材料成形及控制工程专业实验教学方法探索与构建

董桂伟, 赵国群, 宋立彬, 郑 超, 栾贻国

(山东大学 材料科学与工程学院，济南 250061)

0 引 言

高等工程教育与产业发展联系紧密，对服务和支撑我国经济转型升级意义重大。目前，我国已经拥有世界上最大规模的工程教育。但从产业的需求看，在相当一部分专业就业比较困难的同时，大数据、云计算、网络空间安全、机器人、人工智能等领域的毕业生供需比高达1∶10。这表明我国当前的工程教育与产业发展出现脱节，工程人才培养面临着严峻挑战，亟需改革和发展。为应对这种挑战，2017年2月18日，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，与会高校对新时期工程人才培养进行了热烈讨论，共同探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择，达成了《“新工科”建设复旦共识》。《复旦共识》的发布引发了全社会和高等学校的广泛讨论和积极响应，教育部在此基础上进一步组织相关高校进行研讨商议，形成并通过了面向“培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑”的《“新工科”建设行动路线》和“聚焦国家新需求、谋划工程教育新发展”的《新工科研究与实践项目指南》，提出了“新工科”建设指导意见。

上述“新工科”建设的指导性文件强调，新工科是以新经济、新产业为背景的工程学科建设和改革，一方面要设置和发展一批新兴工科专业，另一方面要推动现有工科专业的改革创新。这说明“新工科”建设不仅要设立一批新兴工程学科，更重要的是要围绕产业和技术的最新发展以及行业对人才培养的最新要求，树立创新型、综合化、全周期工程教育“新理念”，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业“新结构”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”，建立完善中国特色工程教育的“新体系”。而对于目前的高等工程教育质量，业界的共同反映是毕业生工程实践能力较弱，岗位适应慢，缺乏创新精神和创新能力，缺乏团队合作和敬业精神。要改变当前的工程教育质量现状，适应“新工科”建设的内涵要求，一个重要的途径就是在培养学生掌握牢固专业理论知识的基础上，面向产业发展、行业需求以及学生兴趣，加强、改革和创新现有实验教学方法体系，丰富和提升实验教学内容和质量，构建以学生为中心的实验教学新体系，充分锻炼和提升学生的动手操作能力和实践创新能力。

但需要指出的是，由于“新工科”建设还处于探索阶段，目前国内各高校的实验教学模式还不能完全适应这一新的要求，在实验教学观念、实验课程设计、实验教学考核等方面还存在一定的不足。因此，必须大力改革现有的实验教学模式，创新实验教学方式方法，对学生进行系统性、综合性、协作性和创新性的实验教育，大大强化其工程素质和工程实践能力。本文围绕“新工科”建设背景下，对我校材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)近年来在实验教学新方法探索和构建等方面的情况进行总结和回顾，阐述并进行了面向“新工科”建设的实验教学方法体系的初步思考和实践。

1 材料成形及控制工程专业实验教学原有方法体系分析

我校材料成形及控制工程专业是由1956年成立的铸造、压力加工和1958年成立的焊接等3个专业在1998合并而成立的，包括铸造技术及工程、塑性成形及模具技术、焊接技术及工程3个专业方向，是国家级特色专业、卓越工程师教育培养计划试点专业、专业综合改革试点专业。2014年通过中国工程教育专业认证。本专业旨在培养能够在材料成形及控制工程领域中从事研究、设计、开发、检验及组织管理等工作的复合型高级工程技术人才。由于本专业下设3个方向，相关方向的实验教学相对独立，故本文以塑性成形及模具技术方向作为基础展开论述。

1.1 原有实验教学体系和方法

材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)原有实验教学课程体系包括材料科学基础实验、材料成形基础实验、材料成形技术实验、材料成形过程综合实验等4个大的类别。每个实验类别分别开设了不同的实验内容，在原有实验教学体系的教学方法方面，材料科学基础实验、材料成形基础实验和材料成形技术实验的教学方法以教师演示和学生验证为主，材料成形过程综合实验以教师指导、学生分组设计、协同操作为主。本专业方向原有的实验教学课程、内容和教学方法等体系结构如图1所示。

图1 材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)原有实验教学体系和方法

从图1可见，材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)的原有实验教学体系属于比较单一的模块化体系，材料科学基础、材料成形基础与材料成形技术等3类实验项目占整个实验教学课程体系的比例很大，而材料成形过程类的综合实验项目较少。在实验内容的设计上，材料科学基础、材料成形基础与材料成形技术等3类实验项目的内容设计均比较简单，大都围绕课堂教学的某一个知识点展开，同时受内容和安排的限制，这3类实验项目的教学方法大多数只能选择教师演示和学生重复验证的路径。而对于材料成形过程类的综合实验，原有体系中开发和设计的实验项目较少，学生选择的余地较小，虽然采取了学生分组设计、协同操作和教师指导的教学方法，但由于本身设计项目较少，学生各组之间的重复性也较大。

1.2 原有实验教学方法体系存在的问题

在如图1所示的实验教学体系实施过程中，作者及教学团队发现，该教学方法体系存在一定的缺点和不足，对实验教学效果和学生实践与创新能力的锻炼均存在不利的影响，主要表现在：

(1) 实验教学项目设计不合理。①验证性、演示性实验所占的比例偏多，这类实验教学项目的设计对学生复习和掌握课堂知识具有一定的作用，但目前该类项目设计偏多，特别是所有项目都对学生开放，导致原有的实验教学内容仅停留在“作为课堂教学的补充、验证”的角色，学生自主创造设计的机会少，同时，在该类实验教学项目的授课过程中，最直接的表现就是“教师教的多，学生做的少”，产生的后果就是学生大量模仿教师所做实验，不利于整个实验教学质量的提升，也影响了学生的自主创造能力。②综合性、设计性实验偏少，该类实验项目对于学生深刻认识和灵活运用课堂所学专业知识具有良好的促进作用，但目前该类实验项目设计较少，涉及的材料成形过程也较单一，不能完全覆盖学生课堂所学的成形工艺，使得学生在实验过程中的工艺选择窗口较窄，学生表现“重复性工作多”。

(2) 实验安排及学时设置不合理。原有的实验教学体系由于验证性、演示性实验偏多，而这类实验内容往往是对课堂教学某一章节而设计，但在实际实验教学安排中，受整体教学进度的限制，实验教学课程大都安排在学期末或者课程结束以后，导致学生在学习操作这些实验内容的时候效果不佳，表现为与课堂教学的内容衔接不上，学生印象不深刻；同时，受课堂教学学时安排的影响，这些验证性和演示性的实验大都仅有1节课的学时安排，学时太少，学生很难每个人都有实际动手操作的机会，表现为“1人做，多人看”。

(3) 实验教学考核体系不合理。实验考核是检查学生掌握实验技能的手段，对学生综合能力的评定是否客观合理，将影响到学生做实验的积极性和实验教学质量。目前原有的实验教学体系内容由于不能单独设课，其实验考核的成绩在课程考核成绩中所占比例很小。同时，原有实验教学项目的考核方式还停留在学生完成实验报告，无法反映在期末考试试卷上，导致个别学生实验前不预习、实验时不动脑筋、实验报告马虎潦草应付了事，这都影响学生实验技能和实践创新能力的提高。

2 “新工科”建设背景下实验教学方法体系的思考和设计

针对材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)原有实验教学体系和教学方法中存在的问题，作者及教学团队一直致力于专业方向实验教学方法体系的改革和创新。特别是面向最新提出的“新工科”建设内涵，作者就如何改革现有实验教学体系和构建“新工科”建设背景下的实验教学新方法进行了初步思考和设计。

(1) 明确和提升实验教学的目标定位。“新工科”建设的人才培养目标是“培养造就一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的各类交叉复合型卓越工程科技人才”，这就意味着传统的课堂教学辅助地位的实验教学模式不能满足这一要求，必须进一步明确提升实验教学在整个工程学科人才培养体系的目标和定位，要把切实提高培养学生的创新思维、创新能力、实践操作、开放探索、团队意识与协助等各方面素质作为“新工科”建设背景下的实验教学目标定位。

(2) 改革和创新实验教学内容。根据“新工科”建设人才培养目标，要在以提高学生工程实践能力、实际分析和解决问题能力及创新能力的原则下重新规划和设置实验教学内容，实现实验教学与理论教学的合理搭配和相得益彰。同时，还要面向学科和产业发展，不断更新和适时调整实验教学内容，淘汰内容陈旧和技术落后的实验内容，重新设计和组合实验项目。

(3) 改革和调整实验教学方法和手段。要实现“新工科”建设所要求的交叉复合型卓越工程科技人才目标，必须改革原有的实验教学方法，要实现教师和学生的角色定位互换，要充分发挥学生的主体地位，调整教师的引导地位，调动学生的实验积极性，增强学生对实验思路、方案设计、实际操作及结果分析和总结的训练。同时，还要改革实验教学考核模式，优化实验教学考核方法，强化实验操作能力、创新能力以及团队协作能力等方面的考核。

基于上述思考，作者结合材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)的特点，提出了新时期“新工科”建设背景下的实验教学方法体系设计思路(见图2)，即积极探索创新型、综合化的实验教学结构，构建以验证性实验为基础、综合与设计性实验为主体、创新与探索性实验为重点的实验教学体系；落实以学生为中心的“新工科”工程教育理念，研究开设系列综合性、问题导向性、前沿探讨性实验项目，扩大学生选择空间，增强学生选题兴趣，更新、建设丰富、新颖并满足行业发展需要的实验课程内容；探讨实验单独设课方式，改革现有实验教学考核模式，突出师生互动与小组协作，强调过程考核与实验结果的逆向分析，建立以学习者为中心的实验教学多元考核机制。

图2 “新工科”建设背景下的实验教学方法体系设计思路

3 “新工科”建设背景下实验教学方法体系的构建

根据上述设计思路，作者及教学团队构建了面向“新工科”建设的材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)实验教学方法体系(见图3)。实验教学体系结构上采用验证性实验、综合与设计性实验、创新与探索性实验3个层次，其中，验证性实验包含材料科学基础实验、材料成形基础实验和材料成形技术实验3部分，综合与设计性实验包括金属成形、塑料成形以及特种成形3个部分，创新与探索性实验面向新技术开设。

图3 塑性成形及模具技术方向实验教学新方法体系

在实验教学内容方面，验证性实验的内容项目进一步系统化，同时给予学生一定的自由度，可自主选择感兴趣的课堂教学内容进行实验验证，在实际教学环节进行内容精简，目前主要设计了材料科学基础相关的金相、组织分析、硬度测试等内容，材料成形基础相关的应力应变曲线、不均匀变形、模具拆装、杯突试验等内容，以及材料成形技术相关的金属板料成形、金属体积成形、塑料挤出成形、塑料注射成形以及快速成形等内容，学生各选其一进行实验即可；综合与设计性实验的内容项目大幅增加，在原有板料成形过程综合实验和塑料注塑过程综合实验的基础上，先后开发了金属体积成形综合实验、塑料改性与性能测试综合实验，激光成形过程综合实验以及型材挤出成形过程综合实验等内容，使之成为整个实验教学体系的主体；创新与探索性实验的内容面向产业发展的热点和前沿，设计开发了增材制造创新实验、塑料轻量化成形创新实验以及新型合金板材成形性能创新实验。

在实验教学方法方面，改革原有以教师讲解演示为中心的教学模式，突出学生的主体地位，变为以学生动手和操作为中心的互动模式，验证性实验由学生根据指导书自己设计验证试验方案，教师引导完成；综合与设计性实验学生根据总体要求自行分组，设计实验方案，分工进行实验并分析实验结果，教师对实验过程进行协调和指导；创新与探索性实验完全由学生进行设计，自主实验，教师参与方案的讨论和结果分析。在实验教学的考核模式上，变结果考核为过程考核，教师对学生实验的过程进行评价，实验结果做为参考，同时，对于分组进行的综合实验，采取学生组内互评的方式，由学生自己为自己评定成绩，突出学生的自主权。另外，在实验教学手段上，本专业近年来建设了基于网络的材料成形仿真实验室，用以配合学生自主设计方案可行性的评价，避免实验资源的浪费。

面向“新工科”建设所构建的材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)实验教学新方法体系在2017年秋季学期已经进行了初步的实施，实验教学效果良好，学生的积极性和参与度有了显著提升，学生的主体地位和主动性得到了充分发挥，综合能力和创新能力均得到了锻炼和提高。

4 结 语

材料成形及控制工程专业(塑性成形及模具技术方向)实验教学新方法体系在“新工科”建设内涵的指导下，更加注重学生工程实践能力和创新能力等的培养，在初步实施过程中已经取得了良好的效果。但工程学科实验教学的改革与“新工科”建设一样，是一个全局和复杂的系统工程，需要不断的实践和改善，是一个长期的过程。怎样从本质上提高实验教学质量，培养出具有国际视野、适应经济社会需求、能够科学处理解决实际工程问题、并具有较强创新意识的新时期应用型工程人才，需要改革的方法和途径还有很多，仍需要不断摸索和总结。