《材料科学基础》课程思政优秀教学设计
“典型铁碳合金的平衡结晶过程思政教学设计”
质监学院姓名：董小平
课程名称：材料科学基础
课程性质：学科基础课
授课对象：二年级机械设计制造及其自动化专业学生
教学方式：“线下”为主，“线上”为辅
一、教学目标
1.价值目标
①以三国时期曹植“宝刀赋”描述锻打铸刀工艺过程的古典文化的引入，促进学生坚定文化自信，增强中华民族优秀智慧的自豪感；
②培养学生树立“量变到质变、见微知著-通过现象看本质、事物间相互关联制约”等经典哲学思想；
③以科研成果融入与疫情期间钢铁工程运用为例，强化学生的社会责任感，提升学生的专业兴趣与站位，具备专业传承、使命担当以及家国情怀。
2.知识目标
①熟悉并理解工业纯铁和钢的平衡结晶过程，掌握随着温度降低的结晶步冷曲线以及工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢的室温下的显微组织；
②学会平衡组织中的相组成和组织组成百分含量的计算；
③了解工业纯铁和钢的科研成果与工业应用。
3.能力目标
①具备对工业纯铁和钢的平衡结晶过程中相变现象的解释能力以及相应的步冷曲线绘制能力；
②具备工业纯铁、亚共析钢、共析钢和过共析钢的平衡结晶的显微组织的识别和辨析能力；
③具备显微组织、相结构与性能之间关联的分析能力；解决结晶过程中工程问题的基本能力以及具备相应的思政能力，以获得有效结论。
二、教学内容分析
1.学情分析
①课程性质与开设基础。“材料科学基础”是一门专业性很强的学科基础课，又是学科核心课，授课对象为机械设计制造及其自动化专业所有学生，开课学期为第3学期。学生前两个学期刚刚完成高等数学、普通物理和大学化学等自然科学课程，机械专业导论、理论力学等专业基础课程，思想道德修养与法律基础、工程教育等思政课程的学习。在上述课程基础上，“材料科学基础”的开设与学习为学生发现并解决实际工程问题的能力培养进一步提供工程基础类知识。
②本节前的知识回顾：学生学习本节内容之前，已学习了金属学基础（晶体结构、金属的结晶、塑性变形与再结晶、合金结构与相图），铁碳合金（基本组织、Fe-Fe3C状态图分析）等章节内容，本节内容为上述章节紧接后续内容。
③学生学习的环境特点：学生可使用网络、材料科学基础相关的公众号（如材料科学与工程）、社交软件中的视频号（如微信）、以及学校图书馆查阅电子文献资料、中国大学MOOC(慕课)—国家精品课程在线学习等平台进行本节内容的拓展学习以及自我补充。
2.教学重点
①工业纯铁和钢的平衡结晶过程中的相变；
②工业纯铁和钢的平衡结晶组织、相组成及百分数含量的计算。
3.教学难点
识别与辨析工业纯铁以及共析钢、亚共析钢、过共析钢的平衡结晶组织。
4.对重点、难点的处理
①讲解—播放-讨论。随着温度降低，工业纯铁和钢结晶时经过不同的相区，播放PPT或动画同时讲解，指出不同的相区组织特点；再以板书形式画出不同的相区组织示意图并引导学生观察不同组织的独特性并加以讨论；
②以关键词、组织独特性引导学生快速领会重点难点内容，学生可根据关键词进行思维导图和辨析组织；
③创设情境，融入思政，提升专业兴趣，再次理解重点难点内容。
三、课堂组织与实施
教学过程
1）回顾上节课学习内容（时间：5分钟）
①回顾铁碳合金基本组织与性能（见图1）。
图1回顾
②简略绘制Fe-Fe3C状态图（见图2），回顾重要点、线和相区。
图2 绘制状态图
③回顾钢与铁以及不同成分钢的区别。
2）知识点设置与引导（时间：38分钟）
对内容进行分解与设置，以学习次序凝练出5个知识点。
①工业纯铁和钢的结晶过程解析；②百分含量计算方法；③结晶平衡组织展示；④不同碳含量的铁碳合金组织性能对比；⑤引入“成分-结构-合成与加工-性能”关系。
3）总结（时间：2分钟）
以关键词引导学生思维导图，以独特性辨析组织，总结思政特点。
2.教学方法
1）“以结晶内容为主，思政内容为辅”的PPT播放讲解；以五角星数量标注重难点内容；
2）以板书绘制示意图以及计算过程并分析；
3）以动画播放结晶过程，观看组织变化；
4）以科研成果与工程运用为案例，以小组讨论促进学生知识互补。
3.教学活动设计
1）曹植著—“宝刀赋”的导入
基于内容，导入三国时期文学家曹植所著的“宝刀赋”中描述锻打铸刀的中国古典文化（见图3）“...乃炽火炎炉，铄铁挺英。乌获奋椎，欧冶是营。扇景风以激气，飞光鉴于天庭。…”，使学生初步感知我国钢铁制品形成的历史。
图3 “宝刀赋”的导入
2）回顾铁碳合金基本组织及Fe-Fe3C状态图
回顾铁碳合金中基本组织及性能；根据碳含量不同，简析钢和铁的区别，以及亚共析钢、共析钢和过共析钢的区别。
3）工业纯铁与钢的平衡结晶过程解析★
从液态开始随着温度的降低，一步步详细解析工业纯铁和钢的步冷曲线以及结晶过程（见图4），分别得到工业纯铁、亚共析钢、共析钢和过共析钢的不同温度区间的组织组成，尤其在室温下的组织组成和相组成，并进行总结。
图4 亚共析钢的结晶过程的讲授与学习
4）百分含量的计算★★★
利用杠杆定律，以0.02%、0.50%（见图5）、0.80%、1.0%和1.2%碳含量的钢为例的室温组织和相组成百分含量的计算过程和结果。
图5计算引导与学习
5）工业纯铁和钢的平衡结晶组织★★
根据图6和7，分别向学生展示光学显微镜和扫描电子显微镜下观察到的工业纯铁和钢的显微组织形貌，并进行不同组织和相的详细解说和对比，示范性画出共析钢显微组织的示意图（见图8）；同时，学生以小组进行讨论（见图9）。
图6平衡结晶组织的讲授与学习
图7动画的演示过程与学习
图8显微组织的示意图绘制
图9小组讨论
6）对比不同碳含量铁碳合金的组织性能
对比工业纯铁，学习并分析0.50%碳含量的亚共析钢、0.8%碳含量的共析钢（T8钢）、1.0%和1.2%碳含量的过共析钢的室温组织和性能；同时对比亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织和性能。
7）延伸学习“成分-结构-合成与加工-性能”关系
以武汉疫情火神山、雷神山医院的钢铁结构和钢铁制品向学生诠释成分-室温组织-性能-工业应用环境互相关联的缘由。钢铁材料的应用受到成分、结构、合成与加工、性能等因素的影响，作为从事与材料相关的专业技术人员，根据工业环境要求，研究上述几个要素之间的关系，让钢铁更有用。
8）练习计算组织百分含量
设计计算题，先和学生一起分析0.55%碳含量的组织组成（见图10），让学生自己动手计算，巩固并掌握灵活运用组织百分含量的计算方法。
图10 练习
9）小结
以关键词“组织、相、杠杆定律”、组织独特性以及思政特点进行总结。
4.课程思政理念及分析
1）通过“宝刀赋”的导入以及知识回顾，从中国古典文化角度向学生诠释锻打铸刀的工艺过程以及关键环节；使学生通过灿烂的历史体会到中华民族的智慧，建立坚定的文化信念，激发他们的学习兴趣。（对应3-1）、2））
2）通过结晶解析和组织/相百分含量的计算，学生逐步理解铁碳合金从液态到室温组织，经历液相→固相1、2、3…（不同温度）→室温组织，这不是一蹴而成的，而是随着温度降低一步步相变形成的，另外，随着相变进行，不同温度下的组织/相百分含量发生变化，使学生理解到结晶相变过程中蕴藏着从量变到质变的经典哲学思想。（对应3-3）、4））
3）通过室温组织分析使学生建立“见微知著，通过现象看本质”的哲学思想。呈现讲授科研人员事迹，学生了解科研素养和人格魅力，润物细无声的接受“正确的职业道德操守与价值观”的教育（见图11）。（对应3-5））
4）通过组织及性能对比及关联要素的学习，学生体会到学习内容蕴含了“联系的观点”，树立“事物间相互关联制约的”经典哲学思想（见图12）。呈现优秀校友、科研人员、大国工匠的科技成果以及工程运用，学习人物事迹以及钢铁拓展的多用途，提升学生的科技自豪感、专业担当、专业传承和社会责任感。（对应3）-6)、7））
图11思政融入讲授与学习
图12 经典哲学思想的融入讲授与学习
5）通过练习计算，巩固并学会迁移灵活应用；向学生诠释钢铁没有善恶之分，但使用的人有，在今后运用过程中要有兼顾审查、监督、提出专业性建议的工程素养。以武汉火神山、雷神山医院抗疫情中钢结构的运用案例，再次使学生体会到责无旁贷的社会担当，进一步提升他们的社会责任感、使命担当和家国情怀。（对应3-8））
四、教学效果分析
1.教学目标的达成度：本节内容理解与掌握
以问卷星设置6个问题调查以及调查结果（见图13）跟踪学生对本节内容的理解与掌握情况。调查对象为2019、2020级机械设计制造及其自动化专业67名学生。结果显示：通过该节课专业-思政内容的学习，绝大多学生已达成教学目标，极少数学生在目标中某一细节内容未达成。
图13 问卷星调查、二维码及结果
有助于形成良好的工程素养、社会责任感和担当
根据调查结果（见图13），100%学生表明思政学习对个人有影响，有助于绝大多数学生逐步形成人文素养、工程素养、工匠精神、诚信务实以及正确的人生观与价值观。
通过科研成果与工程运用，绝大多数学生逐渐具备社会责任感和专业兴趣与担当，提升专业站位，具备责任担当。
3.借鉴作用
可作为本课程其它章节、其它专业课的教学设计提供了思路和借鉴。思政元素有机融入，学生课堂更加生动，理论知识更加立体化和多维化，极大提升了学生的学习兴趣和专业认可度。
4.激发教师教学水平提升
激发教师不仅要储备夯实的专业知识和工程背景，还要储备中华古典文化与哲学思想，具备良好的专业伦理素养和人文历史素养，密切关注与内容相关的国家政策与国内外大事，提炼出课堂讲授并引导的思政内容。
5.学生的延伸学习
学生阅读相关的科技论文，获得最新的研究动态；观看公众号（见图14）视频与文章，直观了解铁碳合金的微观特性与性能运用，拓宽他们的知识领域，提升专业思想；同时对感兴趣的内容深入挖掘与学习。
图14 公众号截图
6.评价机制
以练习和讨论进行平时考核（x = 3分，占平时成绩分数的10%），设置以五名学生组建“专家组”进行评价，教师监督并评价“专家组”。评价设置5个等级：
评价内容：①计算步骤，②结果，③讨论，④小组凝聚力，⑤思想体会。
优秀（≥2.7分）：①详细，②正确，③极其充分，④强，⑤至少5条；
良好（2.4分≤x<2.7分）：①较详细，②正确，③充分，④较强，⑤至少3条；
中等（2.1分≤x<2.4分）：①有步骤，②正确，③有，④有，⑤至少2条；
及格（1.8分≤x<2.1分）：①有简略步骤，②正确，③少量，④有一部分，⑤至少1条；
不及格（x≤1.8分）：①有简略步骤，②错误，③无，④无，⑤无。
结课考试以选择题或判断题或分析题呈现。
7．持续改进
基于以上还需巩固与改进，优选数名学生预设教师助教微信群，反馈教学效果，及时调整、规划教学内容；评价指标还需个性化与多样化；“专家组”实行进退制；实践内容更多融入等，打造成以学生为中心的课程思政融入的一堂精品课。
