基于工程問題牽引的線上線下混合式教學設計與實踐

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.148

摘 要 分析機械類專業工程材料實驗課程特點，開展工程材料實驗課程線上線下混合式教學改革與實踐，突出教學團隊的工程背景優勢，融合工程案例對教學內容、教學工具、教學方式提出改進方案，設計基于多軟件平臺的工程材料實驗課程混合式教學模式，取得理想的教學效果。

關鍵詞 工程材料實驗；教學軟件；混合式教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-0-03

0 引言

當前，線上教學走向新常態，線上線下混合式教學成為高等教育教學改革的一個重要方向。線上教學在信息傳遞、內容呈現與人員互動方面具有突出的便捷性、多樣性等優勢，但是在面對實踐類課程時也存在教學工具受限、課程資源不足等問題。因此，高校教師應基于課程特點開展教學模式改革創新，構建融合線上教學和線下教學優勢的混合式教學模式。

國內眾多高校教師已針對工程材料課程線上教學改革開展了大量研究工作。例如：邵博等[1]針對機械類專業工程材料課程混合式教學進行探索與實踐，組建基于超星平臺、以微課為形式的可考評的進程式智慧課堂，形成以學生為中心的“多樣化教學+差異化教學+興趣引導型教學”的教學模式；郭娜娜等[2]對材料成型控制專業工程材料課程線上線下結合的必要性、課程建設思路進行了分析；陳向陽等[3]分析了機械工程材料課程實驗教學現狀和問題，提出機械工程材料實驗教學創新性改革的思路和措施；伍堃[4]借助翻轉課堂，同時構建

“課內+課外”“線上+線下”“課堂+現場”“平時+期末”四種模式有效結合的綜合教學模式；袁秋紅等[5]構建了一套較完善的基于SPOC的機械工程材料課程教學體系，與慕課資源結合，增強課程教學效果；閆共芹[6]探索建立了一種基于雨課堂的混合式智慧教學模式，通過在線上創建虛擬教學課堂，營造一個高效的學習環境。相關研究與實踐雖然取得一定的成果，但是對工程材料課程與工程實際問題結合方面關注較少。

本文以機械類專業工程材料實驗課程為例，基于該課程內容復雜、抽象，與工程實踐結合緊密的特點，進行基于工程問題牽引的工程材料實驗課程混合式教學設計，在實際教學中完成實踐探索，取得良好效果。

1 工程材料實驗課程特點分析

材料、能源和信息作為現代社會發展的三大支柱，發展十分迅猛。對于工科院校機械類專業的學生來講，學習并掌握工程材料的基本知識十分必要。工程材料是機械類專業的一門技術基礎課程，與實踐聯系緊密，工程材料實驗是其配套的極為重要的實踐教學環節，是高等院校機械類專業學生的必修課程之一。工程材料實驗旨在使學生通過實踐驗證和理解基本理論，對培養學生嚴肅認真的工作作風、實事求是的科學態度有著十分重要的作用。該課程具有如下特點。

1）學科交叉性強：課程涉及材料學、力學、熱學和機械工程相關知識內容，知識點多，理論性強，需記憶的概念零碎、較為抽象，學生理解困難。

2）工程應用性強：不同工程材料及其加工、制造工藝在實際應用中表現出完全不同的性能，嚴重影響機械裝備的工作狀態和故障模式，工程材料及其實驗教學需緊密結合工程實際問題，引導學生掌握材料特性影響，加深理解與認知。

3）動手實踐性強：與其他實驗類課程類似，工程材料實驗對動手實踐能力要求較高，需通過實驗掌握材料的性能測試方法、加工工藝和材料固有特性的影響規律，理論知識與實踐應用結合緊密。

與其他實驗類課程類似，工程材料實驗課程的線上授課方式給相關教學工作增添了許多困難。為此，筆者所在教學團隊嘗試構建基于工程問題牽引的線上線下混合式教學模式，充分利用線上教學軟件建設豐富的案例素材庫，對授課內容、實驗過程錄制視頻文件，各類線上資源成為線下教學的有力補充，對提高學生學習興趣、增強抽象問題的教學效果發揮了重要作用。

2 基于工程問題牽引的工程材料實驗課程

線上線下混合式教學設計

北京化工大學工程材料實驗課程開設于本科大二年級，該階段是加強實踐教學，提高學生動手能力、工程實踐能力的重要時期。該課程主要內容包括金相樣品的制備與鐵碳合金平衡與非平衡顯微組織分析實驗、鋼材料的選擇與熱處理綜合實驗。教學團隊在如下幾方面進行了改進。

2.1 工程問題牽引

為了加強教學內容與工程實際的聯系，幫助學生理解工程材料實際應用價值與意義，基于教學團隊工程應用經驗，對實際項目中不同材料對機械裝備工作性能的影響進行總結分析。該案例來源于某煉化企業航煤加氫壓縮機組氣閥彈簧斷裂故障。該機組壓縮介質含有較多的硫化氫腐蝕介質，氣閥彈簧在長期運行中不斷壓縮、恢復，產生交變應力，若材質不能滿足運行工況和環境要求就會發生斷裂。項目組先后選擇60Si2Mn、鎳基合金-X750制作氣閥彈簧，不同材料的彈簧應用后，在3～5個月運行期內均發生部分氣閥彈簧斷裂問題，如表1所示。用戶與項目組深入討論，認為該機組運行特性特殊，因此選擇鈦合金材料TC4制作氣閥彈簧，經過一年運行檢驗，所有氣閥彈簧均未發生斷裂。該案例充分體現了不同工程材料的工作性能，展示了工程材料及其實驗課程的作用和意義。

2.2 自主研發應用教學軟件

鐵碳合金的顯微組織是研究和分析鋼鐵材料性能的基礎。工程材料金相實驗針對鋼的熱處理、鐵碳合金平衡組織顯微分析和非平衡組織顯微分析兩部分實驗，驗證鋼鐵材料的成分不同，顯微組織不同，性能不同，表征鋼鐵材料成分、顯微組織、性能密切相關。

針對上述實驗涉及材料種類及屬性復雜，學生在學習不同材料金相試樣組織圖像方面存在困難，傳統紙質材料記憶不便、效率低下等問題，教學團隊自主開發金相試樣組織教學軟件一套，該軟件主要功能界面如圖1所示。

軟件中集成了常用41幅標準金相試樣組織的圖片，建立了標準圖像庫，篩選了其中典型的12幅作為重點。軟件具備各類圖像處理算法，包括灰度變換、局部平均平滑、中值濾波、圖像銳化等，對圖像數據進行增強處理。軟件可與金相顯微鏡系統連接，實時采集實驗中生成的金相組織結構圖像，并與標準圖像庫中的圖像進行對比，輔助學生直觀高效地學習。軟件具有人機交互功能，通過選擇不同材料屬性、不同熱處理加工方式，自動展示不同金相圖片，幫助學生學習，提升學生對抽象知識的理解鑒別力。具體功能如圖2所示。

該軟件還具有報告生成和打印功能。在完成圖像的對比篩選后，自動生成報告文檔，展示實驗中的金相圖片與標準庫中的圖像，完成必要的分析說明。

2.3 應用專業化軟件

除自主研發新軟件之外，教學團隊在課堂教學過程中采用奧特光學的OPTPro專業金相評級分析軟件觀測打磨試樣的顯微組織，對一些常見和常用的金屬材料初步識別其組織，對所制備的金相試樣進行觀察，判斷制備金相試樣所用的材料。

OPTPro系統通過數碼攝像裝置、計算機等硬件設備采集金相顯微鏡中的金相圖片，對圖片進行處理和分析，包括利用直線、矩形、多邊形等多種測量工具完成長度、面積、角度測量。OPTPro系統擁有不同的功能模塊，包括：自動評級，可對圖像進行自動分析并給出結果；比較評級，可將采集的實驗圖像與標準圖庫進行對比，人工完成分析判斷；定倍打印，一次裝入多幅圖片，并可對其進行圖像處理和設置說明文字，建立電子報告文檔等。

2.4 綜合利用多平臺軟件

上述專業化分析軟件主要用于線下教學，線上教學時部分軟件只能進行遠程會議展示。為了適應線上教學要求，教學團隊錄制了大量實驗過程視頻，拍攝了照片，對實驗過程、結果進行詳細說明，包括金相試樣的制備過程、金相組織圖像觀察、材料的不同熱處理過程、材料組織顯微觀察及硬度測定等。

應指出的是，金相實驗教學要求學生認真識別各種材料的顯微組織，分析化學成分對鐵碳合金顯微組織的影響，加深理解化學成分、組織與性能之間的關系，為將來的畢業設計環節以及畢業后工作中的設計和選材打下堅實基礎。教學團隊綜合利用學校統一的教學軟件平臺、騰訊會議、企業微信等，彌補線上教學期間學生無法親手完成實驗的不足，增強課堂學習效果?；謴途€下教學后，上述視頻可作為學生預習、復習的重要材料，輔助學生自主學習。

3 教學實踐問題總結與思考

在上述教學實踐基礎上，對教學實踐問題進行總結，為下一步教學改革奠定基礎。

1）工程材料實驗課程與其他實驗課程類似，線上開展教學工作難度大，學生缺少動手實踐過程，對知識點理解不深。

2）工程材料課程知識點較多、較抽象，記憶難度大，疊加線上課程講解，學生普遍反映學習動力不足、效果不佳。

對此，教學團隊以實際工程問題作為牽引，引導學生主動思考，理解不同材料特性在實際工程應用中的價值和意義，突出本課程學習的必要性。同時，在線下教學工具方面進行自主研發和改進，解決傳統教學中需要學生利用紙質材料死記硬背的問題，應用先進的軟件工具提高學生的學習熱情和效率。在線上教學資料方面，通過錄制各類視頻、拍攝圖像，制作多媒體資料，將線下完整的實驗過程搬遷到線上，彌補線上教學無法開展實驗活動的不足。

后續改進措施如下。

1）當前，教學軟件在線上線下融合方面還存在不足，軟件功能專業化較強而網絡化不足。可進一步基于雨課堂等平臺軟件，利用材料金相結構圖片制作在線題目，增強教學效果；同時，開發網頁版金相試樣組織教學軟件，使學生能夠在線上直接完成金相圖像的對比分析和報告制作等。

2）課程與工程實際結合仍不夠緊密，學生普遍要求加強工程應用背景介紹。因此，將進一步豐富多媒體資源，增加工程現場的案例說明等內容，拓寬學生的知識面。

4 結束語

本文基于工程材料實驗課程特點，結合線上教學出現的問題開展線上線下混合式教學改革探索，在教學內容中引入工程案例，突出課程的工程應用價值；在教學工具方面綜合應用自主研發軟件、OPTPro專業金相評級分析軟件、教學軟件平臺等，把實驗過程與結果制作成多媒體素材進行展示，營造高效的學習環境。教學實踐表明，該教學模式得到師生的一致肯定，取得良好效果。

5 參考文獻

[1] 邵博，孫倫業，劉志衛，等.工程材料課程混合式教學的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2023（11）：73-75.

[2] 郭娜娜，殷鳳仕，姜學波，等.“工程材料”課程線上

線下結合的教學模式探索[J].教育現代化，2019，6（87）：

111-112.

[3] 陳向陽，劉志衛，孫倫業，等.機械工程材料課程實驗

教學創新性改革與探索[J].內江科技，2023，44（5）：

120-121.

[4] 伍堃.基于“翻轉課堂”的機械工程材料課程教學綜合

改革研究[J].廣州化工，2022，50（19）：269-270，291.

[5] 袁秋紅，周國華，廖琳，等.基于SPOC模式的機械工

程材料課程線上線下混合式教學體系的構建與實踐[J].

宜春學院學報，2022，44（3）：117-122.

[6] 閆共芹.基于雨課堂的混合式智慧教學設計與實踐：以

工程材料及成型基礎課程為例[J].教育觀察，2020，

9（33）：43-46.

*項目來源：北京化工大學2024年教育教學改革研究首批委托立項資助項目“過程流體機械”（項目編號：國際化課程建設編號5）；北京化工大學2024年本科數字教材建設資助項目“流體機械數字化導論”（項目編號：JC202402）；北京化工大學機電工程學院教育教學改革研究立項項目“面向‘碳達峰—碳中和’的過程流體機械人才培養改革實踐與創新”（項目編號：B202215）。

作者簡介：馬艷娥，北京化工大學機電工程學院黨政辦公室主任，講師；張進杰，通信作者，博士，副教授；趙軍，博士，副教授；王瑤，博士，講師。