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)、提高其工程素質(zhì)。實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)工程技術(shù)人才的必要手段，是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑，學(xué)生應(yīng)在實(shí)踐過程中學(xué)習(xí)觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。首先，教師帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，并在期間通過提問引導(dǎo)學(xué)生積極思考，掌握有關(guān)知識(shí)點(diǎn)。然后，教師根據(jù)學(xué)生不同水平提出不同難度的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在課外實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置了ECR碳膜制備演示實(shí)驗(yàn)及材料摩擦磨損實(shí)，幫助學(xué)生理解課堂知識(shí)點(diǎn)，掌握納米表面制備工藝及材料磨損測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中，教師講解、學(xué)生實(shí)踐與現(xiàn)場(chǎng)討論結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，促使學(xué)生掌握、理解等離子體技術(shù)、薄膜制備及摩擦學(xué)特性測(cè)試等相關(guān)知識(shí)。

ECR等離子體系統(tǒng)用于表面加工及薄膜沉積工藝。ECR等離子體系統(tǒng)主要由微波系統(tǒng)、ECR磁場(chǎng)、等離子體室、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)五大部分組成。通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生切實(shí)感受等離子體產(chǎn)生的原面工程中的相關(guān)知識(shí)。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)材料在干摩擦?xí)r的摩擦磨損性能。試驗(yàn)機(jī)的基本工作原理為：通過加載機(jī)構(gòu)施加試驗(yàn)所需載荷，電機(jī)驅(qū)動(dòng)試樣臺(tái)上的試樣旋轉(zhuǎn)，使其與對(duì)偶件（如氮化硅球）進(jìn)行滑動(dòng)摩擦造成懸臂梁發(fā)生變形，粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片產(chǎn)生電信號(hào)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集摩擦過程中的應(yīng)變片信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理從而得到摩擦過程中的摩擦系數(shù)。通過本實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生了解摩擦測(cè)試的基本方法及碳基薄膜的摩擦學(xué)特性。

結(jié)語

經(jīng)過8年探索與實(shí)踐，“納米表面工程與摩擦學(xué)”教學(xué)形成了以工程案例為啟發(fā)，問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，獲得留學(xué)生廣泛好評(píng)。在2020年疫情期間，該教學(xué)方法克服了疫情對(duì)課堂教學(xué)的一定影響，學(xué)生評(píng)分超過91分，學(xué)生評(píng)價(jià)“老師向我們提供了一些研究新技術(shù)的研究論文，我發(fā)現(xiàn)這很有趣，我認(rèn)為這是獲得新知識(shí)的最佳方法”“實(shí)際上，老師的教學(xué)方法受到高度贊賞，不僅因?yàn)樗挠⒄Z也很棒”。

本文總結(jié)了“納米表面工程與摩擦學(xué)”全英文教學(xué)的方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)課程的難點(diǎn)經(jīng)過深入研究、精心設(shè)計(jì)、親身實(shí)踐，制定了教學(xué)體系，并采取了有效的教學(xué)方法和手段，獲得了學(xué)生的高度評(píng)價(jià)，為推進(jìn)教育國(guó)際化進(jìn)程和深化教育改革提供參考與借鑒。

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Design and Practice of Teaching System for the All-English Course of Nano-surface Engineering and Tribology

YANG Leia，b， QIN Li-guoa，b， LI Mingb， LI Jingb， XU Mu-xunb

（a. Key Laboratory of Ministry of Education for Modern Design and Rotor-Bearing System， b. School of Mechanical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： In order to meet the needs of international education， the School of Mechanical Engineering of Xi’an Jiaotong University has continued to offer the all-English course of Nano-surface Engineering and Tribology for 8 years. There are several difficulties in the course teaching such as the differences between the international students’knowledge systems， the multiple subjects involved in the course content， and the wide and deep scope of the course. The online teaching tools such as Siyuan Learning Space is used to carry out online and offline mixed teaching， providing problem-based learning in class and engineering case videos for inspiration after class. Experiment teaching is introduced in the course to help students understand tribology， forming the teaching characteristics of engineering problem guidance， online and offline integration， and problem-driven teaching， which provides reference for an international teaching.

Key words： international education； all-English teaching； Nano-surface Engineering and Tribology