1、高等院校教学研究：“铁碳合金相图” 混合式教学设计一、课程教学整体思路1.课程的建设发展历程材料科学基础1是材料科学与工程学院金属材料工程、粉体工程等专业基础课程，是研究材料成分、组织、结构与性能之间相互关系的一门学科。本门课程是金属材料工程专业、粉体工程专业的学科基础之所在，故本门课程的教学内容与教学质量的好坏，直接影响着本科毕业生的业务水平与发展潜力。本课程分别于2008年和2012年获批合肥工业大学精品课程和安徽省精品课程，每年约有300名本科生学习该课程。2.课程的基本信息：课程性质、课时安排、课程特色等根据最新修订的2019版教学大纲，材料科学基础1授课学时为64学时，共4学分，授课
2、时间为大二下学期，是金属材料工程和粉体工程专业的专业基础课程。通过本课程的学习，可以使学生掌握材料科学与材料工程相关的基础知识，为后续专业课程奠定坚实的基础，能够有效提升面向工程教育认证的学生培养质量。本课程是一门承上启下的专业必修课。材料科学的快速发展促进了新技术、新材料的广泛应用，在教学过程中，一方面强化学生对于基础知识的积累，另一方面引导学生将基础知识与工程应用相结合，因此与本课程的特色主要有以下三点：(1) 注重跟踪相关新技术的发展，并将其反映在教学内容中。教学队伍中年轻教师均具有海外留学经历，学习能力强，与国际接轨程度高；(2) 注重教学研究与教学改革。任课教师承担多项教学改革项目，
3、研究中将先进的教学理念和教学方法应用到该课程之中，在此基础上创建新的教学法，提出的“现象-问题-理论-方法-创新意识”五环相扣的创新教学法实施效果良好；(3) 注重学生实践能力、创新能力的培养。教学过程中利用多媒体、虚拟仿真平台等多种手段，将理论知识与工程实践相结合，提高学生的学习热情，培养学生科学的思维和创新的能力。积极开展校企合作，通过开展专家讲堂、企业实践、认知实习等方式，拓展学生的实践平台，培养学生的解决实际问题的能力。3.混合式教学改革要解决的重点问题 线上线下混合式教学，本质是解构知识体系、重构学习体系的过程。混合式教学均须遵循“以学生为中心”“两性一度”的基本原则，但是在具体的设
4、计与实施中，要充分结合课程的具体实际，不能简单地用某一标准对同类课程的教学过程实行“一刀切”。在进行混合式教学探索前需要明确课程改革要解决的核心问题究竟是什么，然后有针对性地进行“靶向治疗”。因此在混合式教学改革过程中需要重点解决以下问题：(1)厘清线上与线下学习的关系线上和线下学习是混合式教学密不可分的两个重要环节，共同作用于学生的学习效果。线上学习是每阶段学习的起点，通过自主学习，让学生基本掌握课程知识点，带着一定的知识基础及问题走进教室；同时，也是每阶段学习的小结，在线完成学习内容的总结、检验与反思，从头和尾两个环节对课堂教学的质量进行保障。线下学习是控制课程学习效果的关键环节，是实现课
5、堂高阶性、创新性和挑战度的最主要途径之一。教师以精心设计的课堂教学活动为载体，完成学生线上学习成果的检验、帮助学生完成知识的巩固和转化，引导学生实现高阶学习。线上与线下教学环环相扣、循环往复，构成完整的教学周期，形成贯穿“课前课中课后”的闭环学习。(2)明晰学习任务中心混合式教学构建了一种新型师生关系，传统课堂中教师是教学任务的主要承担者，是整个教学活动的中心，掌握着知识传递的绝对话语权。混合式教学则强调学生是学习的主体，学生的学习过程及能力的达成是教学活动的中心，将“以教师为中心”转变为“以学生为中心”的教学模式，实现教学主体的改变，学生对课堂教学活动的参与度直接影响教学的效果。(3)强化师
6、生互动传统课堂的信息传输大多数时间都遵循着从“师”到“生”的单向传输，即从教师所知到学生所知。随着互联网的普及，学生学习的途径快速增加，混合式教学构建的正是这样一个师生、生师、生生的多向互动关系。这种多向互动，需要教师通过设计线上讨论、互动答疑、线下课堂小组作业等线上、线下的教学活动来最终实现。4.课程教学改革的理念坚持立德树人为导向、以学生为中心、面向产出的课程教学改革理念。以立德树人为导向，重构课程教学体系，认知材料学科核心素养，完善教学活动设计，构建虚实相辅教学平台，使学生树立正确的“世界观”、“人生观”和“价值观”，坚持为党育人、为国育才。调动学生学习的积极性和主动性，将“以教师为中心
7、”转变为“以学生为中心”，构建并形成面向产出的评价方案，提升学生综合能力。5.课程教学整体设计思路、教学模式等材料科学基础1是金属材料工程和粉体工程专业的专业基础课程，起到承上启下的作用，其重要性不言自明。针对传统教学过程中存在的理论讲解难以深入、课堂面授枯燥乏味、没有结合新材料的发展、与社会发展存在一定程度的脱节等问题，本课程基于学术研究视角、学科竞赛视角、工程问题视角、课程结构优化等四个方面进行教改设计，其整体设计思路如图1所示。图 1 教学整体设计思路(1)多视角导向，全方位育人材料科学基础1是材料类专业的专业基础及必修课程，一方面其对于后续专业主干课程的学习起到基础性支撑作用，从而为经
8、过专业课程训练之后解决复杂工程问题奠定基础，另一方面其对于后期硕士、博士期间的深入学习也起到了理论指导作用。因此，本课程需要从学术研究视角、学科竞赛视角、工程问题视角等不同方面，构建全方位人才培养体系。一是学术研究视角，在经典的材料理论知识基础上，引入前沿的理论成果和技术成果，保障学生获取知识的深度，鼓励学生跨专业、跨学科发掘知识、调研行业现状，以提升学生的理论素养。二是学科竞赛视角，鼓励学生参加材料相关的学科竞赛(例如全国大学生金相大赛、全国热处理创新创业大赛)以及其他与材料相关的学科竞赛，将理论知识转变为学生的实际动手能力，理论联系实际，强化学生个人能力的提升。三是工程问题视角，基础课程学
9、习的目的是服务于专业课程，用来解决复杂工程问题。在基础知识积累和个人能力提升的基础上，进一步强化学生对于本专业所遇到的复杂工程问题的发现能力、剖析能力和解决能力，实现人才的全方位培养。(2)重构知识体系，优化课程结构针对工科高校的学生，培养其实践动手能力是人才培养的重要一环。本课程在学术研究视角、学科竞赛视角、工程问题视角的考量下，利用认知模块、实践模块以及竞赛模块对知识体系进行重构，已解决课程对于社会发展适应性的问题。通过认知模块解决知识的传授及学生拓展问题；实践模块解决学生动手能力差，无法胜任工科专业任务的问题；竞赛模块在于设计与学科竞赛对接的课堂教学环节，模拟真实竞赛环节的流程、评审机制
10、，提升学生的学习代入感和真实感。二、学情分析材料科学基础1要求学生达成知识、能力以及素养三个维度的目标。1.知识目标能够熟练掌握Fe-Fe3C相图的基本组成相以及在不同温度下的相和组织；能够利用杠杆定律计算Fe-Fe3C相图中不同成分的合金在不同成分时的相与组织的相对含量；能够了解杂质元素对于钢的性能的影响。2能力目标能够利用Fe-Fe3C相图的分析过程拓展到其他复杂相图的分析；能够根据钢的服役条件的不同选择合适的成分。3素养目标能够正确获取、判断、评价和使用信息的素养。根据布鲁姆的教育目标分类法，如图2所示，在实现材料科学基础1课程教学目标过程中，学生需要经过从识记、理解、应用、分析、评估和
11、创造六个阶段，因此在教学过程中，需要对教学目标进行细化和分层，并结合学生的学习能力确定各不同层级之间的教学阶段。材料科学基础1课程面向对象是大学二年级学生，其对材料有了基本的了解，然而概念相对比较模糊。随着互联网技术的快速发展，学生善于通过互联网获取材料相关的知识，但是知识存在零碎化的现象，知识体系不健全，学习方式相对单一。基于上述情况，问题导向学习是一种非常奏效的方法，让学生带着关于材料的疑问进行线上学习、去思考、去探究，激发学生自主学习的兴趣，明确学习任务和目标，并在课堂教学过程中内化。图 2 布鲁姆目标分类图解对于概念和规律的掌握，利用MOOC结合新媒体教材，开展课前自主探究学习，配合学
12、习平台上的答疑讨论、社交化功能软件实现互助学习；知识的应用将于课堂上通过小组合作的方式进行知识点验证，分析知识应用的本质，最后结合线上评价对学生学习效果进行评估；课后再以任务作为拓展让学生在课后进行自主探究分析，完成课程相关知识的迁移。整个教学过程以问题为前导，以案例分析为载体，以项目作为拓展联系专业，以任务驱动开展“以学生为中心”的导向教学。三、教学内容介绍选取自材料科学基础1，章节名称：铁碳合金相图铁碳合金相图的剖析，可加深对相图知识的应用。作为应用最广泛的合金相图，铁碳合金相图是钢铁材料研究与生产的基础，相图的结构，各相区分界线的意义，各特征点的成分、温度、意义以及铁碳合金组织中的基本相
13、与基本组织；组织的形貌特征、组成物的含量计算，组织与性能；铸锭宏观组织的形成机制，控制晶粒组织的途径与方法。钢和铸铁是现代经济建设应用极其广泛的重要基础材料，都是以铁为基，铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。在学习过程中，需要掌握Fe-Fe3C二元相图中的基本相、组织以及含碳量对其组织组成物变化的影响规律，从而为复杂工程问题的解决奠定基础。四、教学目标材料科学基础1课程教学的目标是使学习者深刻理解材料的成分-结构-工艺-组织-性能诸方面的内在联系的根本原因、基本知识和基本应用，为学习后续专业课程奠定坚实的基础理论知识；为将来创造新理论、
14、研制新材料、开发新工艺提供新思路和理论指导，在教学过程中融入课程思政元素，培养学生的大国工匠精神、爱国主义情操、社会主义责任感和无私奉献的精神，逐步塑造学生吃苦耐劳、脚踏实地、团结奋进的作风。其具体教学目标如下：课程目标1：掌握材料科学与工程中原子键合、晶体学、晶体缺陷、相图、金属塑性变形等相关基础知识、基本原理。课程目标2：能够利用科学与工程的基础知识、基本原理进行金属材料成分、结构的工艺设计，并对热处理、塑性变形等复杂工程问题提出解决方案。课程目标3：能够运用基础知识进行固态扩散、材料凝固、塑性变形等工程问题的分析以及开展相关工程研究或者科学研究。五、课程资源材料科学基础1线上线下混合式教
15、学目前拥有中国慕课线上资源，来源于大连理工大学录制的慕课材料科学基础，慕课中包含课程讲解、知识点测试、复杂知识点的动画演示。本课程拥有来自上海交通大学、北京科技大学、西北工业大学、南京航空航天大学等国内知名高校材料科学基础的课件资源以及电子化习题册，在此基础上形成了针对我校金属材料工程专业的材料科学基础1较为完善的课件资源和试题库。六、智慧教学支持材料科学基础1线上线下混合式教学主要采用三种智慧教学条件。一是中国慕课平台，二是雨课堂，三是虚拟仿真实验教学平台。本课程依托的在线资源是国家精品在线开放课程材料科学基础，中国慕课平台可以提供该课程的MOOC课程视频，让学生提前学习材料科学的基础知识，
16、从而让每个学生都带着较好的知识基础和疑问走进教室，从而充分保障课堂教学的质量。在课堂上我们的讲授部分仅仅针对重点、难点，或者同学们在线学习过程中反馈回来的共性问题。结合雨课堂智慧教学工具，对学生在线上学习过程中遇到的重点、难点进行讲解、进行课堂互动，调动学生学习的主动性，培养学生解决复杂工程问题的能力。通过雨课堂，能够及时了解到学生每一次作业、每一次测验、每一次课堂问答中存在的薄弱知识点，学生是否积极参与课堂活动，课堂中所讲解知识点的掌握情况。从学生日常的学习情况中，提前发现学生成绩的变化趋势，保证每个学生都能得到最充分的及时关注，实现以学定教、因材施教。利用材料科学与工程学院虚拟仿真教学平台
17、进行典型零件及工模具用钢的热处理虚拟仿真实验，强化学生对于复杂工程问题解决的能力，高等教育内涵式发展背景下，实验教学主动适应新技术革命性变化，提升新时代大学生的创新精神、实践能力和社会责任感，培养卓越拔尖人才的重要举措，是金属材料工程专业人才培养推进“智能+教育”的积极探索，是推动人才培养质量提升的新的生产力。在前期虚拟仿真教学工作的基础上，该平台已获批2020年安徽省虚拟仿真实验教学项目，同时申报了教育部国家级虚拟仿真实验教学一流课程，为材料科学基础的线上线下混合式教学奠定了良好基础。图3 基于金属材料零件热处理的虚拟仿真平台七、教学过程与实施方法 下面以材料科学基础1第六章中的铁碳合金相图
18、为例阐述教学过程与实施方法。铁碳合金是使用最为广泛的金属基材料，是材料科学基础1课程的重点内容之一。该部分教学内容对学生的能力目标要求是：(1)熟练掌握Fe-Fe3C二元相图中的基本相、组织以及含碳量对其组织组成物变化的影响规律；(2) 可以利用Fe-Fe3C二元相图进行材料选择，解决实际应用过程中材料失效的问题，培养和锻炼学生的研究与实践能力。通过混合式教学，使该部分内容支持课程目标2和课程目标3的达成。混合式教学解决的重点问题是：让学生在有限的时间内实现对课程内容广度和深度认知与掌握，培养学生的综合素质与能力。在混合式课程教学之前，需要对现有的教学资源进行重新整合、梳理和规划设计，铁碳合金
19、相图对应5个知识点，分别是铁碳合金相图的基本构成、合金中的基本相、组织转变过程、杠杆定律的实际应用以及杂质元素对于铁碳合金的影响。线上线下混合式教学的优势是可以将原来的课堂教学活动进一步延伸搞课前和课后，提前做好教学计划和安排是先决条件，教学过程主要包括课前自学、课堂导学和课后学习三个部分，如图4所示。图4 铁碳合金相图混合式教学流程图1课前自学教师提前发布本次课程讲授内容的教学计划，包括教学重点、难点，网上学习资源以及参考资料，发布对应本次课程所讲授知识点的逻辑关系图，发布讨论题目。学生在自主学习过程中遇到问题，教师及时提供在线答疑，同时整理共性问题以备课堂讲解。2课堂导学课堂导学是线上线下
20、混合式教学的核心环节，是将学生通过微课和PPT课件自学知识点内化和疑难问题解决的重要途径。根据教学过程的基本规律，本单元通过一个案例、一组数据、两个视频、三个应用深入浅出讲解铁碳合金相图中的基本相、组织、组织演变规律、杠杆定律的使用以及杂质元素对铁碳合金性能的影响。具体教学流程分为以下几个步骤：【一次课100 min】引入：通过“泰坦尼克号”沉没事件，从材料的角度剖析钢中杂质元素对材料性能的重要影响，从而引入学习和研究铁碳合金相图的重要意义。【教师为主，2 分钟】剖析：阐述铁碳合金相图产生的历史背景，深度剖析相图构成及相图中存在的特殊相变类型，包含包晶转变、共晶转变以及共析转变。【教师为主，2
21、0 分钟】分组讨论：根据铁碳合金中碳含量将相图分为七个部分，分别为工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁，将学生分成七组，分别讨论七种成分的铁碳合金在冷却过程中的相和组织的转变过程，以及在转变的不同阶段相的相对含量变化。【学生为主，30 分钟】探究：基于分组讨论的结果，探究不同成分的合金在冷却过程中相及组织转变的异同点，获得铁碳合金的相和组织随成分变化的规律。【师生互动，30 分钟】评价：通过随堂测验完成对本课程学习效果的检验【学生为主，14 分钟】总结与点评：【教师为主，2 分钟】布置课后作业：【教师为主，2 分钟】3课后学习课后及时发布作业清单，
22、包括雨课堂测试题，开放型作业撰写等题目，由于本科次的内容具有工程应用背景，因此给学校安排一次课后调查报告，要求将所学内容与本次课所学的铁碳合金的发展以及应用相结合完成一篇调查报告，鼓励学生进行探索与思考。在材料科学基础1课程混合式教学设计与实践过程中，通过合适的、新颖的教学活动体现“两性一度”。八、学习评价与教学反馈1过程性评价和综合评价相结合根据合肥工业大学金属材料工程专业2019版教学计划修订的安排工作，材料科学基础1课程评估方式主要包括期中考试、期末考试，课堂测试与作业撰写四个部分。期中，课程过程学习评价主要由线上学习、课堂测试、作业撰写三部分组成。(1)线上学习线上学习主要是教师在课前
23、通过SPOC推送即将学习的内容给学习，利用微课、PPT展示、在线测试等方式考察学生对于基础知识、基本原理的掌握情况。(2)课堂测试针对课程中的知识要点，通过雨课堂进行随堂测试，精心设计题库，及时反馈评分，帮助学生诊断学习情况，课堂测试主要以客观题为主。(3)作业撰写通过雨课堂在课后推送开放型试题、调研性课题让学生进行铁碳合金相关知识的调查，使其掌握书本知识外的知识，拓宽学生知识面。2教学评价与反馈评价是检验教学效果的有效方法，对教学过程有监控和控制作用，而对教师和学生则是一种促进与强化。传统的课堂教学评价注重结果，而雨课堂、腾讯问卷提供的是群体参与的形成性评价，学生的意见能在一个公开的可视化的
24、平台上呈现。相对于传统式教师主导的教学，线上线下混合式教学更透明，也更能有效地敦促教师重视学生的感受。教师通过与学生交流及时了解教学效果，及时调整教学方式。本课程评价采用过程性评价，分为教师对学生评价和学生对教学评价两个方面。对学生评价分为对个人评价和对小组评价，评价方式有课前测验、课堂测试、作业撰写、期中期末考试、随机提问、调查问卷。对教学评价为每章讲完后通过腾讯问卷了解学生对课堂教学的评价及建议，同时教师也会及时将评价结果反馈给学生个体，督促学生进行改进。九、教学总结与反思材料科学基础1课程团队是一支教学经验丰富、富有活力的教师组成，经过十年左右的教学实践，尤其是近两年的混合式教学实践，逐
25、渐形成了一种行之有效、易于操作的混合式教学路径，同时也对该课程的混合式教学进行了总结与反思。1教学总结教学有理念：坚持立德树人为导向，以学生为中心，以任务为驱动，促进学生综合素质的发展；教学有设计：线上线下相互配合，明确线上学什么，怎么学，线下如何传达，如何内化；线上有资源：依托中国大学MOOC平台，依托雨课堂交互平台；线下有活动：课堂测试、开放型作业撰写，角色互换；过程有评估：课堂表现、线上学习状态、虚拟仿真效果等方面进行过程考核；评估有手段：通过雨课堂、QQ问卷等手段对过程评估进行考核。2教学反思线上线下混合式教学是未来教学模式改革的大趋势，材料科学基础1在施行线上线下混合式教学改革过程中存在以下三个难题：一是，学生对于混合式教学比较陌生，且学习任务更加繁重，前期参与的积极性不高，对教师的评价不够正面，在很大程度上影响教师进行混合式教学改革的热情；二是，混合式教学中混合学习评价处于探索阶段，其评价效果过度依赖于在线学习平台的监测，能否真正反映学生的学习效果尚待进一步观察；三是，根据OBE的教学理念，教师在实施混合式教学活动之前，需要对混合式教学做出合理的设计，并与课程思政相结合，教师进行混合式教学耗费的时间将会急剧增加，在一定程度上阻碍了教师进行混合式教学改革的动力。
