材料成型及控制工程专业设计型综合实验教学改革探索

摘 要： 本文着重阐述了材料成型及控制工程专业实验教学体系的改革与实践，分析了成型专业传统实验教学存在重理论、轻实践且教学内容与模式滞后的问题，提出了实验教学应与理论教学相结合，全面推进设计型综合实验的新思路。实践证明：独立开设设计型综合实验课，引进虚拟仿真先进技术改革教学模式，完善实验考核制度可全面培养学生的综合素质和创新能力，为高校材料类实验教学改革提供借鉴。

关键词： 材料成型及控制工程 实验教学 存在问题 对策

1.引言

实验教学是整个高等学校（简称高校）教学过程中的重要环节，与学科结构、课程体系和教学改革密切相关。它不仅是对理论教学的验证、补充和拓展，更是培养学生独立解决实际工程问题能力、提高学生自主创新能力、实践动手能力和综合素质的重要途径[1]-[2]。由于材料成型及控制工程专业（简称成型专业）属于实践性比较强的学科，在做好专业理论教学的基础上，加强对实验教学培养模式、理念和管理机制的改革与创新，最大限度地发挥实验教学的作用，对于提高学生的实验能力和创新能力具有重要意义。

2.成型专业实验教学不足

2.1实验教学严重依附理论教学

受传统观念影响，高校一直以理论教学为主，实践教学为辅。理论教学体现了学术性，实践教学是理论教学的一个环节、一个补充[3]。在成型专业实验教学过程中，实验教学环节也得不到足够重视。主要表现为学时较少；实验内容严重依附于理论教学；各个实验之间彼此独立，缺少联系和配合；各门实验课程规模小且分散，实验课安排伸缩性、随意性强；教学内容相互脱节，经常出现内容遗漏和重复设置的现象。在教师和学生的潜意识中，实验教学只是理论教学的辅助手段，造成对课堂纪律、出勤率、课堂教学质量、课后实验报告等环节的重视程度明显不足。学校常以理论教学为主要的考评依据评价教学质量，或者进行教学检查时实验教学仅占很小的部分。另外，部分实验教师本身没有正确认识实验教学与理论教学的区别，忽视了理论知识重在实践应用，未能形成以培养学生创新能力和工程实践能力为主线的实验教学体系，长此以往根本不能适应材料类专业的定位目标[3]。可以说，实验教学处于理论教学的从属地位，在培养学生的创新精神和实践能力中发挥的作用远远不够，严重影响教学质量。

2.2实验教学缺乏科学的管理与指导

实验教学过程中，由于学生人数多，相对散乱，给管理带来了很多不便。第一，让一些逃课的同学有机可乘。请同学“代到”、“帮忙签名”，甚至在老师点名后便不见踪影等现象屡见不鲜；第二，学生实验操作能力存在差异，难免有损坏设备、浪费材料的现象，给教师的指导工作带来不便；第三，有的实验具有一定的危险性，尽管教师反复强调注意安全，仍然有学生在好奇心、粗心的驱使下做出违反实验规章的事情，带来极大的安全隐患；第四，为了保证学生的绝对安全和实验室设备的完好，如合金熔炼及浇注，教师只能亲自示范，学生只需记录操作步骤和实验结果，任务单一且缺乏实践性。总之，上述原因都大大增加了实验教学的工作量，对实验室的管理和维护等提出了极高的要求。

2.3实验教学内容与教学模式滞后

受实验条件的限制，有的高校存在实验课程开设少、实验内容陈旧、验证性实验所占比例偏高等问题。对于培养学生综合性、应用性和创新性能力的实验偏少，体现现代科学技术和专业特色的实验就更少，根本做不到与时俱进式地教学。在实验教学方法上，仍采用“填鸭式、依葫芦画瓢”的方式，网络科技、虚拟仿真等先进实验技术尚未在教学中推广应用。对于学生而言，过于依赖实验指导书，每次实验按部就班操作，急于完成实验，根本不设计、分析和思考其中的原因及原理。学生作为实验主体，在实验教学中不能充分发挥主观能动性，依然处于机械式照搬实验书和被动学习的状态，在一定程度上对学生的开放创新思维起到抑制作用，不利于他们独立思考、创新能力和分析解决问题能力的培养。

2.4实验设备和实验经费不足

成型专业实验涉及购买实验原材料、制备试样、试样组织与性能观测分析等，需要大型实验设备，且实验周期长、原材料价格贵、分析测试费用高。近年来，高校不断扩招，一方面实验仪器数量不够，另一方面也许投入更多的经费。为了保证实验教学质量，势必需要增加实验岗教师，购买更多的仪器设备、增添实验场地等，这就需要学校加大对实验教学的经费投入。倘若经费不足，不但影响实验教学作用的正常发挥，更在一定程度上使实验岗教师工作积极性乃至学生学习热情下降。

2.5考核机制不完善

科学地评定学生的实验成绩对引导学生重视实践教学，正确处理知识、能力和素质的关系具有导向作用[4]。目前实验教学中，教师要么根据学生实验报告给出成绩，要么将实验成绩依附于理论考试成绩给出课程总成绩，不能充分反映学生的实验设计、实践能力、数据处理及分析问题等综合实验能力。这样的考核机制无形中削弱了学生实验的积极性，降低了学生对实验课程的重视程度，甚至出现了抄袭、篡改、编造实验结果和实验报告的现象，这两种考核机制均不完善[5]-[6]。

3.成型专业实验教学改革

3.1设计型综合实验教学

我校成型专业实验教学在课程体系总体规划上，广泛收集工科专业工程实践的教学资料，单独设立了能够突出不同专业方向能力的设计型综合实验，涵盖了铸锻焊三个方向的多个工艺方案。实验内容分为：选材（成分设计）、材料成形工艺设计、材料性能测试与分析、材料微观组织检测与分析、计算机辅助模拟设计和工艺方案优化设计6个实验模块。教学过程侧重材料成型原理及材料成型控制技术、成型过程组织变化规律及相关的现代测试技术方法的训练，以进一步学生对材料加工工艺、性能和组织间相互关系的深入理解。学生从选题、查阅文献，到设计实验方案、工艺流程，到选择实验设备、仪器，直至完成实验记录、实验报告和参加答辩，整个实验过程全部由自己独立完成。这种教学方式模拟了实际工业生产和科学研究的基本过程，向企业工艺设计工程师工作看齐，目的是让学生在掌握相关专业知识的基础上，以培养学生综合能力为目标，对学生专业知识交叉渗透、相互融合的能力进行培养和训练，提高了学生查阅资料能力、实验动手能力、综合分析能力[7]-[8]，使其掌握正确的实验设计方法和科学研究方法，强化实验技术和技能，突出对学生创新意识和创新能力及工程素质的综合培养。通过上述实践训练给学生创造了运用理论教学知识解决实际问题的环境，让学生学以致用，实现从理论向实践能力的转化，培养学生独立分析、解决问题的能力。

3.2开放性实验教学

我校成型专业实验教学在开设设计型综合实验的同时还引进了开放式实验教学。该系统的核心是教师与学生角色的转变，教师主要发挥启发和引导作用，学生由“填鸭式”的被动学习变为“海绵式”的主动学习。在保证正常教学的前提下，实验室实行全天开放，学生可根据自身实际情况选择时间进行不同的实验。在实验教师的指导下，学生以小组或个人为单位独立完成实验，通过查阅文献资料、制订实验方案及工艺路线，充分发挥主观能动性和创造性，自主选择实验设备仪器、工艺方法、实验流程。开放式实验教学系统，不仅有利于学生独立工作、分析解决实际问题能力的提高，更能促进学生个性化的发展和创新思维的发挥，在整个实验教学环节中真正确立了学生的主体地位。这极大地推动了教学改革向更深层次发展，为培养学生的创新意识和创新能力营造了理想的教学环境[9]-[10]。

3.3完善实验教学考核制度

实验考核考核实行目标控制，依据实验教学目标进行考核，设计型综合实验成绩评定与理论课一样严格。考核内容包括：上课出勤率（10%）、动手实践能力（20%）、相互协作能力（10%）、实验记录（150%）、实验报告（15%）、综合答辩（30%）。其中，出勤率通过点名、签到形式完成；动手能力需在实验操作现场考核，着重考查学生制订实验方案的合理性，实验操作的规范程度；相互协作能力主要是通过将个人成绩与小组总成绩捆绑实现，目的是鼓励学生发扬团结协作的团队精神；实验记录和实验报告是学生完成整套实验流程的记录和总结；综合答辩环节中，一方面根据学生利用计算机辅助工艺设计时，计算机评定的工艺方案结果，另一方面根据学生实验项目的完成情况提出问题，学生根据自己所掌握的知识进行回答。教师参照学生以上表现，给出设计型综合实验的最终成绩。

3.4虚拟仿真实验教学

我校成型专业实验教学积极探索理论教学与实验教学相结合的新方式，优化教学内容，删去落后的实验，减少验证性实验。将先进的网络、多媒体技术引入实验教学系统，开展直观教学，改革实验教学的模式。目前，我校成型专业实验教学正在积极构建实验虚拟仿真系统、多媒体实验操作系统。实验虚拟仿真系统主要是针对精密大型设备的内部构造原理，实验过程复杂、实验成本较高的实验内容而设计的一个实验教学子系统。实验操作系统是一套能够播放实验录像视频资料的实验教学子系统，如老师根据实验教学的需求播放能够对有关工艺方案——显微组织进行动态演示和分析的实验录像资料。这种虚拟仿真教学模式信息量大、内容丰富、直观易懂，使得学生积极投入教学活动，实现以学生为主体的启发式教育，对于培养学生创新思维、思考和解决问题的能力起到十分积极的作用。

4.余论

竞争在教育，取胜在人才。当今社会，材料专业正向复合型、先进型、功能型方向发展，单一的材料专业基础人才将不能满足社会需求，为了适应社会发展，我们应在高等教育中继续推行发展创新综合实验的人才培养模式，充分发挥高校实验教学不可替代的主体作用，将实验教学做到实处，积极培养学生创新思维，分析、思考和解决实际问题的能力，努力提高学生的科学素养、促进学生个性化发展、开发学生思维潜能，为社会培养与时俱进、可持续发展的高素质应用型人才作贡献。

参考文献：

[1]刘玉兰，彭永利，孙勇，季家友.材料类实验教学改革初探[J].中国科教创新导刊，2011（28）：53-53.

[2]周雅，王春霞，罗军明，闵嗣林，邵志松.材料科学综合实验课新探[J].南昌航空工业学院学报：社会科学版，2005，7（1）：87-90.

[3]葛利玲，赵康，白力静，时惠英，徐雷.“材料科学基础”实验课教学改革与实践[J].高校实验室工作研究，2009（4）：10-12.

[4]冯佃臣，李涛，王玉峰，张慧敏.金属热处理工艺课程实践教学改革[J].中国现代教育装备，2016，237：85-86.

[5]曾幸荣，欧阳斌，程小苏，严玉蓉，何新华，曾美琴.基于培养创新人才的材料类专业本科教学改革的探索与实践[J].中国科教创新导刊，2010（5）：23-24.

[6]曾美琴，陈灵，邹敢锋，梁耀能.《机械工程材料综合实验课》的教学改革及实践[J].北京大学学报（哲学社会科学版），2007，5：101103.

[7]江民红，张潇燕，陈国华.以实验实践为支点促进材料类专业大学生主动学习与提升科研能力[J].教育教学论坛，2012（2）：167-168.

[8]李冬云，王疆瑛，葛洪良.我校材料类专业开放实验室存在的问题及对策研究[J].科教文汇，2011（18）：57-57.

[9]刘天模，冯大碧，郑忠.材料类课程配套实验课改革的探讨[J].重庆大学学报：社会科学版，2001（5）：169-171.

[10]杨通，范新会，王正品.材料类专业实验课程体系的改革[J].实验室研究与探索，2004，23（10）：71-73.