以培養創新能力為核心的材料成型創新實驗平臺建設

蘇竹+廖娟+游國強+趙建華

摘要：為適應材料成型創新實驗教學體系的要求，以培養創新能力為核心，增加前沿制造技術設備和小型桌面設備的比例，以提高實驗設備利用率為要求，制定教學實驗設備配置方案。通過材料成型創新實驗平臺的建設，面向實踐教學的設備硬件能力得以全面提升，激發了學生對專業知識的學習興趣，培養工程實踐能力和創新能力，保障了專業實驗課程改革的應用和效果。

關鍵詞：材料成型創新能力實驗平臺

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目（143016）

TB30-4

一、引言

實踐性教學是工程類學科人才培養計劃的重要內容，對培養大學生動手能力、分析和解決問題的能力、提高工程意識和培養創新精神發揮著舉足輕重的作用。材料成型及控制工程由原來的鑄造、鍛壓、焊接三個老專業發展而來，具有寬口徑、大專業、多方向的內涵，是典型的交叉學科，實踐性強，涉及知識面廣。隨著國民經濟和科學技術的迅猛發展，單一的專業技能已不能滿足現代裝備制造業對綜合型人才培養的要求。

現行實驗教學體系，以驗證性實驗內容為主，學習者的實踐參與度低，實驗室硬件環境落后，不論從目標、內容、手段和方法來看，都落后于現行教育理念的，迫切需要改革。

材料成型專業實驗和工程實踐教學平臺，應當以探索適應科技和社會發展需求、適應人才成長規律、切合實際的實驗和實踐教學模式為目的，從學校自身的優勢和辦學特點出發，在學校教學改革的整體規劃基礎上，逐步構建并完善。

二、實踐教學平臺的現狀分析

1.實驗室建設重視度不足

多年以來，高等教育積累了重理論教學、輕實驗教學的傳統，實驗教學多為每門課程配置4～8學時的“課夾”實驗。這種側重，不僅體現在理論與實踐教學的課時分配上，還體現在實驗室的硬件建設上。以本實驗室為例，近10年來新增設備數量僅5臺，大部分為使用10年以上的傳統鑄造、鍛壓、焊接設備。實驗設備數量和質量的嚴重不足，是制約實踐教學環節提升的基礎障礙。

2.實驗手段和方法滯后于科技發展水平

“課夾”實驗多選用經典的工藝方法、模具、易于產生實驗效果的材料用于教學，但隨著科技水平的提升、實驗室設備的老化，越來越多的課程核心內容和知識點，難以通過現有條件完成教學，成為實驗教學中的難點和瓶頸。

可視化虛擬實驗手段、柔性制造技術平臺等高新技術，引入工程實驗教學環節，通過電腦三維實體的運動演示，能直觀的觀察模具的動作關系和制品成型的全過程、模擬熔液的流動充型和冷卻凝固過程等等，完成傳統教學中難以實現的過程，不僅解決現有實驗教學的難題和瓶頸，還能吸引學生注意力投入實驗之中，起到事半功倍的教學效果。

三、教學實驗設備配置方案

材料成型及控制工程由傳統專業合并而來，隨著時代的發展，實驗室工藝設備逐漸老化、落后，新興材料成型技術及其發展前沿動向可以激發學生的求知欲，提高學生對后期知識的學習興趣，培養自主學習能力。因此，以培養創新能力為核心，建設材料成型創新實驗平臺，以貼合新的實驗教學方案，增加先進成型設備的比例，提高設備利用率為要求，制定了教學實驗設備配置方案，如表1所示，支撐實驗教學改革和提升。

1.材料成型CAD/CAE/CAM軟件系統

隨著計算機及軟件技術的發展，將材料成型技術與計算機模擬仿真技術有機地結合在一起，使學生掌握的知識面更廣，并能在解決技術問題時，將兩者有效融合，充分利用所學的專業知識，學習多角度、多層次地研究和分析問題。例如通過數值模擬建立鑄件凝固過程和傳熱的數學模型，對鑄造結果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”，從而優化鑄造工藝；采用模具虛擬拆裝系統，通過旋轉、縮放、透視、剖面等觀察功能，對模具結構進行拆裝演示、運動仿真、裝備考評和知識索引。

這類通過計算機虛擬的教學模式，可以加速學生對抽象概念的理解，增強教學的直觀性和形象性，加強對模具結構、工藝參數認知的真實感和表現力，極大地提升教學效果、活躍課堂氣氛，提高學生解決實際問題及創新的能力。

2.前沿制造技術應用

3D打印是一種與傳統的材料加工方法截然相反，基于三維 CAD模型數據，通過增加材料逐層制造的方式，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。自2013年以來，3D打印技術受到國內學術界、傳媒界的關注熱潮，被認為是一項影響人類未來生產生活方式的新型制造方法。

將圖1、2所示的桌面型3D打印和掃描設備應用于實驗教學，親身體驗這些廣受關注的前沿制造技術，可以激發學生DIY的興趣，開發想象力，將構思轉變為真實的立體模型，全程參與從設計、制作、展示等各環節實踐操作，將自己的創造變成實物，獲得一種難忘而有益的學習體驗。在實踐中發展和提高動手能力、設計能力和思維能力，推動學習者創新精神和創造能力發展，對創新型人才培養具有積極意義。

3.設備小型化與高可用性

材料成型屬于制造業領域，實驗設備一般選擇機械制造工廠使用的設備，這些設備更接近生產實際，但具有投入大、占地面積大、通用性差等突出缺點。經調研發現，隨著民生工業的升級，應用在佩飾、工藝紀念品、小五金行業的鑄造、壓力加工、焊接設備，如精密臺式沖床（圖3）、小型龍門液壓機（圖4）、真空注蠟機（圖5）、小型激光焊機（圖6）等已完全成熟，多為小型設備，甚至可桌面化使用，既滿足實驗教學的需求，又能彌補機械制造工業化設備的不足。

這類材料成型設備用于支撐專業通識實驗和專業模塊特色實驗，分布在實驗流程中的各個工藝環節，承擔相應的工藝任務，小而親切，操作簡單，學生可以親自動手，獲得真正親手創造出產品的體驗。

五、結語

本材料成型創新實驗平臺的建設，緊緊圍繞材料成型專業實驗和工程實踐教學體系改革，以培養學生的工程實踐和創新能力為核心，改變了實驗室的舊友面貌，實現了面向實踐教學的設備硬件能力的全面提升，保障了專業實驗課程改革的開展和應用。

參考文獻：

[1]唐正連，基于材料成型及控制工程專業特殊性的改革思路[J].當代教育實踐與教學研究，2015

[2]鄧文婷，激發大學生創新創業背景下高校實驗室功效再造[J].高教探索，2016

[3]張光勝，材料成型及控制工程專業實驗和實踐教學體系的改革研究[J].中國科教創新導刊，2008

[4]楊曉平，材料成型及控制工程專業實驗教學改革的思考與探索[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2012

作者簡介：蘇竹（1984-）：女，漢族，重慶人，碩士，工程師，主要從事材料成型專業實驗教學。