基于工程教育認證的冶金實驗教育改革探討

余 岳，張 翔，朱航宇，李建立

(武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081)

中國于2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為第18個正式成員國?！度A盛頓協(xié)議》是國際上最具權(quán)威性和影響力的工程教育互認協(xié)議之一，其宗旨是通過多邊認可工程教育資格，促進工程學(xué)位互認和工程技術(shù)人員的國際流動。

在工程教育認證的條件下，培養(yǎng)人才方式需從“以知識傳授為主、以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)理念向“以學(xué)生為中心、以能力輸出為導(dǎo)向”的新型教育模式進行轉(zhuǎn)變[1]，以工程教育認證推動實驗教學(xué)改革。這對實驗教學(xué)提出了更高的要求，不僅要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、獨立思考能力，而且要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程工問題的能力。

1 存在的問題

1.1 學(xué)生對實驗設(shè)備不熟悉

學(xué)生進入實驗環(huán)節(jié)前，存在從來沒接觸過本實驗設(shè)備的問題。雖然在進入實驗環(huán)節(jié)前，學(xué)生通過學(xué)習(xí)《冶金實驗方法》和預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書等途徑了解了實驗過程，但是由于鋼鐵冶金實驗很多屬于高溫、毒性實驗，存在一定的安全隱患，使得教師對于學(xué)生直接動手操作有所顧忌，不能讓沒經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生直接操作，導(dǎo)致學(xué)生主觀印象不深與實踐能力差，不利于學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

1.2 實驗?zāi)康牟幻鞔_

目前，我校冶金工程專業(yè)實驗教學(xué)的主要任務(wù)是通過實驗讓學(xué)生了解冶金方法，并且將知識應(yīng)用至實際中去[2]。然而，絕大多數(shù)實驗以驗證性實驗為主，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書列出的實驗的目的、原理、儀器設(shè)備及實驗步驟按部就班，有些學(xué)生在實驗過程中沒有思考，完全處于被動接受的狀態(tài)，少數(shù)學(xué)生完成實驗后尚不清楚為何做此實驗。導(dǎo)致學(xué)生是為了完成實驗學(xué)時和實驗課程來進行實驗，實驗內(nèi)容科學(xué)研究和工程問題成分少，沒有明確帶著問題來進行實驗研究，導(dǎo)致對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)不足。

1.3 實驗積極性不高

在傳統(tǒng)的大學(xué)實驗中，一般以老師講授為主。學(xué)生缺乏好奇心，學(xué)習(xí)不具備針對性[3-4]。學(xué)生覺得內(nèi)容老套，沒有可操作的空間，對所學(xué)課程在實驗中的應(yīng)用沒有清晰的認知，實踐能力的培養(yǎng)和提高成效不明顯。

由于實驗條件的限制，學(xué)生上實驗課時往往幾個人使用一臺實驗設(shè)備。而很大一部分冶金實驗屬于高溫實驗，實驗過程耗時較長。受實驗課時限制，在學(xué)生開始實驗課時，老師已經(jīng)完成了部分實驗環(huán)節(jié)，并且現(xiàn)在實驗設(shè)備自動化程度較高，學(xué)生動手操作的時間短。這樣失去了實驗教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)造能力、分析問題和解決實際問題能的作用，很難達到實驗教學(xué)的目的。

2 解決問題方式

工程教育認證要求學(xué)校培養(yǎng)有解決復(fù)雜工程問題能力的工程師。因此，需要優(yōu)化和完善冶金專業(yè)實驗教學(xué)大綱，通過專業(yè)課程的學(xué)習(xí)掌握一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和實驗研究，培養(yǎng)學(xué)生在冶金領(lǐng)域的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能[5]。

2.1 建立實驗室準入制度

隨著本專業(yè)逐漸開始實行實驗室開放制度，對學(xué)生的安全和實驗技能提出了新的要求。根據(jù)冶金實驗室的實際環(huán)境，對學(xué)生在進入實驗室前進行基礎(chǔ)培訓(xùn)，使其對實驗室的制度和緊急處理措施有所了解，減少安全隱患。經(jīng)過考核通過的學(xué)生才可進入實驗室進行課程研究，這種措施不僅可以增加學(xué)生的安全意識，同時還增強了學(xué)生的責任心。

本專業(yè)單獨設(shè)立了《冶金實驗研究方法》的課程，但是學(xué)生對實驗設(shè)備的了解僅停留在書面上，在實踐應(yīng)用方面還有所欠缺。本專業(yè)采用現(xiàn)場教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)慕課教學(xué)的方式，對冶金工程現(xiàn)有的實驗設(shè)備和操作方法進行全面的培訓(xùn)，將冶金工程的實驗技術(shù)、基本原理、常用的研究方法和常用的儀器設(shè)備使用方法結(jié)合起來，使學(xué)生能夠?qū)λ_展的實驗項目從實驗內(nèi)容、原理、方法和設(shè)備等方面有全面系統(tǒng)的了解[6]。然后學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，預(yù)約實驗時間，按照實驗教學(xué)大綱中要求的成實驗項目和實驗學(xué)時。

2.2 采用虛擬仿真與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式

隨著虛擬仿真的發(fā)展和進步，將虛擬仿真技術(shù)引入到實踐教學(xué)引起了越來越多的高校的重視。應(yīng)用VR、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真綜合實驗教學(xué)平臺和實驗操作環(huán)境。實驗對象逼真，使學(xué)生在高度自由的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對冶金中涉及高溫、高壓、有毒環(huán)境和爆炸風險的實驗形成有力的補充，例如，冶金流程和冶金實驗過程多是在高溫狀態(tài)下完成難已進行直接的觀察與測試，但是可通過虛擬仿真實驗課觀察和幫助學(xué)生了解冶金過程中的反應(yīng)變化、流體的狀態(tài)、溫度分布以及分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因。虛擬仿真實驗教學(xué)對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠的顛覆性影響，體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。可以說，虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[7]。

然而，學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力只有經(jīng)過大量的實踐經(jīng)驗積累和操作訓(xùn)練才能不斷提高，實體實踐環(huán)節(jié)不可替代。鞏固、彌補并促進實體實驗的教學(xué)效果才是虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)發(fā)展的方向。通過教學(xué)實驗，學(xué)生利用貼近實際的虛擬仿真環(huán)境有效直觀地了解燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和連鑄中的各種復(fù)雜的工程問題，加強了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和實驗方法在專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。因此，建立實驗操作與專業(yè)技能培養(yǎng)相結(jié)合、實踐體驗與虛擬仿真相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，這既體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)對推動實體實驗教學(xué)的促進作用，又體現(xiàn)了實體實驗在提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面的核心作用。但是對于虛擬仿真實驗的作用應(yīng)采取“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的原則[8]，不能把所有的實體實驗都進行虛擬化，更不能因為實體實驗的復(fù)雜性、耗時性和潛在危險性而進行虛擬化，這不利于學(xué)生對實體實驗的認知。

2.3 引入導(dǎo)師制，提高學(xué)習(xí)興趣

師生零距離接觸是實驗教學(xué)的特點，可由企業(yè)中的工程師來對學(xué)生的綜合實驗進行指導(dǎo)，將企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的問題和解決的方式帶入到實驗教學(xué)中，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生了解企業(yè)中的工程問題。

針對這些工程問題，教導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，自主了解反應(yīng)原理、實驗?zāi)康?、反?yīng)過程以及可能采用的實驗手段。然后在上課時候再由學(xué)生分組討論，設(shè)計實驗方案、采用哪些實驗設(shè)備，導(dǎo)師進行了解，必要的時候進行引導(dǎo)，進而由學(xué)生分組進行團隊合作完成各種綜合性實驗。整個教學(xué)過程中，讓學(xué)生一直處于主體地位，導(dǎo)師適當指導(dǎo)，最后在實驗教師的監(jiān)督下讓學(xué)生安全自主的完成實驗。這樣學(xué)生帶著問題去主動研究和解決問題，而不是“照本宣科”驗證實驗，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，使其真正參與到實驗研究中來，充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決工程問題的意識與能力。

2.4 改變考核方式

實驗教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，考核手段應(yīng)以多樣化的形式來對學(xué)生的實驗進行評價。結(jié)合冶金專業(yè)實驗的特點，將實驗考核分為小組考核和個人考核。小組考核包括：小組討論報告，實驗方案設(shè)計等；個人考核包括：實驗過程實施細節(jié)，個人實驗操作和實驗報告。實驗的最終成績就不是由實驗報告決定，而是各個部分的綜合評定。另外考核過程中鼓勵學(xué)生對實驗過程和實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)，提倡學(xué)生發(fā)表論文，或者在班級進行實驗總結(jié)和學(xué)術(shù)匯報，并將這些內(nèi)容納入到考核體系中來。

3 結(jié)論

在工程教育認證的背景下，以培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問題工程師為目標。通過完善冶金實驗教學(xué)課程內(nèi)容，強化實驗設(shè)備認識，結(jié)合虛擬仿真教學(xué)、企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)實驗教學(xué)，不斷提高學(xué)生實踐能力及運用所學(xué)知識解決實際問題能力。把理論知識轉(zhuǎn)化為具體工程實踐能力，適應(yīng)新時期冶金生產(chǎn)要求，提升學(xué)生的創(chuàng)造性。