基于工程教育的“專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”探索與實(shí)踐

劉瑞玲，王會(huì)霞，王 軍，顧文華

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050000）

工科教育的主體是工程教育[1]。工程教育是學(xué)校和用人機(jī)構(gòu)在社會(huì)環(huán)境中進(jìn)行的創(chuàng)造性專業(yè)教育，它的目的是使受教育者學(xué)會(huì)在一定環(huán)境條件下，為滿足社會(huì)需要而從事科學(xué)和技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，是創(chuàng)造“人工制品”的活動(dòng)和結(jié)果[2]?，F(xiàn)代工程教育更加強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才，因而也更加重視工程實(shí)踐教學(xué)的改革創(chuàng)新[3]?！皩I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是針對(duì)工科專業(yè)設(shè)置的，教學(xué)過程中強(qiáng)化工程教育的背景，把知識(shí)、能力、素質(zhì)三者有機(jī)融合，能夠體現(xiàn)工程教育的實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性。

1 “專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)思路

近20年來，以麻省理工學(xué)院為代表的一些大學(xué)提出“回歸工程實(shí)踐”的改革理念，開始重視工程教育的實(shí)踐性和創(chuàng)新性，改革的重點(diǎn)從注重科學(xué)和工程基礎(chǔ)教育轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐[4]。實(shí)踐性是工程教育的一個(gè)明顯特征，實(shí)踐教學(xué)在工程教育中具有重要作用，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力的重要方面，所以，工程教育的實(shí)踐性需要在培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃中逐次分解、具體體現(xiàn)，最終落實(shí)在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置上[5]?！皩I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是在教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，安排在專業(yè)課程學(xué)完之后，為期2周。整個(gè)環(huán)節(jié)是以某一典型產(chǎn)品為對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室完成其生產(chǎn)過程，其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

我們從三個(gè)方面來分析“專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)過程。首先是實(shí)驗(yàn)過程，出發(fā)點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)過程展現(xiàn)生產(chǎn)過程，所以是以產(chǎn)品生產(chǎn)為主線進(jìn)行的，體現(xiàn)了工程背景。其次是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，它是以產(chǎn)品生產(chǎn)為手段，涉及了多門專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的理論知識(shí)，以及實(shí)驗(yàn)知識(shí)和操作技能，體現(xiàn)了工程教育的綜合性。第三是教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)理念，本環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，教學(xué)過程中貫穿“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。

圖1 “專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容和結(jié)構(gòu)圖

2 以工程實(shí)際為背景，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)各階段

工程是創(chuàng)造“人工制品”的活動(dòng)，即人造物的過程[2]，所以以制造產(chǎn)品的過程為實(shí)驗(yàn)主線，是工程背景的最好體現(xiàn)。按照產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，將實(shí)驗(yàn)分為準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段、檢驗(yàn)階段和分析階段。準(zhǔn)備階段需要學(xué)生根據(jù)已學(xué)的專業(yè)課程知識(shí)，針對(duì)給定產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝的編制、原材料的準(zhǔn)備、儀器和設(shè)備的準(zhǔn)備等；實(shí)施階段是制造產(chǎn)品的主體階段，以制造出產(chǎn)品為目標(biāo)，將準(zhǔn)備工作逐一進(jìn)行落實(shí)，即在此階段要制造出產(chǎn)品；檢驗(yàn)階段是對(duì)制造出的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，給出性能檢驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量作出判斷；分析階段要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課的理論知識(shí)，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對(duì)合格的制品給出肯定的結(jié)論，對(duì)存在的問題提出建議和改進(jìn)措施。

3 知識(shí)、技能和設(shè)計(jì)能力并舉，體現(xiàn)工程教育的綜合性

綜合性是工程教育的又一特征。工程里任何一個(gè)東西都綜合了很多要素在里面，必須在一個(gè)主體學(xué)科的前提下，有著綜合的思維、綜合的能力[6]。學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)和綜合是工程教育的目標(biāo)之一，當(dāng)然綜合性應(yīng)體現(xiàn)在工程教育這個(gè)大系統(tǒng)的各個(gè)層面，就本教學(xué)環(huán)節(jié)中，其綜合性主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合、涉及知識(shí)的綜合以及實(shí)驗(yàn)操作的綜合上。

由于本實(shí)驗(yàn)是以生產(chǎn)為背景，所以實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不是只涉及某課程的某個(gè)環(huán)節(jié)，或某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，也不是簡(jiǎn)單的演示和驗(yàn)證，而是涉及了多門專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且將這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行良好的融合與銜接。既然實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及了多門課程，涉及的知識(shí)也同樣是多門課程，實(shí)驗(yàn)過程需要學(xué)生利用多門課程的知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備并進(jìn)行實(shí)際操作。產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)施過程和檢驗(yàn)階段，對(duì)學(xué)生來講雖然主要是動(dòng)手，但是涉及到前序多門課程的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和操作技能。對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能進(jìn)行綜合分析階段，更需要將多門課程的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，這是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的重要措施，是本環(huán)節(jié)的主要目的?？梢姡瑢?shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)過程以促使學(xué)生將知識(shí)進(jìn)行綜合歸納為目的，充分體現(xiàn)了本環(huán)節(jié)的綜合性特征。

4 學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，注重培養(yǎng)工程素質(zhì)

工程活動(dòng)本身就是一種創(chuàng)新活動(dòng)，所以工程教育要強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的提高[7]；工程教育的素質(zhì)理念內(nèi)涵是更應(yīng)注重能力的訓(xùn)練和品德的養(yǎng)成[6，8]。所以工程教育要注重創(chuàng)新精神的培養(yǎng)和能力的訓(xùn)練。

本環(huán)節(jié)的教學(xué)方法不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，指導(dǎo)教師將任務(wù)布置以后，所有工作由學(xué)生自行完成。具體任務(wù)為：5～7人一組完成一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程。指導(dǎo)教師僅起指導(dǎo)和監(jiān)督作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的確定、實(shí)驗(yàn)操作等可以進(jìn)行建議和引導(dǎo)，但不過多干涉。在實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)階段中，準(zhǔn)備階段最能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，因?yàn)槌o定任務(wù)和實(shí)驗(yàn)條件外，沒有其他任何限制。學(xué)生可以自行選擇具體工藝、材料、設(shè)備等，每個(gè)小組的方案可能完全不同，這是在本教學(xué)環(huán)節(jié)中刻意設(shè)計(jì)的，目的是給學(xué)生的創(chuàng)造力發(fā)揮留下足夠的空間。

另外，此階段還包含了工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，以鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。除準(zhǔn)備階段，其他3個(gè)階段在教學(xué)過程均注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，如實(shí)施階段和檢驗(yàn)階段主要是加強(qiáng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手和操作能力，分析階段則是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，是理論指導(dǎo)實(shí)踐的升華。

總之，以“學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力，提高工程素質(zhì)。

5 “專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)例

下面以材料成型及控制工程專業(yè)的鑄造模塊為例，介紹本環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程。

5.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

鑄造模塊選定的產(chǎn)品是啞鈴，6個(gè)學(xué)生為一組，每組給定一個(gè)牌號(hào)（鑄鋼或鑄鐵）并下發(fā)一個(gè)啞鈴實(shí)物。

5.2 準(zhǔn)備階段

首先，每組對(duì)啞鈴進(jìn)行測(cè)繪，然后對(duì)啞鈴進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，繪制鑄造工藝簡(jiǎn)圖，指導(dǎo)教師審定后，外協(xié)加工模樣。在此期間，學(xué)生進(jìn)行配料計(jì)算，制定熔煉工藝、孕育工藝、澆注工藝及熱處理工藝；同時(shí)準(zhǔn)備爐料、造型材料等各種原材料，準(zhǔn)備工裝，并對(duì)中頻爐和澆包進(jìn)行檢查、修筑。

5.3 實(shí)施階段

每組學(xué)生分工合作，按照上個(gè)階段設(shè)計(jì)的工藝，進(jìn)行配料、熔煉、配砂、造型、孕育、澆注、清理、熱處理（鑄鋼件）等工序的具體實(shí)施，完成啞鈴的鑄造過程。

5.4 檢驗(yàn)階段

啞鈴鑄件清理后，首先對(duì)外觀尺寸和質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，然后將啞鈴縱向剖開，檢查內(nèi)部質(zhì)量，再?gòu)膯♀徤先∪舾稍嚇樱M(jìn)行金相觀察、測(cè)試力學(xué)性能。

5.5 分析階段

根據(jù)啞鈴鑄件外觀質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量、金相組織，力學(xué)性能等檢驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行綜合分析，并給出改進(jìn)方案。

四個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)鑄造生產(chǎn)過程有了清晰的認(rèn)識(shí)，鍛煉了設(shè)計(jì)、操作、檢測(cè)等各種工程能力，還將理論知識(shí)有的放矢的應(yīng)用于實(shí)踐，關(guān)鍵之處還在于，本次綜合實(shí)驗(yàn)的過程完全是開放的，除了完成啞鈴的鑄造過程，沒有任何的限制和要求。真正體現(xiàn)了“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)過程。

6 結(jié)束語

在教學(xué)計(jì)劃中，設(shè)置“專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了工程教育的實(shí)踐性特征。依據(jù)大綱的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)施的具體教學(xué)過程和教學(xué)方法，符合工程教育綜合性和創(chuàng)新性等要求，可以在工科院校中進(jìn)行推廣。

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