工科類研究生課程教學(xué)體系的研究

齊曉芬+王玉琦+于殿宇

摘要：有效提高研究生在課堂上的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率，使學(xué)生們能更好適應(yīng)工作，成為高校教育長(zhǎng)期廣泛關(guān)注的話題，因此對(duì)高等院校工科研究生的課程教學(xué)體系進(jìn)行研究，對(duì)培養(yǎng)行業(yè)技術(shù)人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。建立理論課程、仿真模擬和課程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系，通過仿真實(shí)踐教學(xué)對(duì)課程的綜合實(shí)用技術(shù)的掌握，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的獨(dú)立思考和工程實(shí)踐能力，從而達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)的世紀(jì)人才的目的。

關(guān)鍵詞：工科研究生課程；仿真模擬；課程實(shí)踐；教學(xué)體系

中圖分類號(hào)：G643文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10017836（2017）04003403

近年來，工科類技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用極大地推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。大量的高新技術(shù)漸漸地成為工業(yè)加工的主體趨勢(shì)，因而現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)迫切需求大批在專業(yè)知識(shí)和工業(yè)技能方面都兼?zhèn)涞男滦图夹g(shù)人才。對(duì)工科類研究生的培養(yǎng)需要考慮研究生們對(duì)知識(shí)的掌握能力、創(chuàng)新能力以及實(shí)際動(dòng)手操作能力?，F(xiàn)有的工科研究生培養(yǎng)主要以課程理論為主導(dǎo)，培養(yǎng)工科技術(shù)人才，從現(xiàn)有的教學(xué)改革的研究概況來看，一般都是從教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革來增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性和思考問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研意識(shí)，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題和動(dòng)手操作的能力。本文對(duì)高等院校工科類課程的教學(xué)體系進(jìn)行研究，從課程理論研究到仿真模擬體系建立，增加學(xué)生的視覺感，從而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，推進(jìn)素質(zhì)教育的實(shí)施。通過分解理論課程內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上對(duì)其加以改進(jìn)，形成一種新的教學(xué)體系，即理論課程教學(xué)、仿真模擬單元和實(shí)踐課程相結(jié)合，主要從理論課程的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生的教學(xué)效果兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

一、課程設(shè)計(jì)的研究

工科類研究生課程是以不同技術(shù)的單元操作為主導(dǎo)，以各類單元操作的基礎(chǔ)原理、工藝流程為主要內(nèi)容，還包括涉及到的儀器、設(shè)備等的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行過程中的調(diào)控和操作要點(diǎn)。一般教學(xué)內(nèi)容除了涉及基本的理論分析外，還涉及部分抽象的數(shù)學(xué)模型及現(xiàn)實(shí)中所遇到的復(fù)雜、典型的工程類問題。使學(xué)生們?cè)趯?shí)際的教學(xué)過程中，除了得到相關(guān)理論知識(shí)的傳授外，還從中獲得將理論與實(shí)際相互連接的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的全面理解，而不是局限于書面的學(xué)習(xí)。基于工科類技術(shù)人才的培養(yǎng)要求，為了使學(xué)生們兼顧理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐，其課程體系需要跨越目前狹窄的教學(xué)模式，目前的教學(xué)模式主要表現(xiàn)為以下幾方面特點(diǎn)：（1）課堂內(nèi)的教學(xué)內(nèi)容繁多、知識(shí)點(diǎn)的更新速度快，學(xué)生的聽課效率低。隨著近幾年國(guó)內(nèi)外工業(yè)的迅速發(fā)展，相應(yīng)的工科類技術(shù)課程的更新速度也逐漸加快。（2）知識(shí)點(diǎn)較多，不集中。每個(gè)操作單元的課程內(nèi)容從技術(shù)原理、技術(shù)操作到技術(shù)應(yīng)用的整個(gè)過程，各個(gè)操作單元較為復(fù)雜。（3）偏重于理論，與實(shí)際生產(chǎn)操作脫軌。過程煩瑣，原理復(fù)雜，理論內(nèi)容多于實(shí)際，學(xué)生的知識(shí)面僅限于書本，而不善于解決當(dāng)代工廠所遇到的實(shí)際問題。（4）課程內(nèi)容乏味。學(xué)生對(duì)理論的理解比較局限，興趣點(diǎn)較低。因此，重視理論方式與實(shí)踐培養(yǎng)是工科類課程教學(xué)的重點(diǎn)，筆者主要通過以下理論、仿真和實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)體系，來豐富課程內(nèi)容。

（一）引用國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)理論

針對(duì)工業(yè)技術(shù)更新速度快的特點(diǎn)，時(shí)刻觀察國(guó)內(nèi)外的高新技術(shù)原理顯得尤為重要。首先，查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外最新文獻(xiàn)，分析該技術(shù)的最新研究動(dòng)態(tài)。其次，結(jié)合國(guó)內(nèi)工業(yè)的現(xiàn)狀，咨詢相關(guān)的技術(shù)人員，分析該技術(shù)理論的可行性。最后將該技術(shù)理論作為課程內(nèi)容為學(xué)生講解。針對(duì)以上內(nèi)容，著重于理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生掌握最新的工業(yè)技術(shù)，而不是拘泥于老舊過時(shí)的技術(shù)原理，與工業(yè)企業(yè)緊密地聯(lián)系在一起，培養(yǎng)更多的技術(shù)人才，有利于工業(yè)的加速發(fā)展。

（二）基于仿真技術(shù)的教學(xué)體系

1仿真教學(xué)概述

仿真模擬技術(shù)則是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)手段，是一類綜合性較高的仿真技術(shù)，主要涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等相關(guān)領(lǐng)域。由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境[1—2]，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的事物和環(huán)境，人一旦投入到該環(huán)境中，就會(huì)有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交流。工科類技術(shù)仿真就是利用計(jì)算機(jī)上的仿真軟件，以工業(yè)上的生產(chǎn)流程為基礎(chǔ)，來建立各個(gè)設(shè)備中每個(gè)單元操作的動(dòng)態(tài)模型，從而建立起與工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際操作相關(guān)的虛擬環(huán)境。 仿真教學(xué)體系則是將利用仿真技術(shù)建立起來的仿真系統(tǒng)貫穿到教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，使其成為主要課程之一。將仿真系統(tǒng)與分散的知識(shí)點(diǎn)、操作單元聯(lián)系在一起，使學(xué)生在仿真環(huán)境中提前“進(jìn)入工廠”，對(duì)實(shí)際的工廠運(yùn)作有所掌握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。這樣不僅增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和提升各方面的能力，還能將工廠“搬進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室，解決實(shí)際過程中的疑難問題，兩者都能從中得到好處，共同推動(dòng)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。目前，已經(jīng)有很多高等院校正在嘗試仿真的教學(xué)模式。

2仿真模擬教學(xué)的建立

將工科類技術(shù)的各個(gè)操作單元分解，并對(duì)每個(gè)操作單元的工藝流程進(jìn)行深入的分析，再利用仿真動(dòng)畫技術(shù)，包括二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫，還包括一些其他的輔助技術(shù)對(duì)各單元涉及的設(shè)備的結(jié)構(gòu)、液態(tài)或固態(tài)物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及他們之間的作用等進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真模擬，主要從以下幾個(gè)方面入手[3]；（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。針對(duì)工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用參數(shù)來獲得構(gòu)建仿真系統(tǒng)所需要的三維數(shù)據(jù)，從而建立起虛擬的動(dòng)態(tài)環(huán)境模型。（2）仿真管理技術(shù)。虛擬仿真中包括大量的感知信息和模型，因而需要協(xié)調(diào)景、物、事件、輸入信息等。（3）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù)。使整個(gè)仿真模擬系統(tǒng)具有時(shí)空一致性、相互操作性、可伸縮性的分布式綜合環(huán)境的表達(dá)。（4）應(yīng)用環(huán)境技術(shù)。在仿真過程中對(duì)場(chǎng)景構(gòu)建的物理和數(shù)學(xué)模型的量化程度以及模型的精度都決定了仿真模擬的真實(shí)性和可靠性。

3仿真模擬教學(xué)的實(shí)施

在講解單元操作原理，設(shè)備構(gòu)造和工藝流程等相關(guān)內(nèi)容的過程中，利用多媒體技術(shù)將該仿真系統(tǒng)引入理論課堂，使學(xué)生更加深入地掌握各操作單元的工作原理、操作要點(diǎn)及操作參數(shù)等相關(guān)信息。加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解記憶，理論與仿真實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，鼓勵(lì)學(xué)生在建立的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上親自動(dòng)手操作，在整個(gè)模擬過程中，提高了學(xué)生在實(shí)際操作中對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的分析與決策能力，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)過程的感性認(rèn)識(shí)及原理的掌握[4]。

（三）開展實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)的主要目的在于檢驗(yàn)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中對(duì)知識(shí)的掌握程度，從而提高并發(fā)展學(xué)生的主觀能動(dòng)性以及他們的創(chuàng)造價(jià)值[5]。為此，我們需要給學(xué)生提供良好的實(shí)踐條件，使他們從中獲取知識(shí)，與同伴交流，親身感受并嘗試豐富真實(shí)的情景和氛圍，還可以讓學(xué)生們?cè)诜e極自由的空間中發(fā)揮想象?；诙嗝襟w計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上的仿真模擬技術(shù)開啟了實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展新篇章。

教師可以利用工科類技術(shù)仿真系統(tǒng)自行設(shè)置故障，模擬故障現(xiàn)象，讓他們自己動(dòng)手，討論如何利用已學(xué)過的內(nèi)容合理排除故障，提高學(xué)生的判斷問題和解決突發(fā)事故的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。除此之外，還可以根據(jù)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況為學(xué)生開設(shè)一些綜合性實(shí)驗(yàn)。

目前，一些高等院校會(huì)采用“請(qǐng)進(jìn)來”“走出去”等實(shí)踐教學(xué)方式，“請(qǐng)進(jìn)來”是邀請(qǐng)本專業(yè)的專家或工程師對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段的工程技術(shù)等進(jìn)行講解，“走出去”即走出校園，深入工廠、企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，將理論與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來，以此來鞏固學(xué)生的理論知識(shí)并提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力等綜合素質(zhì)能力，激發(fā)出學(xué)生的積極性和主動(dòng)性[6]。

二、教學(xué)效果的研究

傳統(tǒng)的教學(xué)大多是教師與學(xué)生面對(duì)面地教授，在黑板上或利用多媒體對(duì)書本上的內(nèi)容進(jìn)行講解。雖然這種教學(xué)模式能夠完成書本上所有內(nèi)容的傳授，但是該模式過于抽象，限制了學(xué)生的發(fā)揮想象力的空間，教學(xué)很難達(dá)到理想的效果。因此，仿真模擬的教學(xué)方法跟常規(guī)模式比起來，不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改善教學(xué)效果，還能提高教師的教學(xué)能力。

（一）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

高校里面?zhèn)鹘y(tǒng)的教學(xué)方式主要以單調(diào)的理論講解為主，學(xué)生們被動(dòng)記憶知識(shí)點(diǎn)，這樣會(huì)使研究生們對(duì)枯燥的課程產(chǎn)生疲憊感，而且大部分學(xué)生在校期間會(huì)對(duì)社會(huì)實(shí)踐工作和實(shí)際生產(chǎn)感興趣，而我們傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能滿足學(xué)生們的好奇心。實(shí)踐教學(xué)的開展讓學(xué)生真真切切地走進(jìn)工廠，熟知每個(gè)工藝的流程，再結(jié)合啟發(fā)式的教學(xué)模式，讓同學(xué)們積極地參與到課堂中來。例如在講解超臨界萃取這一章節(jié)的時(shí)候，按照常規(guī)的教學(xué)方式，教師們會(huì)逐一講解原理及萃取裝置，但是長(zhǎng)時(shí)間且乏味的講解過程使學(xué)生的注意力下降，導(dǎo)致不良的教學(xué)效果。而仿真教學(xué)體系中的仿真模擬技術(shù)使學(xué)生們真實(shí)地成為生產(chǎn)線的工作人員，模擬工廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，學(xué)生帶著好奇和任務(wù)，主動(dòng)積極參與并討論分析在模擬過程中遇到的困難和問題，以此提高了學(xué)生主動(dòng)思考的能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。除此之外，學(xué)生帶著在仿真模擬時(shí)遇到的問題走進(jìn)工廠，與相關(guān)的技術(shù)人員探討，了解真正生產(chǎn)過程中可能遇到的問題，并提出解決方案，有效避免了傳統(tǒng)教學(xué)中所遇到的問題。

（二）改善課堂教學(xué)效果

隨著教學(xué)設(shè)施的改善，多媒體出現(xiàn)在了高校的課堂上，通過二維的動(dòng)畫效果，也可以有效改善教學(xué)效果，但是學(xué)生在聽課的過程中主要還是以記筆記為主，花費(fèi)了很長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握不扎實(shí)，學(xué)生的熱情普遍較低。而且在這種學(xué)習(xí)氛圍中，理論與實(shí)踐并不能很好地聯(lián)系在一起，學(xué)生也就不能對(duì)所學(xué)的知識(shí)形成系統(tǒng)的知識(shí)體系。為了消除常規(guī)教學(xué)體系帶來的這種弊端，通過技術(shù)仿真系統(tǒng)形成的教學(xué)體系，可有利于理解各個(gè)單元的原理并將流程、操作要點(diǎn)，還有控制參數(shù)等深刻記在學(xué)生的頭腦中。可以使學(xué)生深入地掌握理論知識(shí)，提高學(xué)生的分析和操作能力，而且教師和學(xué)生都能輕松地完成課程內(nèi)容，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

（三）提高教師教學(xué)能力

技術(shù)仿真不僅能夠帶動(dòng)學(xué)生的積極性和提升他們的綜合能力，同時(shí)也會(huì)提升教師的教學(xué)能力。常規(guī)教學(xué)模式下，對(duì)教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的要求不是很嚴(yán)格，他們不需要具備相關(guān)的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，只需要按照教材與課件進(jìn)行講解也能完成基礎(chǔ)的教學(xué)任務(wù)。但是仿真模擬教學(xué)體系的建立與實(shí)施，對(duì)教師的要求也必須有所提高，需要教師們具有一定的從業(yè)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)，從而高效地完成教學(xué)任務(wù)，對(duì)同學(xué)們的指導(dǎo)切實(shí)可行。

（四）促進(jìn)學(xué)校設(shè)備的有效使用

目前的高校里實(shí)驗(yàn)課的開展情況并不理想，一般傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課都是采用分組做實(shí)驗(yàn)的模式，由幾個(gè)人共同完成實(shí)驗(yàn)。由于近年來大學(xué)生的人數(shù)在不斷增加，能利用的實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量和空間在相對(duì)減少，所以實(shí)驗(yàn)課的授課效果和學(xué)習(xí)氛圍均受到實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等硬件條件的限制，不足以讓每一個(gè)學(xué)生都能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。因此，利用仿真系統(tǒng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以讓學(xué)生們充分地了解設(shè)備的運(yùn)行程序。

（五）改善學(xué)生的實(shí)踐能力

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生只限于對(duì)技術(shù)理論和設(shè)備的研究，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)了解得很少，即使走入社會(huì)，也需要一段時(shí)間來了解實(shí)際過程中設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。但是在新的教學(xué)體系下，有效地解決這一問題，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，也提高了他們對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到問題時(shí)的反應(yīng)能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

工科類技術(shù)理論與仿真模擬和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)體系的形成和實(shí)施，讓學(xué)生了解到最新的工業(yè)技術(shù)，更好地將工藝流程、設(shè)備裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理理論與實(shí)際連接起來，帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的想象力，為今后的工業(yè)發(fā)展培養(yǎng)并提供了具有實(shí)踐能力的工科類技術(shù)人才。

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Abstract：Effectively improving postgraduates interest in the classroom and class efficiency to make them better adapt to the work has been a longterm topic of widespread concern for higher education. So research on the teaching system of engineering postgraduates in colleges and universities is of important practical significance for the training of technical personnel in the industry. We should establish a teaching system combining theoretical courses， simulation and curriculum practice. Mastery of comprehensive practical techniques by means of simulation practice teaching can improve students learning consciousness， and make them take the initiative to improve their independent thinking and engineering practice abilities， so as to achieve the purpose of training highquality talents in the new century.

Key words：engineering postgraduate curriculum； simulation； course practice； teaching system

（責(zé)任編輯：侯秀梅）