基于創新實踐能力培養的實驗教學改革與探究

何成剛　李鵬　劉吉華　李永健　徐志彪

［摘 要］ 地方高等學校應用型與創新型人才的培養離不開創新創業教育改革。文章針對當前機械工程材料及成形技術課程實驗教學過程中工程應用實踐性體現不充分的問題，提出在理論教學的基礎上，將創新創業能力培養融入專業學科知識學習，注重實驗課程建設與改革。通過開展創新創業能力培養實驗教學課程改革，既增強了學生獨立自主解決實際工程問題的能力，又顯著提高了學生在實驗實踐教學活動中的動手能力。

［關鍵詞］機械工程材料及成形技術；創新能力培養；綜合性實驗；教學改革；評價體系

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0059-04

高等教育和素質教育的核心——創新能力培養，是促進科技事業發展的基石。自“雙創”提出以來，社會各界對創新創業精神的重視程度日益提高，創新創業活動日益成為創新驅動發展、轉變經濟增長方式等的重要推動力量[1]。因此，各高校在教學上要積極尋求適合自己辦學特點、注重應用型人才培養的教學方式。通過對課程中的教學內容、教學實施環節、教授方法等進行持續改革，不斷提高教學水平。

機械工程材料及成形技術是高水平理工科大學建設高校——五邑大學機械類與軌道交通車輛工程專業的必修技術基礎課，旨在闡述常用工程材料的基礎理論，介紹其化學成分、加工過程、微觀組織、結構與性能等知識，使學生在學習課程后能掌握包括選材、毛坯件制造、零件加工、熱處理及部件裝配等涉及工業產品生產的全部知識技能，并運用到強調學科理論性與應用實踐性雙重特點的工程實踐中去[2-3]。從工程實踐的角度來看，本課程所涵蓋的內容是生產制造的核心部分。因此，在培養學生機械設計制造和軌道交通車輛工程專業技能方面，這門課程是必不可少的。

一、機械工程材料及成形技術實驗教學中存在的主要問題分析

目前，機械工程材料及成形技術課程在教學實踐中進一步強調理論課程學習與實踐訓練環節相互統一融合的重要性。通過不斷的實踐探索、總結、積累，課程在學生綜合實踐能力的培養上取得了一定的進步，但仍然存在著一些問題。

第一，雖然知曉生產企業對本專業人才的技能需求，但課程沒有對專業能力培養的具體目標進行分層次細化，這就影響了課程理論教學和實驗教學環節的合理設計，使實踐能力訓練既不能充分發揮學生的自主性和創造性，也不能有效地融合課程教學和能力培養。

第二，實驗教學的內容相對比較陳舊、方式與方法比較單一，主要是分散的小實驗，如顯微鏡的結構、原理、使用方法等內容的學習，鐵碳合金平衡態下組織的觀察分析，熱處理操作和碳鋼硬度檢測等長期固定的實驗內容，且以材料學知識為主，缺乏與成形工藝有關的實驗教學內容[4]。學生在實驗教學過程中缺乏與現代人才培養模式相適應的自主學習機會和空間，教學內容也未能起到提升學生動手能力、分析與解決問題能力、創新素質的作用。

第三，材料成形這部分內容中的鑄造、鍛壓、焊接等三大成形工藝需要學生熟練掌握[5]，每一種成形工藝技術都具有其特性，適用范圍也很廣。材料成形設備通常是大型設備，使用和操作難度較大，材料成形技術實驗的發展受到制約，導致學生對成形工藝過程的掌握還不夠全面，還達不到應用型人才的培養要求。

因此，學生缺乏開展材料成形技術實驗的實際經驗，缺少對本課程中工程材料的選擇、與其他專業課程如機械設計的相互聯系等的具象感知。學生如果不能系統掌握從選材到工藝設計的整個加工過程，就不能很好地獲取橫向聯系的能力，也不能很好地解決課程中有關的綜合工程問題。為切實提高人才培養的質量，實驗教學改革建設必須加大力度。通過綜合實驗和拓展性實驗加強學生的動手操作能力，將抽象的理論與生動活潑的實踐教學相結合，使學生在不感到理論學習枯燥無味的情況下，了解這些理論的作用。為了更好地發揮實驗教學的實用性，本課程計劃從教學的目標、教學的方式方法、課程的內容、教學實施過程、考核評價手段等方面開展創新能力教學改革，將教學內容進行整合優化，并與工程實踐項目相結合，以解決實際問題為目標，探索創新的教學方法和教學手段，構建系統的教學體系，使學習目標在教學實施過程中更加明確、清晰。

高等學校培養學生創新能力的主要途徑就是開展理論與實驗實踐教學，其中，實驗實踐教學是培養學生創新能力的重要方式?？梢哉f，創新創業實踐教學是適應教學改革的需要，也是培養學生創新能力的需要。五邑大學高水平理工科建設的目標之一是培養具有創新服務意識和實踐能力的工程技術人才。為此，課程組以創新的思維轉變教學理念、以創新的內容和手段改革實驗教學，致力于解決機械工程材料及成形技術實驗教學環節的設計難題，構建創新的實驗教學模式。經過認真分析后，課程組開展了涉及教案、實驗內容、教學方法等多個方面的教學改革研討，提出了包括基礎性實驗、綜合性實驗、課外拓展性實驗在內的多層次實踐教學模式改革思路（見圖1）。這種模式對學生在理論基礎知識、綜合應用能力、創新能力等方面的發展，都有不同程度的幫助。

二、結合生產實際修訂課程大綱和實驗實踐教學大綱

以企業需求為出發點，機械工程材料及成形技術課程大綱和實驗實踐教學大綱的基本內容應能體現企業崗位對人才基本技能與能力的需求。軌道交通車輛工程專業培養方案的能力與素質大綱是以企業對本專業人才能力需求為導向，兼顧后續專業課程培養方案而制訂的。課程組根據機械工程材料及成形技術課程的實際情況，細化能力和素養需求，提煉出與交通工程裝備制造、車輛維修相關聯的能力和素養，進而結合生產實際，對相應的課程大綱及實驗實踐教學大綱進行修訂（見圖2）。

課程組以滿足學生實際能力培養要求和企業對專業人才的需求為根本，采用創新性教學方法，實現實驗教學目標。讓學生自主思考、查找相關資料，以小組討論的方式完成設計任務，培養學生的工程實踐能力和職業技能。針對一般工業產品生產主線中的內容，教師可要求學生在實驗項目過程中自主學習、自主完成，使其具備能夠合理應用選材、選擇熱處理工藝、制定工藝路線、選擇成型工藝和設計工藝規程的能力。

三、課程實驗改革的具體做法

設置以能力為先導的多層次實踐實訓鍛煉環節，與理論教學內容相結合，加強相關能力的針對性訓練。課程教學實施方法上既要注重理論知識學習，又要強調實踐鍛煉，為增強學生動手和處理突發事件的能力，課程組設計了多層次實驗實踐教學環節（見圖3）。

（一）基礎性實驗教學模塊

該模塊涵蓋熟悉光學顯微鏡結構及其使用、制備金相試樣、觀察鐵碳合金平衡態組織和硬度測定等內容[6]，通過特定的課堂設計，可以將獨立的單項驗證性實驗有機地融合在一起，使其成為具有創新性實驗效果的實驗課。授課教師提前備好需要的不同成分鐵碳合金平衡態組織的試樣（見表1），每個學生選取一份試樣，并標注好自己的名字，隨后開展制備金相試樣實驗；然后利用自己制好的金相試樣作為樣本，在后續的實驗課程中學習使用光學顯微鏡；最后觀察自己的金相試樣的平衡態組織，并對其硬度進行測定。不同學生間可以對觀察結果進行交流、探討，分析不同成分的鐵碳合金平衡組織和性能的區別。

（二）綜合性實驗教學模塊

材料成形技術綜合實驗課程改革方案是為在有限的實驗教學條件下開展理論成形工藝設計和仿真試驗分析、豐富教學內容、節約資源而制訂的。成形工藝過程仿真模擬旨在讓學生在工程材料成形工藝過程中掌握選材與成形工藝的選擇、設計與執行技術。學生在選材和確定成形工藝的同時，還需要按照實驗任務書和實驗指導書開展成形工藝的理論設計工作。具體就是根據零件的形狀和大小、技術要求繪制成形工藝圖，完成相應的工藝設計；隨后按成形工藝圖再對坯料的外形、尺寸進行計算，并完成成形工序的確定、成形設備的選定、成形參數的確定等工作（見圖4）。完成成形工藝設計后，通過成形工藝仿真軟件進行模擬驗證：首先，在仿真軟件中選擇所需要的成形工藝技術和成形模具種類；其次，建立毛坯和模具的三維模型圖并導入成形工藝仿真軟件中；最后，按順序在軟件中設置成形工藝參數、建立有限元模型、設定成形過程的工序，隨后開展分析和求解（見圖5）。鑄造成形仿真模擬軟件有Anycasting、Procasting和華鑄CAE，金屬塑性成形和焊接成形仿真模擬軟件有Simufact、Forming和Forge等，這些軟件能夠對常見金屬材料的成形工藝過程進行精確的模擬和質量預測，并且能夠對成形缺陷進行分析。

（三）拓展性實驗教學模塊

拓展性實驗模塊的教學內容安排，主要是針對工作現場的實際問題進行改進和優化。帶領學生進入企業深入了解實際生產過程中遇到的問題，并針對這些問題采取共同指導、立項或完善的辦法進行解決。實際應用中的工程材料所具有的優異性能大多是通過合理的熱處理工藝來獲取的。熱處理工藝是利用鋼在固態范圍內的加熱、保溫和冷卻，使其內部組織發生改變從而獲得所需物理性能、化學性能、機械性能和工藝性能的一種操作，其最重要的三個基本工藝要素是加熱溫度、保溫時間、冷卻方式，合理選用適當的加熱溫度、保溫時間和冷卻方式的工藝規范是熱處理工藝質量的基本保證。教師根據熱處理工藝曲線和材料性能要求，設定幾種不同組織的材料，讓學生根據設定的題目，運用已學的基本理論知識并參考相關資料，自主選擇其中一種進行選材，制定合理熱處理工藝規范，選用熱處理設備、冷卻媒介與方法及硬度測定設備等。隨后，讓學生根據所學內容，獨立開展熱處理操作、硬度測定、金相試樣準備、組織觀察等各項工作。鋼材熱處理工藝、組織與性能分析等方面的拓展實驗教學設計思路如圖6所示。

四、實驗教學改革考核方式

機械工程材料及成形技術是基礎性和應用性很強的課程，在建立實驗教學考核評價機制時，應堅持目標性、規范性、持續性和可操作性原則。課程組改革了傳統的評價學生學習效果的方式方法，采取過程考核評價與目標考核評價相結合的方法，把項目理論考核與實踐考核評價相結合，形成較為全面的考核評價模式，設計適應教學改革需要的多元評價體系。該評價體系根據課程目標和教學要求，綜合評價學生的知識水平和技能水平，注重培養學生獨立思考問題的能力和提高學生創新思維（見圖7）。通過綜合考慮學生的實驗過程來確定實驗課程成績，課堂出勤情況、技能目標達成情況、報告質量、實驗成品評價等都可納入考核內容。以客觀的實驗結果分析評價為重點，考核學生參與實驗項目的程度，動手能力，分析問題、解決問題、總結實驗過程的能力。

五、結語

以學生為主體，鼓勵學生自主思考、自主設計實驗項目、自主完成實驗過程，是基于創新創業能力培養的實驗教學改革的重點。從改革取得的成果看，學生參與實驗的熱情得到了充分的激發，既鍛煉了實際操作技能，又增強了對理論知識的認識和運用。通過改革，既增強了學生獨立分析、解決實際問題的能力，又對培養學生創新創業能力起到了促進作用。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 鄒利華， 李冬英， 吳海江. 面向工程能力的機械類課程教學研究：以工程材料及熱處理課程為例[J]. 創新創業理論研究與實踐， 2019， 2（3）： 64-65.

[2］ 朱利敏， 王長生， 王順興， 等. 《機械工程材料學》綜合設計性實驗教學改革與實踐[J]. 實驗室科學， 2008（1）： 49-50.

[3］ 張晴晴，許雪艷，代光輝.基于項目式教學的《機械工程材料及其成形技術》實驗教學改革與實踐[J].高教學刊，2020（18）：139-142.

[4］ 曾美琴， 陳靈， 鄒敢鋒， 等. 《機械工程材料綜合實驗課》的教學改革及實踐[J]. 北京大學學報（哲學社會科學版）， 2007（S2）： 101-103.

[5］ 張晴晴， 王玉勤， 史良馬. 基于工業應用的材料成形技術實驗教學探討[J]. 中國現代教育裝備， 2017（13）： 46-48.

[6］ 李新星， 王紅俠， 徐艷. 基于創新創業能力培養的材料科學與工程專業實踐教學改革研究[J]. 中國現代教育裝備， 2020（11）： 141-143.

［責任編輯：蘇祎穎］