材料类专业“三位一体”生产实习教学模式探索及实践*

宁彩珍，张 磊，荣 辉

(天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384)

《中国制造 2025》行动纲领要求未来的大学毕业生必须具有更高、更强的实践能力[1]。生产实习作为实践教学体系的重要组成部分，历史悠久。大多数高校材料类专业学生的生产实习长期依靠生产企业进行，然而由于操作环境、安全、企业效益等影响因素，学生动手操作机会很少，实践能力得不到应有的提升。因此，在新工科建设和产学合作协同育人人才培养模式等教育改革下，探索新的教学模式已是必然。

1 “三位一体”生产实习教学模式的探索

目前，材料类专业的生产实习实施形式有校外生产实训、虚拟仿真实验实训和校内生产实训三种形式。

1.1 校外生产实训

校外生产实训通常在生产企业进行，可以利用企业的生产条件和技术人员，降低实习成本，提高实训水平；可以利用实际生产的复杂性和多变性，提高学生利用专业理论和知识解决复杂工程问题的能力；可以使学生了解先进的生产工艺、技术、装备和管理。实际上，由于生产现场高温设备多、高粉尘、环境恶劣、安全等问题，学生亲临生产现场的机会很有限；由于生产工况不可随意调节、故障真实状态无法还原，以及设备无法拆卸、内部结构难以呈现、参数无法调节以及学生的能力和素质较低等实际问题，学生动手操作机会很少；由于生产工艺复杂、生产装备和系统体积庞大，学生全面认知生产过程有一定难度；另外，随着国家经济体制的改革，出于经济成本、工作效益和安全等方面的考虑，企业接受学生实习的意愿越来越低，为激发企业积极性，教育部推出“产学合作协同育人”人才培养模式，三年共达成4万多项合作项目，然而几乎都是互联网、人工智能、机器人和虚拟现实等新工科专业的“产”与传统工科专业的“学”的合作，材料类专业等传统工科专业的生产企业并没有参与其中。

1.2 校内生产实训

校内生产实训平台通常选用安装生产性设备，营造真实的生产性环境，充分考虑学生亲自动手操作的条件，能提供生产性服务，工学结合，以产养学。[2]校内生产实训可以使学生进行反复生产操作训练，切身体会生产现场；然而，较小的生产规模限制了工艺、装备、技术的先进性，影响学生对行业先进技术的认知；反复调节和操作造成大量设备损耗、不合格产品和原料燃料消耗，实习成本较高；受工艺复杂、生产危险性高、空间有限等问题，校内生产实训平台的建设难度较大，导致数量很少、实训范围窄。

1.3 虚拟仿真实验实训

虚拟仿真技术(VR技术)通过在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，有助于启发构思。[3-5]虚拟仿真实验实训通过“沉浸”使学生体会生产实际情况和无法亲临的生产现场；通过“交互”使学生模拟实际生产操作并反复模拟训练，降低实训成本；通过三维虚拟生产线使学生较全面认知生产整个过程；实训范围可以较宽[6]。然而，虚拟仿真难以模拟实际生产的复杂性和不确定性，需要巨大量的生产数据作支撑，无法取代生产现场的体会和感知。近三年，虚拟仿真实验蓬勃发展，仅2017年和2018年就建成国家虚拟仿真实验项目400多项，还有大量的省部级项目，然而，大多实验项目的交互都处于低级简单水平。

1.4 “三位一体”生产实习教学模式的提出

经前述分析，校外生产实训“实践条件优，实践人才丰富”，但“操作难”；校内生产实训“操作真实，训练全面”，但“规模小、成本高、范围窄”；虚拟仿真实验“易实现、低成本”，但与实际生产终有差距，因此，需要校外生产实训与校内生产实训相结合(简称“内外结合”)，校内外生产实训与虚拟仿真实验实训相结合(简称“虚实结合”)，且“能实不虚”，才能达到良好的教学效果。

针对材料类专业，提出“虚拟仿真实验实训-校内生产实训-校外生产实训三位一体的生产实习教学模式”(以下简称““三位一体”生产实习教学模式”)。要做到“三位”各自任务明确，内容既有不同也有重叠，不断提升递进，训练全面。虚拟仿真实验实训内容要尽量全面，大于且包含校内生产实训的内容，校外生产实训是在校内实训基础上的提升、深化和拓展。学生先通过虚拟仿真实验对实习内容进行全面认知和反复训练，考核合格后才能进行校内生产实训，以降低操作的错误概率和反复操作次数，降低成本和设备损耗；校内生产实训考核合格后，才能进行校外生产实训，助于校外生产实训的质量和顺利完成，助于为企业创造经济效益，利用校企长期稳定协作，实现“双赢”。

该模式能充分实现三种形式的优势互补、协调合作，具有“易实现，低成本，操作真实，训练全面，生产条件优，实践人才丰富”的优势。

2 “三位一体”生产实习教学模式的软硬件建设及实践

2.1 “三位一体”生产实习教学模式的软硬件建设

为保证“三位一体”生产实习教学模式的良好实施，天津城建大学无机非金属材料工程专业(简称“本校本专业”)，进行了软硬件的全面建设。

2.1.1 校内生产实训平台

本校本专业在校内建设建筑材料生产实训平台(见图1)，包括轻骨料(陶粒)/水泥熟料生产线和陶瓷面砖生产线。

图1 建筑材料生产实训平台Fig.1 Building materials production training platform

2.1.2 校外实习基地

本校本专业建成以天津天筑建材有限公司(生产保温、隔音、质轻的砂加气混凝土，是绿色节能新型建筑材料的生产先行者)、天津金隅振兴环保科技有限公司(以固体废弃物为原料燃料生产水泥，是绿色环保、循环经济的执行者)、天津工业化建筑有限公司(生产装配式建筑的PC(precast concrete)构件，是行业领航者)、中建商品混凝土搅拌站、天津贝利泰陶瓷有限公司等五家企业组成的校外实习基地群。企业形式多样、产品丰富，以节能、绿色、环保为特色，代表行业先进理念和技术水平，利于学生了解不同所有制、不同性质企业的生产经营管理模式和理念，掌握不同产品的生产工艺、装备和操控，了解行业发展水平和趋势，拓展专业认知范围。

2.1.3 虚拟仿真实验实训平台

本校本专业建设“浮法玻璃生产工艺及装备虚拟仿真实验教学项目”(2018年天津市建设项目)。在此系统学生可完成玻璃成分设计、原料选择、配合料计算、玻璃性能计算、总工艺计算及操作，熔窑和锡槽及附属设备的设计及操作。另外，可利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台的教学资源。

2.1.4 生产实习指导教师队伍建设

本校本专业采用“内培养外聘用”的方式，充实、调整、提升指导教师队伍。充分挖掘校内具有生产实践背景和经验的教师作为指导教师；派遣教师到国内外著名高校、企业进修和培训；积极聘用行业、企业技术人员为指导教师。

2.1.5 生产实训教材编写

本校本专业为更好更针对性地指导生产实训，已于化学工业出版社签约《无机非金属材料生产项目化实训教程》编写合同。

2.1.6 生产实习运行管理的制度化建设

本校本专业制定了《实训平台运行与管理办法》、《生产实习指导教师职责与工作规范》、《学生实训过程管理制度》、《学生生产实习指导手册》等一系列规章制度，实现对实训平台和学生的制度化、规范化、全面化管理。

2.2 “三位一体”生产实习教学模式的实践

本校本专业生产实习的目的是使学生掌握建筑工程材料的制备、检验和生产管理，提高学生利用专业知识和理论分析解决复杂工程问题的能力。基于“三位一体”生产实习教学模式，制订了详细的实施方案，见图2。

图2 “三位一体”生产实习教学模式实施方案Fig.2 Implementation plan of the“Trinity”production practice teaching model

经过两轮试用，学生的工程实践能力、动手能力、分析解决复杂工程问题的能力、创新能力、文字撰写能力和语言表达能力等都有较大程度提升；对专业知识和理论的理解更加深入，能更好地运用专业知识去思考、分析、表达和解决问题。

3 结 语

在新工科建设和产学合作协同育人人才培养模式下，提出材料类专业“三位一体”生产实习教学模式，该模式具有“易实现，低成本，操作真实，训练全面，生产条件优，实践人才丰富”的优势，是一个可以推而广之的模式。