材料類專業(yè)“三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式探索及實踐*

寧彩珍，張 磊，榮 輝

(天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384)

《中國制造 2025》行動綱領(lǐng)要求未來的大學(xué)畢業(yè)生必須具有更高、更強的實踐能力[1]。生產(chǎn)實習(xí)作為實踐教學(xué)體系的重要組成部分，歷史悠久。大多數(shù)高校材料類專業(yè)學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)長期依靠生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行，然而由于操作環(huán)境、安全、企業(yè)效益等影響因素，學(xué)生動手操作機(jī)會很少，實踐能力得不到應(yīng)有的提升。因此，在新工科建設(shè)和產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人人才培養(yǎng)模式等教育改革下，探索新的教學(xué)模式已是必然。

1 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的探索

目前，材料類專業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)實施形式有校外生產(chǎn)實訓(xùn)、虛擬仿真實驗實訓(xùn)和校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)三種形式。

1.1 校外生產(chǎn)實訓(xùn)

校外生產(chǎn)實訓(xùn)通常在生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行，可以利用企業(yè)的生產(chǎn)條件和技術(shù)人員，降低實習(xí)成本，提高實訓(xùn)水平；可以利用實際生產(chǎn)的復(fù)雜性和多變性，提高學(xué)生利用專業(yè)理論和知識解決復(fù)雜工程問題的能力；可以使學(xué)生了解先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、技術(shù)、裝備和管理。實際上，由于生產(chǎn)現(xiàn)場高溫設(shè)備多、高粉塵、環(huán)境惡劣、安全等問題，學(xué)生親臨生產(chǎn)現(xiàn)場的機(jī)會很有限；由于生產(chǎn)工況不可隨意調(diào)節(jié)、故障真實狀態(tài)無法還原，以及設(shè)備無法拆卸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以呈現(xiàn)、參數(shù)無法調(diào)節(jié)以及學(xué)生的能力和素質(zhì)較低等實際問題，學(xué)生動手操作機(jī)會很少；由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)裝備和系統(tǒng)體積龐大，學(xué)生全面認(rèn)知生產(chǎn)過程有一定難度；另外，隨著國家經(jīng)濟(jì)體制的改革，出于經(jīng)濟(jì)成本、工作效益和安全等方面的考慮，企業(yè)接受學(xué)生實習(xí)的意愿越來越低，為激發(fā)企業(yè)積極性，教育部推出“產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人”人才培養(yǎng)模式，三年共達(dá)成4萬多項合作項目，然而幾乎都是互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實等新工科專業(yè)的“產(chǎn)”與傳統(tǒng)工科專業(yè)的“學(xué)”的合作，材料類專業(yè)等傳統(tǒng)工科專業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)并沒有參與其中。

1.2 校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)

校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)平臺通常選用安裝生產(chǎn)性設(shè)備，營造真實的生產(chǎn)性環(huán)境，充分考慮學(xué)生親自動手操作的條件，能提供生產(chǎn)性服務(wù)，工學(xué)結(jié)合，以產(chǎn)養(yǎng)學(xué)。[2]校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)可以使學(xué)生進(jìn)行反復(fù)生產(chǎn)操作訓(xùn)練，切身體會生產(chǎn)現(xiàn)場；然而，較小的生產(chǎn)規(guī)模限制了工藝、裝備、技術(shù)的先進(jìn)性，影響學(xué)生對行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的認(rèn)知；反復(fù)調(diào)節(jié)和操作造成大量設(shè)備損耗、不合格產(chǎn)品和原料燃料消耗，實習(xí)成本較高；受工藝復(fù)雜、生產(chǎn)危險性高、空間有限等問題，校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)平臺的建設(shè)難度較大，導(dǎo)致數(shù)量很少、實訓(xùn)范圍窄。

1.3 虛擬仿真實驗實訓(xùn)

虛擬仿真技術(shù)(VR技術(shù))通過在多維信息空間上創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，有助于啟發(fā)構(gòu)思。[3-5]虛擬仿真實驗實訓(xùn)通過“沉浸”使學(xué)生體會生產(chǎn)實際情況和無法親臨的生產(chǎn)現(xiàn)場；通過“交互”使學(xué)生模擬實際生產(chǎn)操作并反復(fù)模擬訓(xùn)練，降低實訓(xùn)成本；通過三維虛擬生產(chǎn)線使學(xué)生較全面認(rèn)知生產(chǎn)整個過程；實訓(xùn)范圍可以較寬[6]。然而，虛擬仿真難以模擬實際生產(chǎn)的復(fù)雜性和不確定性，需要巨大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作支撐，無法取代生產(chǎn)現(xiàn)場的體會和感知。近三年，虛擬仿真實驗蓬勃發(fā)展，僅2017年和2018年就建成國家虛擬仿真實驗項目400多項，還有大量的省部級項目，然而，大多實驗項目的交互都處于低級簡單水平。

1.4 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的提出

經(jīng)前述分析，校外生產(chǎn)實訓(xùn)“實踐條件優(yōu)，實踐人才豐富”，但“操作難”；校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)“操作真實，訓(xùn)練全面”，但“規(guī)模小、成本高、范圍窄”；虛擬仿真實驗“易實現(xiàn)、低成本”，但與實際生產(chǎn)終有差距，因此，需要校外生產(chǎn)實訓(xùn)與校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)相結(jié)合(簡稱“內(nèi)外結(jié)合”)，校內(nèi)外生產(chǎn)實訓(xùn)與虛擬仿真實驗實訓(xùn)相結(jié)合(簡稱“虛實結(jié)合”)，且“能實不虛”，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果。

針對材料類專業(yè)，提出“虛擬仿真實驗實訓(xùn)-校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)-校外生產(chǎn)實訓(xùn)三位一體的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式”(以下簡稱““三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式”)。要做到“三位”各自任務(wù)明確，內(nèi)容既有不同也有重疊，不斷提升遞進(jìn)，訓(xùn)練全面。虛擬仿真實驗實訓(xùn)內(nèi)容要盡量全面，大于且包含校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)的內(nèi)容，校外生產(chǎn)實訓(xùn)是在校內(nèi)實訓(xùn)基礎(chǔ)上的提升、深化和拓展。學(xué)生先通過虛擬仿真實驗對實習(xí)內(nèi)容進(jìn)行全面認(rèn)知和反復(fù)訓(xùn)練，考核合格后才能進(jìn)行校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)，以降低操作的錯誤概率和反復(fù)操作次數(shù)，降低成本和設(shè)備損耗；校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)考核合格后，才能進(jìn)行校外生產(chǎn)實訓(xùn)，助于校外生產(chǎn)實訓(xùn)的質(zhì)量和順利完成，助于為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，利用校企長期穩(wěn)定協(xié)作，實現(xiàn)“雙贏”。

該模式能充分實現(xiàn)三種形式的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)合作，具有“易實現(xiàn)，低成本，操作真實，訓(xùn)練全面，生產(chǎn)條件優(yōu)，實踐人才豐富”的優(yōu)勢。

2 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的軟硬件建設(shè)及實踐

2.1 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的軟硬件建設(shè)

為保證“三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的良好實施，天津城建大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)(簡稱“本校本專業(yè)”)，進(jìn)行了軟硬件的全面建設(shè)。

2.1.1 校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)平臺

本校本專業(yè)在校內(nèi)建設(shè)建筑材料生產(chǎn)實訓(xùn)平臺(見圖1)，包括輕骨料(陶粒)/水泥熟料生產(chǎn)線和陶瓷面磚生產(chǎn)線。

圖1 建筑材料生產(chǎn)實訓(xùn)平臺Fig.1 Building materials production training platform

2.1.2 校外實習(xí)基地

本校本專業(yè)建成以天津天筑建材有限公司(生產(chǎn)保溫、隔音、質(zhì)輕的砂加氣混凝土，是綠色節(jié)能新型建筑材料的生產(chǎn)先行者)、天津金隅振興環(huán)?？萍加邢薰?以固體廢棄物為原料燃料生產(chǎn)水泥，是綠色環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的執(zhí)行者)、天津工業(yè)化建筑有限公司(生產(chǎn)裝配式建筑的PC(precast concrete)構(gòu)件，是行業(yè)領(lǐng)航者)、中建商品混凝土攪拌站、天津貝利泰陶瓷有限公司等五家企業(yè)組成的校外實習(xí)基地群。企業(yè)形式多樣、產(chǎn)品豐富，以節(jié)能、綠色、環(huán)保為特色，代表行業(yè)先進(jìn)理念和技術(shù)水平，利于學(xué)生了解不同所有制、不同性質(zhì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理模式和理念，掌握不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、裝備和操控，了解行業(yè)發(fā)展水平和趨勢，拓展專業(yè)認(rèn)知范圍。

2.1.3 虛擬仿真實驗實訓(xùn)平臺

本校本專業(yè)建設(shè)“浮法玻璃生產(chǎn)工藝及裝備虛擬仿真實驗教學(xué)項目”(2018年天津市建設(shè)項目)。在此系統(tǒng)學(xué)生可完成玻璃成分設(shè)計、原料選擇、配合料計算、玻璃性能計算、總工藝計算及操作，熔窯和錫槽及附屬設(shè)備的設(shè)計及操作。另外，可利用國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺的教學(xué)資源。

2.1.4 生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)教師隊伍建設(shè)

本校本專業(yè)采用“內(nèi)培養(yǎng)外聘用”的方式，充實、調(diào)整、提升指導(dǎo)教師隊伍。充分挖掘校內(nèi)具有生產(chǎn)實踐背景和經(jīng)驗的教師作為指導(dǎo)教師；派遣教師到國內(nèi)外著名高校、企業(yè)進(jìn)修和培訓(xùn)；積極聘用行業(yè)、企業(yè)技術(shù)人員為指導(dǎo)教師。

2.1.5 生產(chǎn)實訓(xùn)教材編寫

本校本專業(yè)為更好更針對性地指導(dǎo)生產(chǎn)實訓(xùn)，已于化學(xué)工業(yè)出版社簽約《無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)項目化實訓(xùn)教程》編寫合同。

2.1.6 生產(chǎn)實習(xí)運行管理的制度化建設(shè)

本校本專業(yè)制定了《實訓(xùn)平臺運行與管理辦法》、《生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)教師職責(zé)與工作規(guī)范》、《學(xué)生實訓(xùn)過程管理制度》、《學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)手冊》等一系列規(guī)章制度，實現(xiàn)對實訓(xùn)平臺和學(xué)生的制度化、規(guī)范化、全面化管理。

2.2 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式的實踐

本校本專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)的目的是使學(xué)生掌握建筑工程材料的制備、檢驗和生產(chǎn)管理，提高學(xué)生利用專業(yè)知識和理論分析解決復(fù)雜工程問題的能力。基于“三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式，制訂了詳細(xì)的實施方案，見圖2。

圖2 “三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式實施方案Fig.2 Implementation plan of the“Trinity”production practice teaching model

經(jīng)過兩輪試用，學(xué)生的工程實踐能力、動手能力、分析解決復(fù)雜工程問題的能力、創(chuàng)新能力、文字撰寫能力和語言表達(dá)能力等都有較大程度提升；對專業(yè)知識和理論的理解更加深入，能更好地運用專業(yè)知識去思考、分析、表達(dá)和解決問題。

3 結(jié) 語

在新工科建設(shè)和產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人人才培養(yǎng)模式下，提出材料類專業(yè)“三位一體”生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式，該模式具有“易實現(xiàn)，低成本，操作真實，訓(xùn)練全面，生產(chǎn)條件優(yōu)，實踐人才豐富”的優(yōu)勢，是一個可以推而廣之的模式。