基于OBE理念的《热处理设备》课程教学改革与实践

彭新元,叶志国

(南昌航空大学 材料科学与工程学院,江西 南昌 330063)

随着2016年我国高等工程教育专业认证加入《华盛顿协议》,成果导向教育(Outcome-based Education,OBE)理念在我国高等工程教育中逐渐被熟知和实践。OBE理念实现了从以“教”为中心到以“学”为中心的转变[1-2],其实施过程强调教学活动以学生为中心、以成果为导向,注重学生创新以及工程实践能力的培养[3]。

《热处理设备》是金属材料工程专业一门重要的专业课程,具有宽学科、跨专业、知识面广、理论性深和应用性强等特点。该课程的教学内容较多,主要涉及传热学原理及各类热处理设备的基本构造、工作原理和应用等,旨在教会学生如何调动热、电、机等各方面的知识去选用、改造或设计能实现材料、工艺要求的热处理设备,同时树立学生良好的职业素养、安全规范操作和环保节能意识。所以《热处理设备》在材料工程科技工作者的知识结构形成过程中具有其他课程不能代替的特殊地位,对培养学生动手能力、设计能力和分析解决问题的能力等有着重要的作用。

为此,本文在分析现有教学问题的基础上,基于OBE理念对南昌航空大学《热处理设备》课程从课程目标、教学内容、教学方式和考核体系等方面进行探索与改革,以建立符合工程教育专业认证理念的课程教学模式,激发学生的学习兴趣,增强学生的社会责任感和工程实践能力,从而满足现代热加工行业对高素质专业人才的需求。

1 课程存在的主要问题

近年来随着热处理设备自动化、智能化水平的不断提高[4],以及国家“中国制造2025”的发展战略目标[5],对毕业生的综合能力也提出了更高的要求。然而,目前《热处理设备》的课程内容和教学方式等已难以满足新时代发展的需要,主要存在以下不足之处。

1)随着科技发展,在工业化生产中热处理新工艺、新技术、新设备不断涌现,但教学内容仍主要以常规的电阻炉为主,没有及时更新;

2)授课方式多以教师在课堂上讲授为主,很多时候显得枯燥无味,学生印象也不深刻,积极性不高,对学生工程实践能力和创新意识的培养不够;

3)考核方式通常只包含平时成绩和期末考试成绩,而且期末考试成绩占比很大,对学习过程的评价不足,致使有些学生考前几天突击一下来应付考试,不能真实反映学生是否掌握了基本知识。

上述问题的存在影响了该课程教学质量的提高和对高素质专业人才的全面培养。

2 基于OBE理念的课程教学改革

2.1 明确教学目标

在工程教育专业认证背景下,课程目标的达成是实现毕业要求及培养目标的基础,教学内容、教学方法及考核形式等均应围绕实现课程教学目标来进行设计。针对行业发展需求以及我校复合型创新型高级专门人才的人才培养定位,基于OBE理念重新构建了本课程的教学目标,包括课程目标1:掌握常用热处理炉的基本类型、筑炉材料与炉体结构、传热原理及电阻炉设计方法和步骤,热处理炉炉温的测定、显示和调节原理,具有合理选择、正确使用以及改造和设计热处理电阻炉的能力。课程目标2:了解本专业领域相关的技术标准和产业政策,能理解热处理设备选择、设计及运行过程中对环境、健康和安全等方面的影响。

通过本课程的学习,使学生掌握有关热处理设备的基础知识,重点培养学生根据材料、工艺要求合理选用、改造或设计热处理设备的能力,为后续课程的学习和今后从事热处理及热加工行业奠定必要的基础,同时也支撑本专业毕业要求中相应观测点的达成,课程目标对毕业要求的支撑关系见表1。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系

2.2 优化教学内容

本课程主要包括基础理论和各类热处理设备的原理、结构及应用两部分。其中基础理论部分主要讲述传热学原理,是热处理设备设计和热处理过程计算机模拟的基础[6],对热处理、热加工等专业都是不可缺少的,故其所占课时不应过少。同时考虑到有限的学时,其中传热学公式的推导在不影响学生理解的情况下可适当减少,而在热处理设备设计中的应用可分配较多课时。

随着科技发展,在工业化生产中热处理设备得到了迅速发展,新加热技术、新设备不断涌现。因此,除了介绍课程的基本内容外,应适当增加热处理行业广泛应用的各类新设备、新技术,如多用炉、真空气淬炉、真空渗碳炉和真空脉冲氮炉等内容的介绍,以科研促教学,从而加强学生对现代加热技术的了解,拓展教学内容的广度与深度。既做到教学内容的与时俱进,又可吸引学生的注意力,充分体现了以“学生为中心”的OBE理念,便于与学生毕业后从事生产、科研工作接轨。

2.3 丰富教学手段

1)建立“以学生为中心”的教学模式,在课堂教学中根据章节内容的异同灵活运用“讲授式”“启发式”“互动式”以及“任务式”等教学方法,避免“满堂灌”式的讲解。例如,让学生根据给定的条件自行选择电热元件材料,并设计和计算其尺寸,把学生分成几个小组,先给他们一些时间讨论,然后每组选派一名代表发言。老师和其他同学根据学生选用的材料和参数进行提问和补充。除此之外,还给学生布置一些开放性的问题。例如,让学生自由设计一个小型的热处理炉,学生会给出多种答案,在多种设计中会有各自的独特之处。由于学时有限,不能每堂课每个同学都有机会进行上台发言,因此也给他们布置了一些撰写专题报告的任务。通过教学方式的改进,能发挥学生学习的主动性和想象力,同时也增加团队意识,锻炼查阅文献、口头和文字表达能力,起到全面培养学生能力的作用。

2)讲述热处理设备构造时需要学生有一定的空间想象能力和看图能力,因此将一些设备内部结构及其复杂的操作流程通过多媒体的形式(如实物图、动画和视频等)展现给学生,将抽象、陌生的知识直观化、形象化。还可将各种耐火材料、保温材料、电热元件和热电偶等搬进了教室,针对具体实物进行讲解,更有利于学生对所学知识的掌握。在讲述箱式炉和井式炉炉体结构、电热元件以及热电偶的安装时,把学生带进实验室进行“现场式”教学。这种看得见,摸得着的教学方式深受同学们的欢迎。

3)热处理设备是一门实践性很强的课程,可以邀请经验丰富的企业专家结合具体案例讲解实际热处理制定、实施过程等,这不仅加强了教学理论与生产实际应用的联系,还促进了学生对热处理行业发展现状的了解,同时弥补了教师自身工程实践经验的不足,加快专业人才培养与行业快速发展的对接。

4)由于学时有限,单纯利用课堂时间不能充分和学生进行交流,可以建立微信群以便和学生进行交流及答疑,回答学生在学习中遇到的问题以及发布学习资料和布置学习任务。同时学生有一些新想法可以和老师交流沟通,让教师及时了解学生对课程的掌握程度。

2.4 改进考核制度

课程考核要体现以学生为中心、以成果为导向、注重过程管理的理念,强调学生最终学到了什么。传统的课程考核形式通常以期末考试和平时成绩为主,缺乏对学习过程的评价,导致学生学习自律性差,往往考试前一周突击复习。这种被动学习的方式与考核方式不利于学生对课程知识点的掌握,从而无法满足课程培养目标和毕业要求。改革后的课程采用多元化考核方式进行课程成绩评定,包括平时作业(课堂汇报、课堂练习、课后作业等)、专题讨论和期末考试,注重考核学生的学习过程。成绩评定为:平时作业占30%,专题讨论占20%,期末考试占50%。这种多样化的考核方式有助于督促学生利用图书馆资源查阅资料并完成课程作业,从而调动学生学习的主动性。

3 课程改革的成效

图1为改革前后学生成绩的分布情况。由图1可知,改革前(2018级)90以上分数段人数占比为4.4%,80～90分数段占比约20%,70～80分数段占比约为26%,60分以下的占比为21.5%;而改革后的第1年(2019级)学生成绩有了显著提高,90以上分数段人数占比提高到约17.5%,改革后的第2年(2020级)90以上分数段人数占比继续提高到约20%,高分数段人数占比显著增多,其中80～90分数段占比最高约为33%,低分数段人数占比明显下降,分别降至11.7%和9.8%。总之,通过基于OBE理念的课程改革,学习成效有了显著提升,高分数段人数明显上升,低分数段人数明显下降,学生平均成绩和达成度也明显提高。通过成果数据分析和教学反思,进行持续改进,进一步优化教学过程,形成良性教学循环。此外,后续以该课程为基础的《专业课程设计》完成度也有了极大地改进。据毕业生反馈,本课程被学生公认为是印象最深、专业知识收获最多的课程之一。

图1 改革前后学生成绩分布情况

4 结语

本课题基于OBE理念开展了《热处理设备》的教学改革与探讨,突出“以学生为中心”,构建了适合专业人才培养的教学目标,不断优化教学内容,丰富考核评价方式,综合运用“讲授式”“启发式”“互动式”“任务式”以及“现场式”等教学手段,拓展教学内容的广度与深度,提高教学质量与效果,以促使课程教学目标和毕业要求的达成,有助于培养出厚基础、强实践、能创新、有潜质的复合型创新型高级专门人才。