地方高校金屬材料加工學科發展思考與改革模式探索

秦芳誠 亓海全 韋莉莉 劉崇宇 李義兵

摘? 要：分析了具有工科特色的地方高校金屬材料加工學科的發展現狀，對學科現有人才培養模式、課程設置和教學模式進行了思考，存在產教融合不良、工程能力差及實踐教學無實效等問題，提出了探索學科發展模式改革的思路，結合區域特色利用校企合作-協同育人平臺、混合式教學模式和虛擬仿真實訓平臺培養復合型人才，并推動地方高校金屬材料加工學科建設的發展。

關鍵詞：金屬材料加工;學科發展;改革;混合式教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）08-0129-04

Abstract： The development situation in metallic materials processing subject in local colleges is analyzed. The current talenttraining mode， curriculum provision and teaching mode are thought in detail， and the poor integration of production and teaching， poor engineering capability and ineffectiveness in practical are found. The ideas of reformation on development mode of subject are proposed. Combined with regional characteristics， the inter-disciplinary talent will be trained by utilizing school-enterprise cooperation-collaborative， hybrid teaching mode and Virtual simulation training platform. The development of metallic materials processingsubject in local collegeswill be promoted.

Keywords： metallic materials processing; subject development; reform; hybrid teaching

隨著我國由“制造大國”向“制造強國”的戰略轉移，傳統產業的轉型升級以及各類新興產業的誕生和崛起，傳統工科的專業定位和人才培養模式已經逐漸無法適應新技術、新產業等新經濟形勢的發展及對人才的能力需求，如產教脫節、施教形式單一、教師工程能力差以及實踐教學無實效等[1-2]。2017年教育部高等教育司明確指出了深化工程教育改革、建設工程教育強國對服務和支撐我國經濟轉型升級具有重大戰略意義，要求在國家推動創新驅動發展、“中國制造2025”等國家經濟規劃背景下，圍繞新技術、新產業和對傳統產業升級改造等新業態對工程技術人才的知識和能力需求，加快開展工程教育改革創新，推進“新工科”的建設和發展[3-5]。截至目前，我國工程教育認證已走過了10來年，取得了諸多有益成效，各高等工科院校也進入新的發展階段。在工程教育專業認證的國際大背景下，從專業認證“以學生為中心”的核心理念出發，參加工程教育專業認證是實現我國工程教育、技術人才與國際接軌的必然要求，尤其是對桂林理工大學等地方高校以基礎理論和工程實驗緊密結合的金屬材料加工學科而言，工程教育與實踐是培養創新型人才的重要舉措[6]。

一、學科發展現狀

桂林理工大學作為具備鮮明工科特色的地方高等院校，近年來以工科專業認證為導向，對本學科學生的畢業要求的指標點、支撐課程和課程權重進行了詳細討論分析，結合課堂教學與實驗教學現狀與效果，開展了課程教學體系改革的初步嘗試。通過加強教學資源的硬件和軟件建設實現共融、開放、共享，加強校內實踐教學與工廠生產實踐的緊密結合，達到以學生培養為主體，發揮學生的主觀能動性和提高學生的工程實踐和創新能力的目的[6]。對校企合作-協同育人機制和實踐模式的探索已經開展了大量的工作，但作為教學一線單位且屬于發展多年的傳統學科，金屬材料加工學科對國家的基礎建設、重大裝備等各行業各領域起到了不可替代的支柱作用，伴隨著相關產業的快速發展取得了很大的進步，但卻造成了近乎固化的人才培養模式。例如，實驗室設備陳舊，實驗室空間有限，臺套數相對偏少，目前每節課為15人/批次，進而無形中限制了學生實操能力;缺少引領科技前沿的國內外材料制備和特種鑄造、鍛造以及焊接成形方法，并且依附于理論教學的基礎型實驗較多，不能更好的開拓學生的眼界，計算機數值模擬技術在金屬材料熱處理、塑性加工、攪拌摩擦焊接、模具拆裝等實驗中的融入偏少;大三學生的認知實習和大四學生的生產實習一般都是走馬觀花的形式，不能接觸到一線生產的實際工藝流程，并真正參與到工程實踐中，嚴重缺乏對實踐能力和創新能力的培養。為此，2017年廣西教育廳在區內34所高校“新工科”聯盟大會上指出應從“堅持問題導向、堅持特色立校和堅持協同育人”三個方面加快推動學科建設，致力于培養適應“新產業、新技術”發展的具有深厚工程能力的技術人才，致力于為廣西經濟轉型，尤其是有色金屬產業“二次創業”提供人才支撐。

二、學科發展思考

學科定位方面，我校金屬材料加工學科著眼于廣西工業發展“九張名片”之有色金屬高性能材料的目標定位，大力培養有色金屬行業工程技術人才，積極開展鋁合金、鈦合金、鎂合金等有色金屬材料及其零部件加工技術的研發，從金屬材料成分設計、組織、工藝和力學性能這一主線出發，圍繞合金冶煉、鑄造成形、塑性成形、焊接成形等工藝重點展開，同時引入新材料、新工藝方法和現代測試技術與金屬材料加工專業結合，將在校課堂教學和實踐教學劃分為基礎層面、綜合層面和創新層面等，相應的開展了金屬材料加工基礎性實驗、綜合性實驗和創新性實驗，但仍存在著工程能力不足、產業和行業市場不清、產品工藝流程不熟以及發現和解決技術問題能力不強等問題。隨著新裝備、大工程對金屬材料加工的新發展要求，如新型合金、高純金屬、極端環境用金屬材料加工及其零部件成形等[7]，以及考慮到環境和成本，針對傳統人才培養模式的弊端，通過調研金屬材料加工在新產業發展與傳統產業升級改造過程中存在的“產業需求”，進一步找準學科人才培養定位，通過人才引進、課程設置優化（含主干課程設計和研究型教學模式構建）、實踐教學實驗室改造建設、學科競賽以及校企產學研合作機制等多方位努力修訂培養方案和目標，契合新業態經濟對專業人才的要求，切實解決“產教融合不良、工程能力差以及實踐教學無實效”等專業發展中的突出問題[8]。以工程教育認證為契機，要達到工科專業認證的標準，必須進一步改進和完善本學科的理論教學與實驗教學體系。

學科人才培養與教學模式方面，金屬材料加工學科的學生培養主要以自主學習為主，經過長時間探索，針對不同高校、不同學科特征的培養模式分析，構建了具有4個層次的混合式學習與教學模式，即：線上與線下的混合、基于學習目標的混合、“學”與“習”的混合、學習與工作的混合[2，9]。在學生學習方面，主要表現為課堂授課學習與理解，課后消化吸收、總結反思;根據每一節課的課堂任務目前要求，貫穿課堂和課后始終;課堂授課吸收與課后習題訓練，以及在校教學環節實踐;將課堂理論學習應用到大四學年的生產實習中，要體現理論與實踐工作的結合。從學科實踐方面而言，混合式模式基礎研究總體比較薄弱，偏重定義、特征與意義價值的界定，但近年來其發展呈多元化、專業化發展趨勢，體現在工廠實踐與設計中出現許多適應于產業轉型發展的工藝流程與裝備，學生在實踐過程中要注重對課堂理論知識的運用與反思，甚至對原有理論知識的更新。教師教學模式、專業發展等方面的重要性也逐漸加大，對學習模式與教學模式構建以及教學環節融入的課程設計研究較多，但有關課堂教學模式實效性的內容相對偏少，由此在新工科發展背景下應用混合式學習與教學模式進行金屬材料加工學科與課程改革也逐漸得到重視。

三、改革模式探索

（一）改革的重點

我校材料科學與工程學科是區內開設最早，且為唯一博士授權點學科，金屬材料加工學科符合國家、自治區教育政策與產業特色方向，符合廣西有色金屬加工的行業特色需求，具有實踐教學理論指導性，其改革成果具有可實施性。以“產業需求和問題導向”為依據，全面梳理和調研當前金屬材料加工新產業和升級改造中的傳統金屬加工產業，對國內一流金屬材料加工學科院校的教學與實踐模式進行分析，統計有色金屬企業、鋼鐵企業及下游產業的市場、人才及能力需求和生產技術問題，通過教師企業兼職、課題合作等形式在切實提高教師工程教育能力的同時力求提高區內產業轉型發展與高校教學內容、模式的深度融合。此外，利用校企合作，認知和生產實習環節的育人平臺對實踐教學進行改革以進一步提高學生的工程能力。最后在產教融合度加強、教師能力提升、實踐教學質量提高以及產業技術問題解決的綜合基礎上確立專業發展戰略定位，進行系統、有條理地修訂金屬材料加工學科的人才培養方案，契合廣西產業轉型和二次產業的發展方向，增強學生的理論學習與實操能力[10]，最終實現金屬材料加工學科改革升級。

（二）改革的方法

分析新工科建設背景下國內一流高校金屬材料加工學科教學體系的特點，對課程教學大綱、教案和人才知識結構培養特點進行重組與優化，提出面向新工科建設的教學模式，開創面向廣西有色金屬加工行業特色的地方高校金屬材料加工課程教學模式創新與實踐的新思路。通過認真學習“工程教育專業認證”和“新工科”對金屬材料學科學生能力培養的要求，修訂學科人才培養計劃與方案，以符合“新工科”的發展和專業認證要求等問題，提高學生專業基礎和工程實踐能力[11];參考教育部材料類教學指導委員會主辦的金相大賽和機械工程大學生熱處理創新創業大賽相關單位的基礎實驗室配置，重新設計和建設基礎實驗室，預計成效包括提高實驗室利用效率，增設相關教學實驗裝備，具備每節課8-10人/批次實踐與培訓能力;研究型教學依托“產業需求”或“企業技術問題”開展，針對實踐教學質量差、學生被動實習等問題，積極調研與金屬加工學科相關的高端、大型企業，爭取建立產學研合作關系，完成“產業需求”調研報告，提高學生對專業的認可度;另外，利用已有冶金&金屬加工虛擬仿真實訓平臺將數值模擬技術與先進金屬材料加工工藝結合起來，如基于發動機缸蓋鑄造成形的虛擬仿真、基于高鐵車輪鍛造成形的虛擬仿真、基于汽車覆蓋件沖壓成形的虛擬仿真和基于機器人焊接的虛擬仿真，參加國家、省部級主辦的合金冶煉與連鑄連軋等專業大賽，提高學生專業與實操技能[12-13]。

（三）課程模式改革的舉措

開展面向新工科建設金屬材料加工學科主干課程的混合式教學改革與實踐，如《金屬熱處理原理與工藝》《材料成形工藝學》《材料制備技術》和《有色金屬加工》等，在現有混合式學習與教學模式基礎上能夠統籌任務型教學[14]，有效促進課程及教學的改革，克服以往學習的弊端。在理論課程教學環節，摒棄書本、PPT和板書教學方法，融入實例動畫、工業現場生產視頻，在某一小節中以綜合實例為著力點，把本節理論知識融合連貫起來，讓學生形成系統性記憶，同時能夠反思其中的精髓與奧秘。創新性地提出程序設計、數值仿真為材料加工成形過程服務的理念，同時也對高校金屬材料加工學科的人才培養提出了更高的要求，明確了金屬材料加工學科的學生應掌握的建模仿真、計算機實操和程序設計等培養要求，解決當前學科培養模式中存在的“教”與“學”脫節、“考”與“用”脫節的現象[2]。

將在國內一流金屬材料加工學科類院校多年教學實踐經驗的基礎上，結合計算機信息技術科學與金屬成形加工教學、科研的特點，深入分析程序編程設計在金屬材料加工中應用的關鍵技術，針對性的設計和開展適應金屬材料加工學科本科生的相關教學項目與試驗項目，加大本學科大學生建模與仿真計算機知識的深入掌握程度。在課程教學內容上融合有色金屬加工專業課、計算機編程設計和數值仿真技術，通過學習程序設計基礎、數值模擬應用課程來培養學生對現有金屬加工課程專業課知識，主要包括如軋制加工、擠壓加工、拉拔加工和鍛造與沖壓加工等成形方法（圖1），以及計算機技術和軟件的運用和操作能力，體現信息化對金屬材料加工學科的促進與引領[2]。結合數值仿真技術、Abaqus有限元仿真平臺（圖2）、UG建模軟件、Origin數據綜合處理等常用金屬材料加工過程軟件技術，了解計算機信息技術在金屬材料加工中的地位與應用[2]。對金屬加工課程領域典型金屬材料構件加工科研與實驗進行預先分析與模擬[15]，如鋁合金板材、棒材、型材、線材等，通過數值模擬演示高鐵、汽車等行業關鍵復雜零/構件（如汽車轉向節、高鐵輪軸）的鑄造、鍛造或焊接成形過程，使學生了解所用成形設備的工作原理、幾何構造和工藝參數制定原則和操作步驟，同時深刻的理解鑄造模具、鍛造模具結構的設計要點及其各部件作用，加深了對教學內容串聯與運用，據此指導和開展金屬材料加工課程拓展性綜合實驗設計，學生可以很好的掌握課程相關專業知識的運用，自主完成有色金屬材料加工過程工藝參數計算與數值模擬優化設計，掌握程序開發與設計能力，形成嚴謹的邏輯思維推理能力和實踐技能，培養出既掌握扎實的金屬材料工程專業知識，又具備豐富的計算機應用領域知識的專業人才。

通過這些創新教學與學習體系的改革模式探索，可以改善傳統單一學科教學體系的不足，有效培養金屬材料加工學科學生計算機實用技能、程序設計、數值仿真與理論專業知識運用能力，使學生能夠明確學習方向、掌握學習方法、激發創新能力，積極展現自我，從而推動金屬材料加工學科的發展和進步[2]。將有利于培養學生具有以金屬材料加工和信息化技術為核心能力，同時具備以下能力：金屬材料加工學科方向有色金屬加工案例的綜合處理能力，如應用于人行天橋的廣西南南鋁業集團的板材和型材、應用于鋁土礦加工的中國鋁業公司（平果）的棒磨機襯板等[2]，數值仿真統計與數據分析能力，基于建模的多媒體處理能力，有色金屬加工研究相關程序設計與科研項目開發能力，模擬信息化系統應用基礎能力等，從而進一步提高金屬材料加工學科的發展能力與速度，重點為區內具有有色金屬行業特色的企業、院所輸送一流人才。

四、結束語

“制造強國”背景下對諸如金屬材料加工學科的人才培養、教學內容與教學體系模式等提出了更高要求和挑戰，以適應實踐自主型、創新型、復合型人才的培養目標。通過分析了我校具有地方高校工科特色的金屬材料加工學科的發展現狀，對學科現有人才培養模式、課程設置和教學模式進行了思考，存在產教融合不良、工程能力差及實踐教學無實效等問題，提出了探索學科發展模式改革的思路，結合區域特色利用校企合作-協同育人平臺、混合式教學模式和虛擬仿真實訓平臺培養復合型人才，可以推動地方高校金屬材料加工學科建設的發展。

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