基于工程教育認(rèn)證的冶金實(shí)驗(yàn)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。《華盛頓協(xié)議》是國際上最具權(quán)威性和影響力的工程教育互認(rèn)協(xié)議之一，其宗旨是通過多邊認(rèn)可工程教育資格，促進(jìn)工程學(xué)位互認(rèn)和工程技術(shù)人員的國際流動。

在工程教育認(rèn)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(jìn)行轉(zhuǎn)變[1]，以工程教育認(rèn)證推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。這對實(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)驗(yàn)設(shè)備不熟悉

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)前，存在從來沒接觸過本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的問題。雖然在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)前，學(xué)生通過學(xué)習(xí)《冶金實(shí)驗(yàn)方法》和預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等途徑了解了實(shí)驗(yàn)過程，但是由于鋼鐵冶金實(shí)驗(yàn)很多屬于高溫、毒性實(shí)驗(yàn)，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(shí)踐能力差，不利于學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幻鞔_

目前，我校冶金工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解冶金方法，并且將知識應(yīng)用至實(shí)際中去[2]。然而，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書列出的實(shí)驗(yàn)的目的、原理、儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)步驟按部就班，有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)后尚不清楚為何做此實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)致學(xué)生是為了完成實(shí)驗(yàn)學(xué)時和實(shí)驗(yàn)課程來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)不足。

1.3 實(shí)驗(yàn)積極性不高

在傳統(tǒng)的大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用沒有清晰的認(rèn)知，實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提高成效不明顯。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時往往幾個人使用一臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而很大一部分冶金實(shí)驗(yàn)屬于高溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程耗時較長。受實(shí)驗(yàn)課時限制，在學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)課時，老師已經(jīng)完成了部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并且現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際問題能的作用，很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

2 解決問題方式

工程教育認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入制度

隨著本專業(yè)逐漸開始實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開放制度，對學(xué)生的安全和實(shí)驗(yàn)技能提出了新的要求。根據(jù)冶金實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際環(huán)境，對學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)，使其對實(shí)驗(yàn)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(qiáng)了學(xué)生的責(zé)任心。

本專業(yè)單獨(dú)設(shè)立了《冶金實(shí)驗(yàn)研究方法》的課程，但是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的了解僅停留在書面上，在實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作方法進(jìn)行全面的培訓(xùn)，將冶金工程的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案，預(yù)約實(shí)驗(yàn)時間，按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中要求的成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)學(xué)時。

2.2 采用虛擬仿真與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式

隨著虛擬仿真的發(fā)展和進(jìn)步，將虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)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(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)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(fēng)險的實(shí)驗(yàn)形成有力的補(bǔ)充，例如，冶金流程和冶金實(shí)驗(yàn)過程多是在高溫狀態(tài)下完成難已進(jìn)行直接的觀察與測試，但是可通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)的顛覆性影響，體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢?？梢哉f，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[7]。

然而，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力只有經(jīng)過大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和操作訓(xùn)練才能不斷提高，實(shí)體實(shí)踐環(huán)節(jié)不可替代。鞏固、彌補(bǔ)并促進(jìn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果才是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)發(fā)展的方向。通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用貼近實(shí)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(qiáng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。因此，建立實(shí)驗(yàn)操作與專業(yè)技能培養(yǎng)相結(jié)合、實(shí)踐體驗(yàn)與虛擬仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，這既體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)對推動實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用，又體現(xiàn)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面的核心作用。但是對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的作用應(yīng)采取“虛實(shí)互補(bǔ)、能實(shí)不虛、以虛促實(shí)”的原則[8]，不能把所有的實(shí)體實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行虛擬化，更不能因?yàn)閷?shí)體實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、耗時性和潛在危險性而進(jìn)行虛擬化，這不利于學(xué)生對實(shí)體實(shí)驗(yàn)的認(rèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，可由企業(yè)中的工程師來對學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)，自主了解反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、反?yīng)過程以及可能采用的實(shí)驗(yàn)手段。然后在上課時候再由學(xué)生分組討論，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、采用哪些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)師進(jìn)行了解，必要的時候進(jìn)行引導(dǎo)，進(jìn)而由學(xué)生分組進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作完成各種綜合性實(shí)驗(yàn)。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(dāng)指導(dǎo)，最后在實(shí)驗(yàn)教師的監(jiān)督下讓學(xué)生安全自主的完成實(shí)驗(yàn)。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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，使其真正參與到實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價。結(jié)合冶金專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案設(shè)計等；個人考核包括：實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施細(xì)節(jié)，個人實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)的最終成績就不是由實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，提倡學(xué)生發(fā)表論文，或者在班級進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(biāo)。通過完善冶金實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)識，結(jié)合虛擬仿真教學(xué)、企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不斷提高學(xué)生實(shí)踐能力及運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題能力。把理論知識轉(zhuǎn)化為具體工程實(shí)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。