工程教育認證視域下金屬材料類專業(yè)課程仿真實踐教學體系改革研究

江西理工大學材料冶金化學學部 鄧同生 陳繼強 張嘉藝

工程教育認證標準要求學生能夠采用科學有效的方法對復雜工程問題進行分析和研究，通過構建特定實驗系統(tǒng)，安全高效地開展相應實驗、合理采集有效數(shù)據(jù)、能對實驗數(shù)據(jù)進行進一步的分析和解釋，綜合研究后得到合理有效結論。虛擬仿真實驗是融合多種先進計算機技術的新型實驗方法，利用虛擬仿真實驗手段能夠完成很多復雜、高危、現(xiàn)實中不易完成的實驗，從而大大提高實驗教學質量。虛擬仿真項目利用虛擬手段，將知識形象化，建設安全可靠、綠色節(jié)約、可視化的虛擬仿真實驗教學平臺，從而使學生對實現(xiàn)項目的本質機理和原理有更深入的了解；同時能夠實現(xiàn)互動教學，很好地激發(fā)學生的學習樂趣，具有很好的實踐教學效果。

金屬材料的制備與加工包括熔煉、軋制/鍛造/沖壓以及蠕變/疲勞等多種工藝過程，要開展相應的實驗教學存在不同程度高危、高成本等問題，因此亟須在工程教育認證思維的引領下開展一流本科人才培養(yǎng)改革，改進傳統(tǒng)的實驗教學方法與模式，優(yōu)化實驗教學體系，以提升教師教育教學水平和學生的學習積極性與創(chuàng)新能力。

一、教學改革內(nèi)容

（一）教學體系方面

傳統(tǒng)的實驗項目一般和理論課程同步開設，由于培養(yǎng)方案或教學體系的不同要求，實驗課的學時受到較大壓縮。而且由于同時參與實驗的學生人數(shù)眾多，通常需要將若干學生分為一組，這就可能導致少部分學生在有限的時間內(nèi)沒有機會實際操作，可能需要專業(yè)教師在學時外提供一些鍛煉機會，這不利于統(tǒng)一管理，致使課堂很難實現(xiàn)高質量教學。另外，對于實際的操作過程，大部分學生按教師布置的方案開展，缺乏主觀能動性和獨立思考，甚至不太理解開展實驗的目的，對結果無法進行有效分析。實驗后的報告撰寫不夠規(guī)范，數(shù)據(jù)缺失或無效。因此，需要綜合分析各實驗項目內(nèi)涵，全面梳理課程內(nèi)外實驗項目，構建虛擬仿真實驗體系，大力運用計算機技術和網(wǎng)絡資源，充分體現(xiàn)實驗的開放性、創(chuàng)新性。金屬材料的凝固—成形—服役多階段工藝過程以工藝仿真類實驗項目為基礎，結合模具/設備類及車間運行類仿真實驗項目進行教學體系的規(guī)整。

（二）學生創(chuàng)新能力提升方面

教師在實驗課程教學過程中，要進一步突出學生的主體地位，從而確保教、學、做的有機結合，促進學生綜合學習能力的提升，培養(yǎng)學生探索真理、解決問題、克服困難的主觀能動性以及相應的創(chuàng)新思維；提升學生的設計及實際操作能力，促進全面協(xié)調發(fā)展。具體而言，應在實驗課前、課中、課后各階段（環(huán)節(jié)）各有側重點：實驗前的學習活動和學習任務安排，要突出以學為中心，引導學生對知識體系進行重構。在教學過程的安排方面，保障學生具有充分的自主學習時間，自主學習實驗指導書，基于移動端、PC端學習教師指定、在線推送學習資源，引導學生開展課前的測試，學習設計提出問題，通過社交化群組進行互動和交流、學習和討論等。實驗中主講教師相對地縮短集中理論講授講解時間、課時，堅持以學生為中心，想方設法組織并引導學生利用各種學習平臺、移動終端或智慧教學工具，有機協(xié)調地采取生生互評、案例點評、邊講邊練、以練代講、項目探究、研討辯論等多種方式，開展深度融合的教學活動，提高所有學生的參與度，實現(xiàn)更加精準的教學改革，特別要注重學生的交流、探究、協(xié)作、創(chuàng)新等綜合能力的提高。實驗課后教師依然可通過平臺向學生布置課后的學習或相關任務，推送微課、測試題等，不僅可以進一步跟蹤和測試學生對知識的掌握情況，鞏固學習效果，還可以在相關的社交化群組提升學生的凝聚力，集中智慧討論問題。

（三）教師教育教學能力提升方面

專業(yè)課程的實踐教學是大學教育過程中落實創(chuàng)新人才教育的重要一環(huán)，實驗課程重在以問題研究為導向、深度參與體驗和反思批判為主要特征，具有教學目標多元、教學空間地點差異、教學過程形態(tài)多種多樣的特點。對教學質量而言，教師在實踐教學方面的能力和水平是該環(huán)節(jié)教學效果的關鍵因素和根本保障，因此，需要促進教師職業(yè)技能的提升，使專業(yè)課程教師或實驗課程教師具備較高的計算機虛擬仿真軟件應用能力，從而滿足虛擬仿真教學實驗的需求，為教育教學水平的提升提供保障。具體包含知識要求（基礎性要素）、能力要求（核心要素）和素質要求（綜合性要素）三個方面。其中知識性要求包括工具性知識（如ABAUQS、FLUENT等多種有限元仿真軟件的掌握和使用）、專業(yè)知識（包括工藝相關的理論基礎知識以及工藝實踐認知水平）；能力方面的要求包括本專業(yè)的應用能力以及跨專業(yè)的分析能力（含收集分析信息的能力、表達和溝通的能力、計劃與組織的能力、團隊合作的能力、解決問題的能力、應用技術的能力等）；素質方面的要求主要包括基本素質（如身體健康素質、心理健康素質、道德品德素質、人文常識素養(yǎng)等）和職業(yè)素質（包括責任心、進取心、工作態(tài)度、工作作風、規(guī)范意識、團隊精神、合作精神等）。

二、教學改革效果

教學改革能夠提高學生參與度，大幅提高實驗資源的覆蓋面、受益面。可實現(xiàn)每一位同學的深度參與體驗，避免傳統(tǒng)實驗項目由于客觀條件限制而無法實現(xiàn)全員動手的局限，同時可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)開放和共享，從而大幅提高實驗資源的覆蓋面、受益面。

教學改革能夠有效提升學生的創(chuàng)新思維?？纱蠓忍嵘齽?chuàng)新性實驗項目的比例，提供可能的條件供學生開展探索性的學習和思考。學生可通過多種平臺框架下的專業(yè)軟件系統(tǒng)，在對現(xiàn)實條件的高度還原仿真中，最大化發(fā)揮自己的個性化、自主化實踐學習，從而提升創(chuàng)新能力。

教學改革能夠建立有效的學習效果評價機制，提高實驗教學效果?？刹皇軙r空限制，任課教師可針對具體項目的培養(yǎng)需求，有針對性地優(yōu)化實驗教學體系，實現(xiàn)對課前、課中、課后各個環(huán)節(jié)學生學習效果的有效監(jiān)控和客觀評價模式，從而提高實驗教學質量。

教學改革能夠有效促進教師實驗教學水平的提升。在傳統(tǒng)現(xiàn)場實驗向虛擬實驗的轉變過程中，專業(yè)教師的實驗指導能力可以得到大幅提高，從而為教學質量的提高提供保障。同時虛擬仿真平臺還可以助力相關科研項目的開展，實現(xiàn)教學與科研相互促進的良性循環(huán)。

以工程教育認證思想與要求為基本指導準則，堅持以學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進的基本理念，針對材料科學與工程中的凝固—成形—服役中的多種工藝過程，結合模具設備及車間運行類虛擬仿真實驗項目，以學生所能獲得的綜合設計、分析與創(chuàng)新能力為最終目的，根據(jù)工藝流程原則，設立綜合型、研究型實驗教學課程體系，開展高危性、高成本、極端條件下的材料制備、加工及服役過程中的虛擬仿真實驗教學項目，建設安全可靠、綠色節(jié)約、可視化的虛擬仿真實驗教學平臺。從而提高實踐教學效率，培養(yǎng)學生研究、分析和探索材料世界中各種感興趣的問題，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和探索精神。最終提高金屬材料專業(yè)學生的學習積極性，拓寬學生知識面，便于其掌握理論知識要領，融會貫通靈活運用，擴大其就業(yè)適應性。