專業方向融合背景下實驗教學改革的思考
——以材料成型及控制工程專業為例

夏興川，丁 儉，湯 穎

（河北工業大學 材料科學與工程學院，天津 300401）

實驗教學作為實踐能力培養的重要環節，是高等教育創新體系中的重要組成部分，在培養工科學生專業水平、提高學生綜合素質、塑造學生理論聯系實際的品格、培養學生的創新精神與分析解決問題的能力等方面都有著理論教學不可替代的作用［1-2］。從工程教育專業認證到“卓越工程師教育培養計劃”，再到積極建設新工科，學生實踐創新能力的培養已成為新時代工科專業教育的共識［3-4］。材料成型及控制工程專業屬于我校傳統的優勢專業，始于1958年河北工學院復建時的鑄造專業方向（液態成型），隨著社會的發展逐漸形成了焊接專業方向（材料連接）和模具專業方向（模具設計與制造）。經過60多年的發展，針對三個專業方向的培養目標形成了各自獨立的實驗教學體系。近年來，在綜合考慮社會發展、人才培養模式和工程教育認證需求的基礎上，通過組織畢業生調研、企業走訪和教育教學論壇等，綜合考慮了專業發展趨勢、企業專家和教指委專家意見，確定從2021級本科生開始實行大成型的培養模式（即實現液態成型、模具設計與制造和材料連接的融合）［5］。在此背景下，必然需要根據新的本科生培養目標改進實驗教學模式、變更實驗教學內容，進而實現實驗教學體系的改革［6］。本文結合我校材料成型及控制工程專業方向實驗教學課程設置情況，分析了現有實驗教學開展的特點。在此基礎上，提出專業方向融合背景下實驗教學的改進思路，以期提升本專業的實驗教學水平，培養更多具有創新意識的應用型工程技術人才。

一、專業方向實驗教學情況

（一）課程設置情況

材料成型及控制工程專業實驗課程由基礎課程實驗（包括“電工與電子技術”“物理化學”“普通化學”“工程力學”“液壓與氣壓傳動”“金工實習”等）、專業基礎課實驗（包括“金屬學與熱處理A/B實驗”“材料力學性能”“材料分析測試方法”“金屬工藝學”等）和專業方向課程實驗組成。其中專業方向實驗課包括：“材料成型基礎A/B/C”“鑄造合金及熔煉”（材料焊接性、焊接結構）“鑄造工藝學”（沖壓工藝及設備、模具制造工藝及設備）“鑄造裝備及原理”（材料連接工藝及設備、弧焊電源）“鑄造工藝學綜合實驗”（模具制造綜合實驗、模具設計綜合實驗、焊接工藝制定及評定綜合實驗）“鑄造合金綜合實驗”（模具材料綜合實驗、焊接材料設計及質量檢驗綜合實驗）等。基礎課程實驗和專業基礎課程實驗對三個專業方向不做區分，而專業課程實驗則根據不同專業方向的培養目標設置了完全獨立的實驗課程體系，不同專業方向之間的關聯性較小。部分專業基礎課實驗和專業方向課程內容存在交叉現象，且實驗內容設置繁雜，工作量大，學生在完成理論課學習的同時還要參加大量的實驗課程，致使很多學生只重實驗結果，不重過程，實踐能力提升緩慢。

（二）實驗教學指導人員情況

長期以來，分方向開展理論授課和實驗教學的方式，導致專任教師（兼任實驗課指導教師）和實驗輔助人員更多的是關注各自承擔專業方向的最新實驗技術、實驗原理和評價方法等，對其他方向的理論和實驗技術的發展關注較少。多年來，專業基礎課與專業方向實驗課教學內容基本固定不變，實驗教學內容更新較少且以驗證性和認識性實驗為主，導致實驗教學指導人員學習新知識、新設備并利用先進儀器（設備）開展實驗教學改革的積極性不高，許多先進設備功能開發不夠充分。同時，實驗教學的開設時間不確定，隨機性較大，通常需要根據理論教學的進展安排實驗教學任務（多數安排在晚上或者周末），導致各個專業方向的實驗教學指導人員之間交流較少，這為專業方向融合背景下實驗教學工作的開展帶來了巨大挑戰。

（三）實驗教學儀器（設備）情況

受專業方向培養目標不同的影響，各專業方向實驗教學所用儀器（設備）專業化程度非常高，以材料連接專業方向為例，主要教學儀器（設備）有手工電弧焊機、埋弧焊機、點焊機、氬弧焊機、電阻焊機、攪拌摩擦焊機、閃光對焊機等。而液態成型專業方向主要教學設備有中頻爐、井式爐、箱式電阻爐、混砂機、落砂機、渦洗式洗砂機、型砂強度測試儀、紅外干燥儀以及輔助配件等，可見各專業方向的主要實驗教學儀器（設備）能夠交叉使用的設備較少，這不利于專業方向融合后實驗教學的開展。并且，各專業方向教學設備普遍存在使用年限長和維修不到位等問題，導致實驗結果誤差較大，學生對專業的認可度降低。

二、專業融合實驗教學改革思路

在實驗課內容復雜且實驗指導教師、輔助人員和實驗儀器（設備）專業方向化程度較高的前提下，如何順利實現實驗教學過程的有機融合，是提升材料成型及控制工程專業本科畢業生實踐能力和綜合素質的前提。而實驗教學受教學理念、教學方法、指導教師與輔助人員水平、實驗設備管理等因素的綜合影響［7］。針對以上實驗教學過程中存在的問題，實驗指導教師及輔助人員要樹立以學生為本的實驗教學觀念，構建有利于培養學生實踐創新能力的實驗教學體系，建設滿足專業發展需求的高素質實驗教學隊伍，同時建設實驗儀器（設備）先進、共享程度高和服務質量好的實驗室環境［8］。

（一）構建大成型教學理念

以工程教育認證為契機，系統梳理液態成型、模具設計與制造、材料連接專業方向原有的理論和實驗教學內容，聚焦高端裝備制造和汽車行業發展需求，從材料成型及控制工程專業（大成型）的角度對教學內容進行提煉，尋找它們之間的知識結合點。全力打造以學生未來發展為目標的培養理念，系統開展由理論課教師、實驗指導教師、實驗輔助人員和實驗室管理人員為主體的教學研討，建立緊密結合的大成型實驗教學課程組，提升課程組成員對材料成型及控制工程專業未來融合、建設和發展的整體認識，從理論與實驗教學指導教師開始，統一思想認識，強化融合觀念。在此基礎上，對各專業方向原有的實驗內容、實驗流程和實驗設備進行分析、凝練與優化，尋求它們之間的結合點，進而改進實驗教學方法，摒棄專業方向在實驗教學過程中的影響，建立理論教學、實驗設計與操作、實驗過程與結果評價統籌考慮的大成型教學理念。

（二）改進實驗教學方法

由上文可知，按專業方向開展實驗教學過程中，專業基礎課實驗和專業課實驗存在實驗內容部分交叉和實驗工作量大的情況，并且各專業方向實驗內容（特別是專業課實驗）的專業性較高，交叉融合的難度較大，不利于大成型教學理念的推廣。在目前更注重能力培養的工科生培養過程中，結合材料成型及控制工程專業未來的發展目標，在實驗教學過程中充分發揮綜合實驗課程的優勢，合并有交叉內容的專業基礎課實驗和專業課實驗，依據大成型的培養目標，推動實驗課程內容的融合并強化實驗過程考核。提出以評價樣件整體性能代替原有的評價零部件組織與性能的考核方式：將模具設計與制造的專業知識融入零部件的成型工藝，按零部件成型工藝的不同提出不同的考核要求，比如對于需要液態成型的零部件，可以綜合考慮其致密度、工藝出品率、關鍵部位的微觀組織和力學性能要求等，這就需要學生掌握零部件的模具結構設計和液態成型理論與工藝方面的知識，并進行實際應用。而對于液態成型零部件的連接過程，則需要學生掌握黑色金屬或有色金屬材料的連接理論和連接工藝方面的專業知識與技能。在階段性考核的基礎上，最終通過評價樣件的整體結構與性能考查學生對實驗原理、內容、技能和設備的掌握程度，進而提出改進措施。改進后的實驗課程內容、操作、考核與評價方法對實驗指導教師和輔助人員的專業知識和實驗技術能力提出了更高的要求，要求他們必須熟練掌握不同零部件及樣件的成型工藝特點，而樣件的選擇至關重要，需要涉及未來材料成型及控制工程專業所需的多種成型方法與考核內容，這對于推進專業方向融合至關重要。

（三）實驗指導人員能力提升

材料成型及控制工程專業的實驗指導人員既要具備充足的成型專業理論知識，又需要具有一定的成型專業技能。在成立實驗教學課程組的基礎上，鼓勵并強化實驗指導人員與高端裝備制造和汽車企業之間的技術交流，充分了解材料成型及控制工程專業的發展現狀與趨勢，明確未來產業發展對專業的要求，不斷提升對專業發展的認識，積極拓寬實驗指導人員的知識面，努力尋找在實驗教學內容設置、考評方式等方面存在的不足，推進面向實際應用的實驗教學改革。以年終績效學時分配和評優評獎為杠桿，調動實驗教學指導人員開展創新性的綜合實驗課程改革。在條件允許的情況下，引進具有相關工程技術背景的師資負責綜合實驗課程教學，提高實驗教學水平。同時，完善綜合實驗教學考核及成績評定辦法，建立分組開展與分組考核的教學模式，各組分配不同的樣件與考核要求，加強實驗過程考核，重點考查學生在調研、資料收集與整理、實驗方案設計合理性、實驗操作、實驗結果分析準確性和團隊合作等方面的能力，客觀真實地評定學生的實驗成績。

（四）實驗設備（儀器）梳理與優化

根據材料成型及控制工程專業的特點，開展綜合實驗需要使用較多的實驗設備（儀器），可以說實驗設備（儀器）是綜合實驗能夠順利實施的基礎，同時“材料成型裝備”也是本專業的核心課程。為保證綜合實驗課程的實施效果，在提出樣件結構、組織和性能的評價方式之前，需要充分了解現有實驗設備（儀器）是否能夠充分保證實驗的開展。多數高校對本科教學實驗儀器（設備）的日常管理、維護和更新重視程度不夠，存在設備老化和精確度不夠等問題。且不同專業方向之間實驗教學設備的共享程度較低，資源整合難度較大。為了更好地開展專業方向融合背景下的實驗教學，首先需要對各專業方向現有的實驗設備（儀器）進行統計、分析，系統分析不同專業方向設備的功能、使用要求、工藝參數等。同時，緊密結合學院教學實驗中心平臺設備的開放使用與更新情況，在此基礎上實驗教學課程組充分討論綜合實驗的內容設置、開展可行性以及可能遇到的問題，并與學院、學校溝通，補充必要設備（儀器）并優化使用流程，建立面向本科教學實驗完全開放的實驗設備（儀器）平臺，保證綜合實驗教學的順利開展。

三、專業方向融合實驗教學實施效果

為更好地推進專業方向融合背景下的實驗教學改革，2018年在材料科學與工程學院“青年教師助力本科生創新能力提升計劃”的支持下，根據青年教師和本科生的專業方向及個人興趣，材料成型及控制工程系組建了一支由液態成型（4人）、模具設計與制造（3人）、材料連接（4人）等專業方向的本科生構成的科技興趣小組，探索專業方向融合背景下的實驗教學改革方法，為未來大成型實驗教學改革提供思路。學院為科技興趣小組組建了實驗指導教師團隊（液態成型、模具設計與制造、材料連接和實驗室管理人員各1人）。在綜合考慮小組成員專業基礎知識和學院教學實驗中心實驗平臺設備（儀器）的基礎上，確定在2019—2021年開展“泡沫鋁管材異形件成型技術開發”方面的探索。綜合實驗開始前，指導教師團隊設計了異形件的結構、成型方式（包括液態成型、熔焊）、零件和樣件的組織與性能要求以及分階段考核的具體目標（比如零件的尺寸、外壁晶粒度、硬度等）。小組成員在課余時間根據零件和樣件的結構、組織與性能要求，分別設計零件液態成型所需的模具及加工方法、熔煉溫度、澆鑄溫度、模具溫度和保溫時間等。在此基礎上，綜合考慮不同零件和樣件的整體結構，設計所需的熔焊工藝及所用的設備。最終通過開展實驗設計、零件制備、樣件成型和性能測試與分析等工作，達到實驗目的。通過召開經驗總結會，與往屆生、企業專家座談，發現興趣小組的學生對材料成型及控制工程專業的認識與往屆畢業生有較大的不同，他們對金屬材料的成型機理和樣件制備工藝及性能評價有了更深刻的理解，對專業的認可度大幅提升。同時，實驗指導教師對材料成型專業的認識和未來發展也有了進一步提高。實驗使用了原來液態成型、模具設計與制造、材料連接和教學實驗中心的實驗設備（儀器），實驗開展過程建立了行之有效的設備（儀器）溝通、使用和管理流程，為未來材料成型及控制工程專業實驗教學改革過程中的實驗設備（儀器）的梳理與優化奠定了良好的基礎。

結語

基于現有專業方向實驗教學開展現狀，分析了專業方向融合背景下材料成型及控制工程專業實驗教學改革的思路，并通過組織不同專業方向本科生科技興趣小組開展了探索研究，研究結果表明改革思路基本合理：要提升大成型背景下學生理論聯系實際的能力，首先要求實驗指導教師要強化對專業方向融合的認識并提升自身能力，從專業發展角度提出綜合實驗的具體考核內容和評價標準。在此基礎上，進一步加強實驗平臺建設，優化實驗教學設備（儀器）配置，激發學生的求學欲望，提升其工程實踐能力和創新精神，為材料成型及控制工程專業學生的專業課學習打下堅實的基礎。