基于科教融合的“材料成形力學(xué)”教學(xué)課程體系建設(shè)與教學(xué)模式改進(jìn)

丁敬國(guó) 邸洪雙 駱宗安 李長(zhǎng)生

摘要為解決“材料成形力學(xué)”授課過(guò)程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的選擇性不夠和獲得感不強(qiáng)的問(wèn)題，文章對(duì)教學(xué)課程體系采用科教融合的方法進(jìn)行改進(jìn)。在教學(xué)過(guò)程中，突出以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)原則，讓學(xué)生以聽(tīng)課為主變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)?；谑谡n教師的科研成果，對(duì)教學(xué)內(nèi)容持續(xù)進(jìn)行更新，通過(guò)課程體系的創(chuàng)新，將科研成果融入科研教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容保持先進(jìn)性和前沿性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和終身學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞科教融合；教學(xué)質(zhì)量；能力評(píng)價(jià)；課程思政

中圖分類(lèi)號(hào)：G424? ??????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.21.030

The Construction of Curriculum System and Improvement of Teaching Mode of "Material Forming Mechanics" Based on the Integration of Science and Education

DING Jingguo， DI Hongshuang， LUO Zongan， LI Changsheng

（State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

AbstractIn order to solve the problem of insufficient selectivity and weak sense of achievement in students' autonomous learning during the teaching process of "Material Forming Mechanics"， the article improves the teaching curriculum system and adopts the method of integrating science and education. In the teaching process， the teaching principle of "teacher led and student centered" should be emphasized， allowing students to focus on listening and become autonomous learners， and improving their awareness of active learning. Based on the scientific research achievements of the teachers， the teaching content is continuously updated. Through the innovation of the curriculum system， the scientific research achievements are integrated into the scientific research teaching， so that the teaching content remains progressiveness and cutting-edge， and students' ability to solve complex engineering problems， as well as their innovative spirit， practical ability and lifelong learning ability are cultivated.

Keywordsintegration of science and education; teaching quality; ability evaluation; curriculum ideology and politics

本文根據(jù)一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證、卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃、本科教學(xué)審核評(píng)估和國(guó)家一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)為契機(jī)[1]，探索東北大學(xué)材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵建設(shè)的新思路，進(jìn)行新工科背景下多元化、個(gè)性化人才培養(yǎng)模式、人才培養(yǎng)方案的探索與實(shí)踐[2]。金屬材料的成形方式主要包括軋制、擠壓、拉拔、鍛造等，這些成形方式的控制過(guò)程均離不開(kāi)材料成形力學(xué)的相關(guān)知識(shí)和理論。因此，本課程采用雙語(yǔ)教學(xué)模式，從應(yīng)力與應(yīng)變的基本概念入手，建立求解材料成形過(guò)程的基本方程，結(jié)合材料成形實(shí)際，講述主要解析方法，包括工程法、滑移線法和上界法，并給出很多具體的解析實(shí)例。

材料成形力學(xué)是材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的主干課程之一，根據(jù)本專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)要求，本課程的目標(biāo)是針對(duì)材料成形過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生掌握材料成形過(guò)程的基本力學(xué)理論和力能工藝參數(shù)的求解方法，能夠運(yùn)用所學(xué)的力學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型建模方法分析專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜工程問(wèn)題，并進(jìn)行比較和綜合。同時(shí)還要能夠掌握成形力學(xué)問(wèn)題的基本解法并具備解決平面變形、軸對(duì)稱變形等復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1? 課程建設(shè)發(fā)展歷程

東北大學(xué)金屬壓力加工專(zhuān)業(yè)是我國(guó)最早的金屬壓力加工專(zhuān)業(yè)，材料成形力學(xué)是主要的專(zhuān)業(yè)課程之一，課程中涵蓋了應(yīng)力與應(yīng)變、變形力學(xué)方程、工程法、滑移線場(chǎng)理論、上界理論等多項(xiàng)關(guān)鍵專(zhuān)業(yè)知識(shí)點(diǎn)。王國(guó)棟院士于1985年秋季學(xué)期開(kāi)始使用英文原版教材為1983級(jí)本科生講授材料成形力學(xué)雙語(yǔ)課程，1998年邸洪雙教授從王院士手里接過(guò)接力棒。開(kāi)設(shè)雙語(yǔ)課的目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，掌握必要的專(zhuān)業(yè)詞匯，提高專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)的閱讀能力和翻譯技巧。材料成形力學(xué)課程于2001年率先采用多媒體教學(xué)，于2004年被評(píng)為東北大學(xué)精品課和雙語(yǔ)教學(xué)示范課，當(dāng)年獲得東北大學(xué)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。

2004年金屬壓力加工專(zhuān)業(yè)變更為材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)，課程體系和教學(xué)方法也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，課程將企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中涉及的材料成形力學(xué)現(xiàn)象制作成視頻并展現(xiàn)在課堂上，促進(jìn)學(xué)生對(duì)材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)和理解，便于他們運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決軋制、擠壓、拉拔、鍛造等成形過(guò)程的力學(xué)問(wèn)題。2011年本專(zhuān)業(yè)進(jìn)入卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃、工程教育認(rèn)證工作?；谝詫W(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的工程認(rèn)證教育理念，本課程對(duì)課程體系、考核方式等進(jìn)行了改革。2019年開(kāi)展一流課程建設(shè)，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在材料成形力學(xué)理論教學(xué)中將力學(xué)知識(shí)與企業(yè)工程實(shí)踐相結(jié)合，深入挖掘材料成形力學(xué)基礎(chǔ)理論與企業(yè)工程應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合過(guò)程中的思政教育元素，將課堂中的理論知識(shí)傳授、企業(yè)應(yīng)用案例詳解與學(xué)生的價(jià)值觀塑造緊密聯(lián)系。

2? 課程體系建設(shè)

針對(duì)“材料成形力學(xué)”課程的中英文雙語(yǔ)教學(xué)特點(diǎn)，課程組設(shè)定了4個(gè)課程目標(biāo)，支撐3個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握材料軋制成形過(guò)程所需的成形力學(xué)基本概念，能用相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法分析專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜工程問(wèn)題，并進(jìn)行比較和綜合。能夠根據(jù)文獻(xiàn)查閱與分析探索復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案，應(yīng)用工程科學(xué)的基本原理對(duì)與材料成型過(guò)程相關(guān)的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行提煉、定義、建模、分析和評(píng)價(jià)。能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，在團(tuán)隊(duì)合作中，承擔(dān)團(tuán)隊(duì)成員和負(fù)責(zé)組長(zhǎng)的角色，具有團(tuán)隊(duì)合作精神。同時(shí)具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的知識(shí)基礎(chǔ)，掌握自主學(xué)習(xí)的方法，具有跟蹤材料加工學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的能力和適應(yīng)發(fā)展的能力。課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)如表1 所示。

在雙語(yǔ)教學(xué)條件下，知識(shí)目標(biāo)還要求學(xué)生能夠熟練掌握材料成形力學(xué)的國(guó)外技術(shù)進(jìn)展、塑性加工技術(shù)關(guān)鍵詞匯、工程法的應(yīng)用方式、極限原理的求解新方法等，了解軋制、擠壓、拉拔、鍛造等主流成形力學(xué)模型的工程應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于能力目標(biāo)，確保學(xué)生能夠在雙語(yǔ)教學(xué)條件下，掌握各類(lèi)材料成形工藝的力學(xué)邊界條件和簡(jiǎn)化步驟，能夠在軋制、鍛造、擠壓和拉拔等變形實(shí)踐中學(xué)會(huì)多種類(lèi)型的模型建立、簡(jiǎn)化和優(yōu)化方法。對(duì)于素質(zhì)目標(biāo)，通過(guò)雙語(yǔ)學(xué)習(xí)，提升個(gè)人的價(jià)值導(dǎo)向[3]，將“材料成形力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)狀態(tài)應(yīng)用于個(gè)人素質(zhì)的培養(yǎng)和提升。在鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)外語(yǔ)的需求非常大，這也是建立雙語(yǔ)課程體系的目的。通過(guò)課程建設(shè)，以提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力為主，增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)能力為輔，構(gòu)建出滿足工程專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的課程標(biāo)準(zhǔn)體系，形成具有專(zhuān)業(yè)特色的雙語(yǔ)教學(xué)模式。使學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，掌握必要的材料成形過(guò)程與力學(xué)知識(shí)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)詞匯，提高專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)的閱讀能力和翻譯技巧。同時(shí)，在雙語(yǔ)教學(xué)中，引入國(guó)外教學(xué)案例，提高學(xué)生對(duì)于材料成形過(guò)程的力學(xué)分析、建模和求解能力[4-5]。

3? 教學(xué)模式改進(jìn)

3.1? 教學(xué)方法改進(jìn)

突出以“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)原則，通過(guò)因材施教和一人一策的教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生在學(xué)中練、練中學(xué)，讓學(xué)生在獲得職業(yè)技能的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新思維能力。在充分利用原版教材中的科研實(shí)例和工程應(yīng)用的同時(shí)，建設(shè)多種融入思政元素的教學(xué)資源，包括教師撰寫(xiě)與課程隨筆、任課教師科研視頻和現(xiàn)場(chǎng)視頻，編制圖文并茂的“科學(xué)與工程―材料成形力學(xué)”教學(xué)案例。

在使用多媒體課件的同時(shí)，深入挖掘數(shù)字化教學(xué)和智能化教學(xué)的潛力，將更加先進(jìn)新穎的方法（如有限元法、MATLAB仿真、人工智能算法等）制作成材料成形過(guò)程仿真動(dòng)畫(huà)，直觀地展示材料成形過(guò)程中這些方法的有效性及其作用過(guò)程。加強(qiáng)電子課件建設(shè)，力爭(zhēng)多圖解少文字，用圖形去解釋材料成形過(guò)程中力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的演變過(guò)程，讓學(xué)生既知其然又其所以然，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，輕松接受材料成形過(guò)程中的力學(xué)方程推導(dǎo)和模型建立，增強(qiáng)工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3.2? 教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)

注重將科研與教學(xué)相融合，寓教于研。根據(jù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)各大企業(yè)的工程應(yīng)用實(shí)踐和授課過(guò)程中取得的科研成果，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容。在課程中為學(xué)生介紹國(guó)防、軍工、交通、能源和基礎(chǔ)建設(shè)等領(lǐng)域中所涉及的材料成形力學(xué)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。

研發(fā)基于企業(yè)互動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，將企業(yè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)和操作過(guò)程同步展現(xiàn)在課堂上，使課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用銜接更加緊密。課程依據(jù)企業(yè)調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，將課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整以更適應(yīng)企業(yè)的用人需求。

教學(xué)過(guò)程中，將最新的科研成果、先進(jìn)的材料成形力學(xué)技術(shù)和前沿知識(shí)融入教學(xué)內(nèi)容，例如寬厚板軋制過(guò)程中的力學(xué)機(jī)理模型協(xié)同數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建寬厚板CPS系統(tǒng)技術(shù)，板形控制過(guò)程中的殘余應(yīng)力精準(zhǔn)控制技術(shù)等內(nèi)容，保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，并與實(shí)際的工程案例緊密結(jié)合。課程教學(xué)采用多種多媒體教學(xué)方式，在使用多媒體課件的同時(shí)，增加企業(yè)在材料、試驗(yàn)、工程案例等研發(fā)方面的知識(shí)，形成一套科教融合的教學(xué)體系。

3.3? 課程思政改進(jìn)

黨的二十大報(bào)告明確指出：“育人的根本在于立德?！甭鋵?shí)好立德樹(shù)人根本任務(wù)，回答好“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人”這個(gè)根本問(wèn)題，是當(dāng)前高校思想政治教育工作的使命與挑戰(zhàn)。全面推進(jìn)課程思政就是提升新時(shí)代高校思想政治教育質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，其與思政課程的協(xié)同互構(gòu)既是教育生態(tài)的革新，也是育人智慧的升華。

本課程通過(guò)潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的教學(xué)方式，將思政教育滲透到材料成形力學(xué)的教學(xué)中，使學(xué)生加深對(duì)材料成形力學(xué)理論和工程應(yīng)用背景的理解，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情和努力奮斗的精神，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和文化自信。在充分利用原版教材中的科研實(shí)例和工程應(yīng)用的同時(shí)，建設(shè)多種融入思政元素的教學(xué)資源，包括教師撰寫(xiě)課程隨筆、任課教師科研視頻和現(xiàn)場(chǎng)視頻，編制圖文并茂的“科學(xué)與工程―材料成形力學(xué)”教學(xué)案例。將故事和案例引入課堂，例如，在學(xué)習(xí)上界定理開(kāi)發(fā)熱軋過(guò)程軋制力數(shù)學(xué)模型時(shí)，引入了建國(guó)初期鞍鋼1780mm熱連軋生產(chǎn)線通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)估算軋制力和軋機(jī)彈跳來(lái)提高厚度控制精度的故事，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)知識(shí)就是科技發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)和源泉。

3.4? 效果分析改進(jìn)

“材料成形力學(xué)”課程的授課效果評(píng)估根據(jù)考核方式、考核內(nèi)容、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和考核結(jié)果，對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行達(dá)成度評(píng)價(jià)。任課教師在每個(gè)學(xué)期結(jié)束后進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)，并對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)的評(píng)估狀況進(jìn)行分析。某學(xué)生樣本的單項(xiàng)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)值=該生各項(xiàng)考核成績(jī)（平時(shí)成績(jī)、工程案例課堂討論效果、大作業(yè)、期中考試成績(jī)、期末考試成績(jī)等）的加權(quán)平均值。通過(guò)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)，總體達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果，課程目標(biāo)1、2、3和4的平均達(dá)成度分別為0.99、0.81、0.91和0.84，如圖1（p100）所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

材料成形力學(xué)課程的教學(xué)理念是實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素質(zhì)三位一體式的有機(jī)融合。在知識(shí)方面，通過(guò)課程體系的創(chuàng)新，將科研成果融入科研教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容保持先進(jìn)性和前沿性。在能力培養(yǎng)方面，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和終身學(xué)習(xí)的能力。在價(jià)值塑造方面，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，科學(xué)精神，團(tuán)隊(duì)合作精神，責(zé)任意識(shí)。通過(guò)課程改革可以解決課程內(nèi)容與學(xué)生知識(shí)、能力和素養(yǎng)塑造方面匹配的問(wèn)題，以學(xué)生綜合能力的提升為重點(diǎn)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)；重塑課程內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，打破課堂沉默狀態(tài)，發(fā)揮課堂教學(xué)主陣地的作用，解決學(xué)生自主學(xué)習(xí)的選擇性不夠，獲得感不強(qiáng)的問(wèn)題。

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