材料成型及控制工程專業實踐教學改革探索

［摘 要］ 新工業革命勢必對高等教育尤其是工程教育產生變革性影響。“新工業革命4.0”背景下，工程人才培養應符合科技創新和智能時代需求，適應未來新工業挑戰。以材料成型及控制工程專業作為工程學科典型代表，探索新工業革命技術創新要素與材料成型及控制工程專業實踐教學結合點，更新符合新工業革命要求的教學內容及知識體系，在信息化、智能化和知識碎片化的時代背景下，提出材料成型及控制工程專業實踐教學改革的方式方法，包括打造實驗平臺、建立穩定的校外實習基地、促進教學環境智能化、鼓勵團隊學習法等，以期為我國高等工程教育及人才培養提供借鑒。

［關鍵詞］ 新工業革命4.0；材料成型及控制工程；生產實習；實踐課程；教學改革

［基金項目］ 2022年度吉林大學研究生教育教學改革建設項目“新工業4.0工學博士拔尖人才培養模式創新改革研究”（2022JGY059）；2022年度吉林大學研究生課程思政示范課程“金屬材料強韌化原理與技術”（2022KCSZ19）；2022年度吉林大學課程思政學科育人示范課程項目“材料成型及控制工程專業‘生產實習’D課程思政示范項目”（SK2022062）

［作者簡介］ 楊宏宇（1987—），女，遼寧阜新人，工學博士，吉林大學材料科學與工程學院研究員，博士生導師（通信作者），主要從事納米介質高效調控合金組織及強韌化研究；邱 豐（1980—），男，遼寧葫蘆島人，工學博士，吉林大學材料科學與工程學院教授，博士生導師（通信作者），主要從事納米介質、高性能結構材料微觀組織和性能的協同調控研究；舒世立（1986—），男，吉林梅河口人，工學博士，吉林大學機械與航空航天工程學院副教授，博士生導師，主要從事增材制造研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）30-0067-04 ［收稿日期］ 2023-03-28

引言

工業是人類文明的基石，工業革命是人類文明發展的現象［1］。工業革命是世界范圍內的生產與科技變革，其在推動人類文明進步的同時，勢必對高等教育尤其是工程教育產生重大變革性影響［2］。21世紀發起的全新技術革命（工業4.0），以人工智能、大數據、物聯網、3D打印、虛擬現實、生物技術、綠色能源等為典型代表的新技術，正在助推世界范圍內生產力布局的革新、社會物質生產部門人機物互聯和數字化商業模式轉型，這助推工程人才工作形式和社會需求的變化［3-4］。面對新一代技術變革，材料成型及控制工程學科技術人才的培養必須緊跟時代，適應科技創新和智能時代需求，培養復合型技術人才。

如何使教學實踐體系更適合新技術革命人才培養是教學改革的當務之急。讓學生充分了解此次新技術變革的背景、技術發展趨勢和新技術特點，通過對創新技術的了解，并與本學科技術結合，強化緊跟新技術發展的意識，使學生將來在科學研究和技術創新的同時能夠融合創新技術。將新技術發展和本學科現有技術的融合作為本學科技術發展的倍增器，為本學科高素質技術人才培養打好基礎，做好創新思想準備。本文以材料成型及控制工程專業“生產實習”課程為例，探索“新工業革命4.0”背景下實踐教學改革的方式方法，以工業革命新要求為參考，以高級工程人才更能勝任未來社會新需求為目標，開展課程內容及知識體系的升級工作。

一、“工業4.0”技術創新要素與材料成型及控制工程實踐教學結合點

“新工業革命4.0”的驅動力主要包括能源和環境問題、人類對美好生活的追求、高速發展的信息科學技術三方面［5］?！靶鹿I革命4.0”本質是信息世界與物理世界的結合，體現多領域并行、交叉推動的特點，信息科學技術和多領域科學技術深度融合?！靶鹿I革命4.0”具有“五化”特征，即科技化、全球化、互聯化、綠色化、定制化，具體表現形式是高端的技術、個性化的產品、全球化的生產、可持續發展的制造，核心是生產性服務業和制造業的全面互動及交叉融合［6］；“新工業革命4.0”技術發展趨勢是智能化，世界五大科學技術集群包括：信息技術，如移動互聯網、大數據、云計算、人工智能、機器人，核心是計算機與通信；能源技術，如太陽能、風能、非傳統油氣（頁巖油氣）、分布式智能電網、儲能，核心是綠色能源；生物技術，如轉基因、干細胞、生物醫藥，核心是基因工程和細胞工程；制造業技術，如3D增材制造、工業機器人，核心是新的制造方法；材料技術，如碳纖維、石墨烯，核心是新型材料。

材料成型及控制工程專業主要探究材料的熱加工工藝及其與熱加工相關的基礎裝備的開發與設計，通過塑性成型及熱加工等手段對材料結構、性能進行改進和重塑，將材料改變形態制成全新產品。本專業致力于培養德智體美勞全面發展的具備實踐能力和創新意識的高級工程科技人才，具備材料、機械、自動化、計算機相關基礎知識和應用能力，能夠勝任材料加工工程相關領域的科學技術研究與開發、工程設計與制造、生產組織與管理工作，適應新時代工程建設需要，同時具有強烈的家國情懷、職業道德和人文素養。材料成型及控制工程專業的實踐教學在完成理論知識學習之后，通過生產實踐，使抽象的理論知識與實際生產建立聯系，在提高學生實際操作能力的同時使其掌握科學的生產方法，從而助力于培養具有創新意識的高素質工程應用人才，對學生專業素養的提高和正確價值觀的形成具有重要意義。由此可見，“新工業革命4.0”中的“制造業技術及其核心——新制造方法”“材料技術及其核心——新型材料”“信息技術及其核心——計算機與通信”三大技術群與本專業及其實踐教學關系密切。研究這些新技術元素與本學科技術的結合點和契合點，強化緊跟新技術發展的意識，為學生將來進行科學研究和技術創新、融合創新技術提供教學知識點和關鍵內容。

二、“生產實習”課程教學內容和知識體系更新

在世界經濟結構轉型、工業生產革新重大挑戰的背景下，高等工程教育應調整教學內容和知識體系，這是培養卓越工程創新人才的重要途徑，有利于為中華民族偉大復興做出重要貢獻［7］。材料成型及控制工程專業“生產實習”課程中，傳統的教學內容主要包括液態成型、塑性成型、焊接成型三方面內容。其中，在液態成型方面，了解沖天爐、電爐熔煉合金的優點和缺點，冷芯、熱芯、手工砂芯的特點及生產工藝，各種造型設備的工作原理和型號，鑄件的生產工藝以及各種工藝裝備的生產原理。在塑性成型方面，使學生了解塑性成型的各種工藝方法（如鍛造、沖壓、模塑）、模具及工裝特點，熟悉典型零件的整個加工工藝過程，了解生產實際和工廠管理。在焊接成型方面，通過跟蹤以焊接為主要生產工藝的典型產品的生產過程，分析產品結構組成與特點，了解產品焊接工藝流程，掌握焊接結構生產的基本工藝方法，了解焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、激光焊等焊接方法的原理、對材料的適應性以及在實際生產中的應用特點。

更新后的“生產實習”課程除傳統產品生產工藝外，更應注重先進制造方法的引入，如表面工程技術、超精密加工技術、攪拌摩擦連接、增材制造、工業機器人等；傳統生產實習面對的生產對象往往是金屬或塑料制品等結構產品，更新后應介紹新型材料及其結構、功能產品的加工制備，包括信息材料與技術、新能源材料與技術、生物材料與技術、納米材料與技術、超導材料與技術、稀土材料、新型鋼鐵、新型有色金屬材料與技術、生態環境材料與技術以及軍工新材料與技術等。

除此之外，應介紹“新工業革命4.0”帶來的變革在本行業中的體現，如技術范式變革，重大科技創新以技術群的形式出現，不同領域的技術相互融合、滲透、擴散，技術變革和技術應用的周期變短；制造及生產方式轉型，以滿足人類社會的差異化和個性化需求為指向，通過快速便捷成型制造縮短產品研發和生產周期，同時提高材料利用率，兼顧高效率和低成本，綠色、智能及個性化制造逐漸占主導地位，取代規?；圃欤划a業形態革新，產業界限逐漸模糊，并且開始深度融合，未來新型工業產業形態以信息和智能為主導；組織形式改革，企業通過網絡跨邊界與環境相聯系已經成為普遍現象；商業模式變革，“終端+平臺+服務+數據”是構成重要商業模式的四大要素［6］。

專業實踐課程應注重價值觀教育，高等教育的本質是立德樹人［8］，課程思政應貫穿專業課程始終，尤其是實踐類課程傾向于群體互動和環境感化教育模式，該類課程除了蘊含科技元素外，同時兼具人文特征，即大量價值觀和思想政治教育元素，如低碳制造、綠色可持續發展、生態環境保護，以及人類命運共同體等。如大國重器理念，未來我國在國際上的地位在很大程度上取決于制造業是否足夠強，強盛的國家和民族需要強大的制造業作為基石，強大的制造業需要高科技核心技術作為支撐。向學生強化我國以制造業立國的思想，樹立學生勇于投身制造業的志向，并激發學生服務制造業技術創新的內在學習動力。

三、“生產實習”課程教學方法改革創新措施

教學內容更新之后還需要與之相適應的教學方法，二者相互配合才能達到良好的教學效果，適合的教學方法是實現教學目標的途徑。在信息化、智能化和知識碎片化的時代背景下，“生產實習”課程教學方法改革應包含如下幾個方面。

1.針對目前大學生知識碎片化、學習手段多元化的特點，生產實習知識傳授求廣、求精、求深，與本領域當前學術界研究熱點相結合，激發學生主動探究、主動建構知識的興趣，鼓勵學生發現問題，培養學生專業興趣及善于打破傳統的批判性思維、創新思維和創新能力，實現創新意識及能力素質培養，引領學生深入認識科學技術現代化的內涵和外延，體現材料學科及工程技術的概念，以及其對推動人類社會進步的重要意義，建立學生終身學習和自主學習意識。

2.打造實踐平臺，建立穩定的校外實習基地以及校企聯合指導模式，是保障實踐教學質量效果和提升學生綜合素質及實踐能力的必要措施。建設將理論知識與生產實踐相聯系的橋梁，有助于學生獲得感性認知和實際操作基本技能，提升實踐能力和協作精神。穩定的校外實習場所和實踐工作經驗豐富的技術人員或工程管理人員，有助于突破校企邊界，整合校企共同的社會資源，構建校企雙主體合作育人的實踐教學模式，推動大學與行業、大學與社會的融合，為學生就業創造堅實可靠的基礎。

3.使用先進的教學方法，激發教學環境智能化。第一，充分利用在線課堂。按照教學內容中新技術、新材料的分類，提供眾多相應的網絡學習資源，學生可根據個性特征和興趣愛好進行選擇，在自由靈活的時間內完成不少于規定學時的學習，這有利于學生實現個性化和自定進度學習，促進移動學習，學習方式靈活且效率高；邀請全國乃至全球范圍內的行業優秀人物，針對相關教學內容開展在線講座，打破學校教育的“圍墻”，與社會建立廣泛聯系，拓寬學生視野，實現無邊界學習。第二，充分利用虛擬仿真軟件，依托VR頭盔設計沉浸式教學實踐環節，通過創設可視化影像、虛實互動情境、可進化場景等，使課程內容實現形象化、逼真化、虛擬化，為學習者提供一個接近真實的動態環境，使學習者通過高度參與互動和演練提升技能。例如，使用虛擬工廠完成汽車覆蓋件沖壓成形的生產線布置及基本工序（如落料、預彎、拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等）。這有助于改變重復、機械、枯燥的課程狀態，提升學生參與度和學習效果。第三，充分利用信息大數據，對學生的學習行為進行數據采集和深入分析，使用數據驅動的反饋機制為學生提供有針對性的學習支持，同時形成教學反饋循環，從而持續不斷地改進課程實施效果。

4.改革教學組織方式，以學生學習為中心，以學習效果為導向，鼓勵團隊學習法。例如，在教學活動中采用合作團隊及研究小組形式，除解釋及糾正必要概念，主要引導以學生為主體的探索式學習，發現問題并提出設想，積極探究解決問題。例如，采用任務激勵法，實施基于問題的協作學習，針對教學內容設置任務中心網絡平臺，學生可以根據自己的能力和興趣愛好自由組建跨專業團隊，在規定時間內領取并完成任務，注重不同學科人才之間的合作，注重交叉學科人才的培養，這有利于培養學生的團隊協同創新、跨界創新意識和能力。

5.考核與評價方式改革。考核方式：加強“生產實習”課程教學過程管理，使考核貫穿整個教學過程；考核內容細分為知識考核、能力考核、個人考核、團隊考核，同時將學生的表達與溝通技巧、數據深入分析能力、組織與管理才華、團隊合作意識等四大能力素養納入考核范疇。評價方式：評價方式多元化，綜合運用多種評價方式，全方位、多視角地爭取對學生進行客觀、公正且能促進學生改進和成長的評價。改變主講教師單一的評價體系，采用學生自評、學生互評、教師評價、企業評價等多元評價體系相結合的模式。同時，引入激勵和發展式評價，使用賞識性評價促進學生發展，激發學習興趣；充分認識到學生正處于成長期，用發展的眼光評價學生，運用評價導向性增強學生自信心，建立銳意進取、努力拼搏的精神。

結語

“新工業革命4.0”背景下，我國高等學校迫切需要轉變教育模式，更新教育系統，培養具備第四次工業革命職業技能與核心素養的卓越工程創新人才，助力新工業革命背景下我國制造業繁榮強大和中華民族偉大復興。筆者以材料成型及控制工程專業“生產實習”實踐課程為例，從“新工業革命4.0”技術創新要素與材料成型及控制工程實踐教學結合點、“生產實習”課程教學內容及知識體系更新策略、與新教學內容相適應的教學方法創新三方面，對其教學改革展開了探索并提出了具體措施。未來研究團隊將長期跟蹤與評價教學質量與成效，在反饋數據的驅動下，持續改進教學手段，不斷提升教學效果。

參考文獻

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［8］張朝磊，宋仁伯，蔣波，等.以新時代教育理念多層次推進生產實習課程改革［J］.中國冶金教育，2021（5）：72-76.

Practice Teaching Reform in Material Forming and Control Engineering Major：

A Case of Production Practice

YANG Hong-yu1， QIU Feng1， SHU Shi-Li2， CHANG Fang1

（1. School of Materials Science and Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130022， China;

2. School of Mechanical and Aerospace Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Abstract： The industrial revolution is bound to have a profound impact on higher education， especially engineering education. In the era of the fourth industrial revolution， the training of engineering talents should meet the needs of technological innovation and the age of intelligent machines to adapt to the challenges of new industries revolution in the future. Taking material forming and control engineering major as a typical representative of the engineering disciplines， this work explores the integration point of the technology innovation elements in the new industrial revolution and this major. Further， the teaching content and knowledge system are updated to meet the requirements of the new industrial revolution， and methods of teaching reform in this major are proposed. It is hoped that it can provide a reference for higher engineering education and talent cultivation in China.

Key words： new industrial revolution 4.0; material forming and control engineering; production practice; practice curriculum; teaching reform