“固態(tài)相變原理”一流課程“五位一體”教學(xué)設(shè)計與實踐

段玉平，張貴鋒，黃 昊，付雪松，陳國清

（大連理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.國際教育學(xué)院，遼寧 大連 116024）

引言

2019年教育部印發(fā)《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，要求把教學(xué)改革成果落實到課程建設(shè)上來，以新理念引領(lǐng)一流本科課程建設(shè)，以目標(biāo)為導(dǎo)向加強課程建設(shè)，以提升教學(xué)效果為目的創(chuàng)新教學(xué)方法。全面推進全國一流課程建設(shè)，達到“兩性一度”的“金課”標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。大連理工大學(xué)“固態(tài)相變原理”課程經(jīng)過多年的建設(shè)與改革，有效推動了課程內(nèi)容更新、課堂革命、教法創(chuàng)新和質(zhì)量提升，成功獲批國家一流課程。

“固態(tài)相變原理”是材料科學(xué)與工程專業(yè)大類基礎(chǔ)課程，是打開調(diào)控材料性能的一把金鑰匙，是專業(yè)基礎(chǔ)課“材料科學(xué)基礎(chǔ)”和專業(yè)課“金屬材料學(xué)”之間的橋梁和重要支點，是金屬材料強韌化的理論基石。課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論與實踐的結(jié)合上掌握金屬材料固態(tài)相變的熱力學(xué)和動力學(xué)理論，了解其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，并從原理上掌握金屬工件通過控制固態(tài)相變從而改變其性能的工藝設(shè)計思想。該課程在金屬材料工程專業(yè)中占有極其重要的位置，然而目前各高校課程教學(xué)中存在以講授為主、思政元素滲透較少、課堂互動較少、實踐環(huán)節(jié)較少、教學(xué)內(nèi)容陳舊、考核形式單一、對學(xué)生學(xué)習(xí)效果不做評價等，導(dǎo)致課程授課過程中學(xué)生獨立分析和解決問題的機會較少，不能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨立思辨能力。由此，為了在專業(yè)領(lǐng)域更好地培養(yǎng)具有自我學(xué)習(xí)和探索能力的創(chuàng)新型人才，必須對專業(yè)課程進行深度改革。本課程教學(xué)組從教學(xué)內(nèi)容研究入手，一方面將課程中的傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論與最新研究進展和發(fā)展趨勢相結(jié)合；另一方面將人文教育、社會科學(xué)和哲學(xué)與專業(yè)教學(xué)結(jié)合起來，挖掘固態(tài)相變中蘊藏的哲學(xué)思想，以開拓學(xué)生的思維空間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。

大連理工大學(xué)基于新時代一流本科課程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)及要求，進一步全方位實施教學(xué)改革，具體提出“五位一體”教學(xué)設(shè)計，并實施課內(nèi)課外立體課堂，有效提升了課程目標(biāo)的達成度。對于進一步推進“固態(tài)相變原理”國家一流課程建設(shè)，提高材料學(xué)科一流本科人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

一、“五位一體”課程教學(xué)設(shè)計

“固態(tài)相變原理”課程構(gòu)建以課程目標(biāo)為導(dǎo)向、以課程思政為引擎、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以動態(tài)更新的教學(xué)內(nèi)容及案例分析為依托、以過程考核為手段進行“五位一體”課程教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)“知識—能力—素質(zhì)”創(chuàng)新型人才。整體教學(xué)設(shè)計見圖1。課程確立了明確的課程目標(biāo)，通過強化課程思政這一育人功能，激發(fā)學(xué)生的民族自信心和愛國主義情懷，形成學(xué)習(xí)本課程的動力引擎。具體通過授課團隊集體備課、集體教研、示范授課、案例研究等，研究思政元素融入課程的有效路徑和方案。通過改革傳統(tǒng)課堂“滿堂灌”的教學(xué)模式，強化師生互動、生生互動，培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和批判性思維，形成以學(xué)生為中心的互動課堂；通過案例式教學(xué)和項目式學(xué)習(xí)，拓展課程廣度和深度，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并培養(yǎng)學(xué)生非技術(shù)性因素能力；通過加大過程考核的次數(shù)和難度，提高課程的創(chuàng)新性和高階性；最后通過課程目標(biāo)的形成性評價對課程進行持續(xù)改進。

圖1 “五位一體”課程總體教學(xué)設(shè)計

（一）課程目標(biāo)確定

課程目標(biāo)為通過課程學(xué)習(xí)學(xué)生應(yīng)達到的目標(biāo)，主要包括知識、能力、課程思政目標(biāo)，并能夠支撐專業(yè)的畢業(yè)要求及其指標(biāo)點。對于課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系，課程負責(zé)人需充分理解和對應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)方案中的“課程體系與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣”。結(jié)合課程畢業(yè)要求指標(biāo)點，“固態(tài)相變原理”確定了四大課程目標(biāo)。（1）課程思政目標(biāo)：結(jié)合我國大型熱處理工程應(yīng)用案例和古代熱處理技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的民族自信心，明確個人作為社會主義事業(yè)建設(shè)者和接班人所肩負的責(zé)任和使命；（2）獲取知識目標(biāo)：掌握金屬材料內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變及性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及相關(guān)機理，明確固態(tài)相變熱力學(xué)和相變動力學(xué)條件；（3）分析問題目標(biāo)：結(jié)合案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生具備根據(jù)材料的性能要求合理選擇材料和制定熱處理工藝的能力；（4）解決問題目標(biāo)：能應(yīng)用熱處理基本原理及熱處理基本工藝解決金屬材料熱處理復(fù)雜工程問題，并具有一定新材料開發(fā)的能力。通過以上課程目標(biāo)，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。

（二）課程思政教學(xué)設(shè)計

通過與教研室教師定期集體備課，以教學(xué)研討、講評結(jié)合、示范引領(lǐng)等方式提升課程思政建設(shè)水平。主要從課程的知識點、章節(jié)、篇章和整體四個方面，全方位挖掘課程的思政元素，通過案例教學(xué)、研討式教學(xué)、項目式教學(xué)等方式，實施“點上滲入、線上植入、面上融入、體上浸入”的“四入”路徑和方案。課程以我國在熱處理領(lǐng)域的較高成就為例，如早在鐵器時代我國就有熱處理的金屬制品，商朝就采用了退火工藝；我國科學(xué)家柯俊提出貝氏體相變假說；我國現(xiàn)代新鋼種的開發(fā)成就；等等，通過這些案例激發(fā)學(xué)生的民族自信和愛國主義情懷。

（三）學(xué)生為中心的課堂教學(xué)設(shè)計

本課程基于工程案例，改革傳統(tǒng)課堂“滿堂灌”的教學(xué)模式，注重與學(xué)生的互動，讓學(xué)生提出問題并展開討論，形成師生互動、生生互動的課堂教學(xué)氛圍，從工程案例引出本課堂的知識點，教師由“教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)”，讓學(xué)生的“被動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)習(xí)”，解決創(chuàng)新性、批判性思維培養(yǎng)的問題。通過自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生用個性化的思路解決實際問題，從而使教學(xué)效率得到有效提升。最后結(jié)合課堂目標(biāo)，讓學(xué)生在課堂上有自我評價學(xué)習(xí)產(chǎn)出的機會。整體教學(xué)設(shè)計流程見圖2。

圖2 學(xué)生為中心的課堂教學(xué)設(shè)計

（四）課程內(nèi)容的“五新”教學(xué)設(shè)計

動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容。課程理論知識主要包含固態(tài)相變理論基礎(chǔ)、奧氏體形成、珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀、回火轉(zhuǎn)變和熱處理工藝等，覆蓋固態(tài)相變基本知識和基本原理。依據(jù)固態(tài)相變最新研究前沿動態(tài)及社會發(fā)展需求動態(tài)更新知識點和案例，課程內(nèi)容與時俱進體現(xiàn)“五新”設(shè)計，即新原理、新技術(shù)、新成果、新交叉、新應(yīng)用。隨著固態(tài)相變原理學(xué)術(shù)研究的進一步深入，出現(xiàn)新原理突破；隨著固態(tài)相變原理熱處理技術(shù)的快速發(fā)展，呈現(xiàn)新技術(shù)；隨工程應(yīng)用要求的不斷提高，相變組織及性能不斷提升，呈現(xiàn)新成果；相變涉及領(lǐng)域包含金屬材料、陶瓷材料、熱處理介質(zhì)、自動控制、人工智能、儀器設(shè)備、計算機技術(shù)、人文環(huán)保等，呈現(xiàn)出深度新交叉；新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，包括極高（衛(wèi)星材料）、極低（深海工程材料）、極快（高鐵鐵軌）、極大（大興機場鋼結(jié)構(gòu)）、極寒（太空/北極）、極熱（航天飛船/鍋爐）等新應(yīng)用領(lǐng)域。更新后的教學(xué)內(nèi)容如圖3所示。

圖3 動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容

案例教學(xué)及非技術(shù)因素能力培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計方面，深入挖掘固態(tài)相變中蘊藏的哲學(xué)思想，將人文教育、社會科學(xué)和哲學(xué)與專業(yè)理論知識結(jié)合起來，開拓學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了很好的教學(xué)效果。通過案例分析提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。結(jié)合典型案例引出新的相變組織及工藝，學(xué)生討論分析相變的最基本原理和工藝設(shè)計，如把亞溫淬火、混合熱處理等最新知識補充到相關(guān)章節(jié)，將節(jié)能環(huán)保、成本核算、法律風(fēng)險、人文因素等滲透到每一章節(jié)，拓展課程廣度和深度，提高創(chuàng)新性和高階性。

（五）強化過程考核教學(xué)設(shè)計

一流課程應(yīng)加強階段性測驗、課堂互動、教學(xué)實踐活動等過程性考核管理，過程考核在課程總成績中的比重不低于30%。本課程不斷實施考核方法和考核內(nèi)容改革，綜合應(yīng)用了筆試、設(shè)計、項目等非標(biāo)準(zhǔn)答案作業(yè)等多種形式，全面考核學(xué)生對固態(tài)相變知識的掌握和運用，注重對應(yīng)畢業(yè)要求和課程目標(biāo)的達成分析。

本課程實行5次過程考試，包括1次期中考試（占總成績的30%）和4次課堂考核（各占總成績的5%），以及1次期末考試（占總成績的50%）。過程考核主要考查學(xué)生設(shè)計能力、解決復(fù)雜工程問題和非技術(shù)因素等能力，有一定的難度，學(xué)生必須通過足夠的專業(yè)閱讀和思考，才能設(shè)計出解決方案；期末綜合考試主要對課程目標(biāo)和畢業(yè)能力要求的達成度進行考查。

二、課內(nèi)課外立體課堂教學(xué)實施

為進一步貫徹“五位一體”教學(xué)設(shè)計，本課程實施課內(nèi)課外立體課堂（見圖4），主要包括課前的企業(yè)觀摩認(rèn)識，課內(nèi)的項目及案例式、討論式、自主思辨式學(xué)習(xí)，課后自主實驗、學(xué)生親自動手獲得相關(guān)組織，并分析其在工程實際中的應(yīng)用和影響因素，鞏固課堂知識，激發(fā)創(chuàng)新思維。

圖4 “五位一體”教學(xué)設(shè)計下的課內(nèi)課外立體課堂

具體教學(xué)實施過程中的教學(xué)設(shè)計為：課前任課教師帶隊到企業(yè)進行觀摩認(rèn)識，了解固態(tài)相變的相關(guān)工藝和操作規(guī)程，對熱處理有直觀的認(rèn)識；課內(nèi)課堂教學(xué)主要采用項目及案例式教學(xué)，通過討論式和課堂講解相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、思辨能力和解決實際問題的能力；課后通過實驗課，讓學(xué)生親自設(shè)計并動手獲得相關(guān)組織，觀察和鑒定組織并分析其在工程實際應(yīng)用的影響，鞏固課堂知識。

三、課程評價及改革成效

課程注重多層次、多方面和多維度評價，主要包含課堂、期中等過程考核和期末考試評價，也包含學(xué)生反饋、學(xué)生評教、校內(nèi)校外專家評教，最后任課教師根據(jù)多方面考核數(shù)據(jù)和評教數(shù)據(jù)對課程進行形成性評價。基于過程考核課程目標(biāo)達成評價樣例如表1所示。

表1 基于課堂、期中等過程考核課程目標(biāo)達成評價樣例

本課程的總體評價要結(jié)合課程目標(biāo)達成度評價、學(xué)生評教、校內(nèi)校外專家評教進行總體分析，重點分析學(xué)生是否表現(xiàn)出想學(xué)愿學(xué)而使得成績整體提升、學(xué)生獨立解決實際問題和非技術(shù)類能力素質(zhì)（包括課程思政效果）的達成情況。課程目標(biāo)整體達成評價同時要結(jié)合每一章節(jié)的具體閉環(huán)評價，最后形成課程目標(biāo)的整體形成性評價及下一輪改進舉措，由此不斷更新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、優(yōu)化課程考核、調(diào)整課程目標(biāo)，形成具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流課程。

結(jié)語

一流課程是一流大學(xué)建設(shè)的基礎(chǔ)，大力推進適應(yīng)新時代高質(zhì)量發(fā)展要求的一流本科課程建設(shè)對于一流大學(xué)建設(shè)有著重要的意義。大連理工大學(xué)“固態(tài)相變原理”課程以目標(biāo)為導(dǎo)向、以課程思政為引擎、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容及案例分析為依托、以過程考核為手段的“五位一體”教學(xué)設(shè)計改革高度契合教育部對一流本科課程建設(shè)的要求，并通過課內(nèi)課外立體課堂教學(xué)的實施，以及課程目標(biāo)的形成性評價和持續(xù)改進，有效提升了教學(xué)質(zhì)量，對于加快形成具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流課程，實現(xiàn)學(xué)生“知識—能力—素質(zhì)”同步提升有著重要的理論和實踐意義。