《材料成型技術》課程改革探索

白斌,徐秀玲

摘要：在教學過程中充分調動學生的學習興趣和學習積極性是課程教學改革的關鍵。將具有沉浸感、人機交互功能的虛擬實現技術應用于《材料成型技術》課程進行教學改革具有彌補實踐教學條件不足、不受空間與時間限制和高仿真有利于積累加工經驗等優勢；該課程改革的主要措施是建立以案例教學為核心的課程內容體系，依托于虛擬現實技術創建高仿真的虛擬加工平臺，采用以學生為主體、老師為主導的探索式教學模式。

關鍵詞：課程改革；虛擬現實技術；案例教學；自主學習

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0034-02

《材料成型技術》是機械類專業必修的一門綜合性技術基礎課[1]。設置這門課的目的是期望學生通過本課程的學習，使學生掌握鑄造、壓力加工、焊接、塑料、橡膠、復合材料、粉末冶金等成形方法的特點、過程及基本原理，熟悉成形工藝中的各種成形設備，了解國內外材料成形工藝技術最新進展與研究熱點，擴寬學生知識面、提高學生的實踐能力，為學生在校深造及畢業后從事各種材料加工方向的研究與設計打下必要的基礎。

一、《材料成型技術》課程改革之關鍵

《材料成型技術》是一門專業性較強、理論抽象、概念較多的專業基礎課，教學內容與工程實踐聯系緊密，教學難度大，對實踐教學環節的運用要求較高，然而在實際教學中往往出現如下幾種問題：（1）只講理論，缺少相應的實踐教學環節。造成這種現象的原因一方面是高校招生規模的擴大，一些建校時間短、經費緊張的院校實踐教學建設相對滯后，無力購買足夠的用于材料成形實踐教學的設備。另一方面是一些高校進行人才模式改革和課程內容整合后《材料成型技術》課程教學學時受到擠壓，大幅度削減學時，因此內容多和學時少的矛盾凸顯。為節約學時，對課程的實踐環教學環節一再壓縮，甚至取消。（2）具備實踐教學條件，但理論教學與實踐教學脫節。這種現象是受實踐教學場地、設備的數量等限制，無法將理論教學與實踐教學有機銜接，結果造成要么是沒有理論基礎就先進行了實踐教學，要么是學過了理論，但理論與實踐教學時間不匹配，學生到實施實踐教學環節時已對理論內容遺忘了。（3）實踐操作簡單模仿，導致學生學習的自主性喪失。出現這種現象的原因主要是出于操作性與安全性考慮。用于材料成型技術的很多設備是很昂貴的，設備調試非常復雜，學生缺少操作經驗，很容易造成設備故障甚至損壞，并具有一定危險性。為了避免出現意外傷害事故和保障設備安全，一些院校對材料成型技術的實踐環節讓學生完全模仿老師的操作動作，進而完成簡單產品的加工工藝過程，學生操作的每一步都受到嚴格的約束，其結果是學生感覺自己像木偶，完全沒有自由，久而久之勢必喪失學習的自主性，學習興趣蕩然無存。

材料成型技術課程理論抽象，最佳的教學環境是在真實加工環境中進行授課，邊實踐邊講解理論，通過對理論的學習指導實踐操作，反過來通過親自操作、觀察來對深奧的、抽象的理論加深理解。但這門課程的現實境遇是：實踐教學場所受到空間、環境的制約，無法進行深入的理論教學，而進行理論教學的教室又沒有辦法安置實踐用的各種設備，理論教學與實踐教學被人為割裂開來。各方面因素的綜合疊加造成學生學習起來感到枯燥乏味，學習課程的效果較差。因此，如何在教學過程中引發學生的學習興趣、充分調動起學生對本課程的學習積極性，是該課程教學改革的關鍵[2，3，4]。

二、將虛擬現實技術應用于材料成形課程改革具有的優勢

虛擬現實技術[5]是在計算機中構造出一個形象逼真的模型。人與該模型可以進行交互，并產生與真實世界中相同的反饋信息，使人們獲得和真實世界中一樣的感受。將虛擬現實技術與材料成形課程相結合有如下優點：

1.逼真的虛擬環境可提供良好的人機交互功能。對《材料成型技術》課堂教學引入虛擬現實技術，逼真的虛擬環境可提供良好的人機交互功能，在這個基礎上教學內容的組織安排將特別強調由學生主動參與來構建知識結構，變學生的“被動聽講”為“主動學習”，由“要我學”轉變為“我要學”。教學內容外在形式的生動化與內在結構的科學化將更緊密地結合起來。

2.彌補實踐教學條件的不足。通過應用成熟的虛擬現實軟件，針對《材料成型技術》課程開發產品成形過程的虛擬操作環境及設備，在計算機上完成產品成形加工的全過程，這樣將極大地降低設備成本，可以節省許多基礎設施的低水平重復建設、儀器設備重復引進以及消耗材料的資金投入，有利于從整體上改善辦學條件和提高教學水平，實現資源共享，為缺乏資金、無力購買足夠用于《材料成型技術》課程實踐教學各種設備的院校提供了一種理想的解決方案。

3.不受空間與時間的限制。只要有一臺計算機，學生可以在任何時間、任何地點進行材料成形虛擬加工，獲得與真實加工過程一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。也就是說只要每人擁有一臺計算機，材料成型技術課堂就可以做到邊實踐教學、邊理論教學，將兩種教學有機結合，形成互補，達到一加一大于二的教學效果。此外，課堂時間有限，一些學生對課堂上的內容缺乏理解或對某一成形方法、過程特別感興趣，可以在課外任何時間重新體驗虛擬的加工環境與加工過程，強化學習效果。

4.虛擬設備的高仿真效果有利于積累加工經驗。利用虛擬現實技術進行虛擬加工，在虛擬環境中，學生可以放心地去對設備進行各種操作，或做各種危險的或危害人體的實驗，而不必擔心損壞設備或出現人身安全事故。學生在這樣的環境中學習，具有完全的自主性，不受任何約束，通過虛擬加工過程，自己發現哪些操作是錯誤的、哪些操作是危險的，怎樣操作才是最合理、最安全的。由于虛擬設備的高仿真，學生在以后真實加工時，已經具備了足夠的加工經驗，可以安全、順利地完成加工過程。

三、《材料成型技術》課程改革的實施

本次《材料成型技術》課程改革從課程內容體系、教學手段、教學模式三面進行改革。依托于虛擬現實技術，進行案例教學，運用互動式虛擬生產環境讓學生完成某一產品的整個生產工藝過程，并通過設置理論障礙的方式將理論知識融于其中，達到讓學生主動學習的目的。

1.建立以案例教學為核心的課程內容體系。現有的《材料成型技術》課程教學內容多是從理論的完備性角度進行論述，將實踐性內容穿插到理論知識之中，實踐知識的存在一方面是作為完整理論的一部分，另一方面則作為敘述、解析理論的一種手段，結果造成實踐知識是破碎的，斷續的。學生在學完某一成形技術后，對該技術原理等理論性內容很熟悉，理解較深，但對產品完整的加工過程、各工序中設備、工具的使用及操作方法等實踐知識是模糊的甚至是陌生的。此外，為配合理論敘述而講解的實踐知識，通常都是理想狀態下的情況，而現實生產中由于有很多實際條件的約束與限制，與理想狀態相差巨大，為達到要求，需采用很多技巧與工具，而這些都是現有教學內容中所沒有的。針對現有《材料成型技術》課程教學內容只突出理論性而對實用性、技術性重視不足的特點，為進一步提升該課程中各成形工藝的真實性與完整性，采用以典型產品為核心，產品成形工藝過程為主線的案例教學方式，將內容分為安全培訓、工藝規程設計、輔助工藝（預處理工藝）、主加工工藝、后處理工藝、新技術新工藝六大主體部分，并將理論知識融入工藝過程各環節，突出課程的技術性、實用性。

2.引入高仿真的虛擬教學平臺。教學手段的改革是鑒于網絡游戲對學生的吸引力，基于學生興趣開發，在教學中引入虛擬現實技術，使學生在類似于玩網絡游戲的氛圍中進行學習。教學用虛擬程序設計靈感來源于迷宮類網絡游戲，此類游戲需要玩家按特定的路徑，尋找到適合的工具，用指定的方法完成相應的任務。虛擬程序設計借鑒這種游戲模式，依托于虛擬現實技術，以典型產品為核心，以該產品成形過程為主線，建立高仿真的生產設備、工具、原料及其他輔助裝置模型，模擬真實加工過程，并在程序中設立理論知識障礙，通過互動式虛擬生產環境讓學生按真實的加工順序，選擇適合的設備、工具，采用正確的操作方法，跨越過理論知識障礙后，完成該產品的整個成型加工工藝過程，達到讓學生主動學習的目的。以鑄造為例，據此開發的虛擬教學平臺界面如圖1所示。

3.采用以學生為主體，老師為主導的探索式教學模式。在采用案例教學的基礎上，根據材料成型技術課程自身特點，將傳統的填鴨式教學模式轉變為探索式教學模式。傳統的填鴨式教學，老師在講臺上講，學生在座位上聽，老師從自己的視角及思路出發來向學生輸出自己的觀點，學生無論愿意與否都是被動接受的，學生在課程教學中收獲不到學習的滿足和愉悅，甚至會因為被迫學習而導致反感和抵觸，這樣一來，學生在課堂上從老師那里得到的信息量就會逐漸減少，同時也沒法聽到其他同學的觀點，結果必然會造成學習結果的低效或無效。本次改革運用虛擬現實技術，將課堂教學從以老師為主體、老師講學生聽的填鴨式教學模式轉變為以學生為主體、老師為主導的探索式教學模式，將句號課堂轉變為問號課堂。學生像玩迷宮游戲一樣來完成虛擬加工任務，要自己帶著問題找答案，進行自主學習。老師在課堂上只起導向與組織的作用，對一般性的理論及實踐知識，提供參考書籍的清單；對難度大或深奧的理論與實踐知識，進行講解；對有疑問、有爭議的理論問題、技術問題組織學生進行討論和探討。學生在老師的引導下，通過運用已知知識與自主學習方式來理解與掌握新知識，或者與同伴合作交流去探索新知識。這種教學模式能夠很好地發揮學生的自主性和個性特長，培養學生分析問題、歸納總結、合作交流的能力和團隊合作精神，激發學生的求知欲與學習興趣，將沉悶、封閉的課堂轉變為活潑、開放的課堂，最大程度開發學生的學習潛力并培養他們對新知識的興趣及其自學能力。

通過上述課程教學改革的探索，課堂出勤率有了明顯提高，師生互動顯著增多，課堂討論熱烈，學生學習積極性高漲，達到了激發學生學習興趣，提高學習效果的目的。通過互動式虛擬加工平臺的建立，使學生在“玩”中學，通過打關的形式，由淺入深，隨著對某種成形方法理解的加深，將該種成形技術理論、成形工藝及所需設備、工具、操作技術較為牢固加以掌握。

參考文獻：

[1]湯酞則.材料成形技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]張緒平，解輝軍.“材料成型原理”課程建設[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]張麗.《工程材料與材料成形工藝》課程疑難點的舉例教學[J].裝備制造技術，2008，（10）：143-144.

[4]吳樹森，萬里，安萍.工科專業課程中的案例教學研究[J].中國電力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一寧.虛擬實驗的研究現狀以及在教學中的意義[J].浙江海洋學院學報（自然科學版），2010，29（4）：390-393.

基金項目：本文系沈陽工程學院教研項目（Q1212）；《材料成型技術課程改革與實踐》成果之一。

作者簡介：白斌（1979-），男，遼寧沈陽人，碩士，沈陽工程學院講師。

1.建立以案例教學為核心的課程內容體系。現有的《材料成型技術》課程教學內容多是從理論的完備性角度進行論述，將實踐性內容穿插到理論知識之中，實踐知識的存在一方面是作為完整理論的一部分，另一方面則作為敘述、解析理論的一種手段，結果造成實踐知識是破碎的，斷續的。學生在學完某一成形技術后，對該技術原理等理論性內容很熟悉，理解較深，但對產品完整的加工過程、各工序中設備、工具的使用及操作方法等實踐知識是模糊的甚至是陌生的。此外，為配合理論敘述而講解的實踐知識，通常都是理想狀態下的情況，而現實生產中由于有很多實際條件的約束與限制，與理想狀態相差巨大，為達到要求，需采用很多技巧與工具，而這些都是現有教學內容中所沒有的。針對現有《材料成型技術》課程教學內容只突出理論性而對實用性、技術性重視不足的特點，為進一步提升該課程中各成形工藝的真實性與完整性，采用以典型產品為核心，產品成形工藝過程為主線的案例教學方式，將內容分為安全培訓、工藝規程設計、輔助工藝（預處理工藝）、主加工工藝、后處理工藝、新技術新工藝六大主體部分，并將理論知識融入工藝過程各環節，突出課程的技術性、實用性。

2.引入高仿真的虛擬教學平臺。教學手段的改革是鑒于網絡游戲對學生的吸引力，基于學生興趣開發，在教學中引入虛擬現實技術，使學生在類似于玩網絡游戲的氛圍中進行學習。教學用虛擬程序設計靈感來源于迷宮類網絡游戲，此類游戲需要玩家按特定的路徑，尋找到適合的工具，用指定的方法完成相應的任務。虛擬程序設計借鑒這種游戲模式，依托于虛擬現實技術，以典型產品為核心，以該產品成形過程為主線，建立高仿真的生產設備、工具、原料及其他輔助裝置模型，模擬真實加工過程，并在程序中設立理論知識障礙，通過互動式虛擬生產環境讓學生按真實的加工順序，選擇適合的設備、工具，采用正確的操作方法，跨越過理論知識障礙后，完成該產品的整個成型加工工藝過程，達到讓學生主動學習的目的。以鑄造為例，據此開發的虛擬教學平臺界面如圖1所示。

3.采用以學生為主體，老師為主導的探索式教學模式。在采用案例教學的基礎上，根據材料成型技術課程自身特點，將傳統的填鴨式教學模式轉變為探索式教學模式。傳統的填鴨式教學，老師在講臺上講，學生在座位上聽，老師從自己的視角及思路出發來向學生輸出自己的觀點，學生無論愿意與否都是被動接受的，學生在課程教學中收獲不到學習的滿足和愉悅，甚至會因為被迫學習而導致反感和抵觸，這樣一來，學生在課堂上從老師那里得到的信息量就會逐漸減少，同時也沒法聽到其他同學的觀點，結果必然會造成學習結果的低效或無效。本次改革運用虛擬現實技術，將課堂教學從以老師為主體、老師講學生聽的填鴨式教學模式轉變為以學生為主體、老師為主導的探索式教學模式，將句號課堂轉變為問號課堂。學生像玩迷宮游戲一樣來完成虛擬加工任務，要自己帶著問題找答案，進行自主學習。老師在課堂上只起導向與組織的作用，對一般性的理論及實踐知識，提供參考書籍的清單；對難度大或深奧的理論與實踐知識，進行講解；對有疑問、有爭議的理論問題、技術問題組織學生進行討論和探討。學生在老師的引導下，通過運用已知知識與自主學習方式來理解與掌握新知識，或者與同伴合作交流去探索新知識。這種教學模式能夠很好地發揮學生的自主性和個性特長，培養學生分析問題、歸納總結、合作交流的能力和團隊合作精神，激發學生的求知欲與學習興趣，將沉悶、封閉的課堂轉變為活潑、開放的課堂，最大程度開發學生的學習潛力并培養他們對新知識的興趣及其自學能力。

通過上述課程教學改革的探索，課堂出勤率有了明顯提高，師生互動顯著增多，課堂討論熱烈，學生學習積極性高漲，達到了激發學生學習興趣，提高學習效果的目的。通過互動式虛擬加工平臺的建立，使學生在“玩”中學，通過打關的形式，由淺入深，隨著對某種成形方法理解的加深，將該種成形技術理論、成形工藝及所需設備、工具、操作技術較為牢固加以掌握。

參考文獻：

[1]湯酞則.材料成形技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]張緒平，解輝軍.“材料成型原理”課程建設[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]張麗.《工程材料與材料成形工藝》課程疑難點的舉例教學[J].裝備制造技術，2008，（10）：143-144.

[4]吳樹森，萬里，安萍.工科專業課程中的案例教學研究[J].中國電力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一寧.虛擬實驗的研究現狀以及在教學中的意義[J].浙江海洋學院學報（自然科學版），2010，29（4）：390-393.

基金項目：本文系沈陽工程學院教研項目（Q1212）；《材料成型技術課程改革與實踐》成果之一。

作者簡介：白斌（1979-），男，遼寧沈陽人，碩士，沈陽工程學院講師。

1.建立以案例教學為核心的課程內容體系。現有的《材料成型技術》課程教學內容多是從理論的完備性角度進行論述，將實踐性內容穿插到理論知識之中，實踐知識的存在一方面是作為完整理論的一部分，另一方面則作為敘述、解析理論的一種手段，結果造成實踐知識是破碎的，斷續的。學生在學完某一成形技術后，對該技術原理等理論性內容很熟悉，理解較深，但對產品完整的加工過程、各工序中設備、工具的使用及操作方法等實踐知識是模糊的甚至是陌生的。此外，為配合理論敘述而講解的實踐知識，通常都是理想狀態下的情況，而現實生產中由于有很多實際條件的約束與限制，與理想狀態相差巨大，為達到要求，需采用很多技巧與工具，而這些都是現有教學內容中所沒有的。針對現有《材料成型技術》課程教學內容只突出理論性而對實用性、技術性重視不足的特點，為進一步提升該課程中各成形工藝的真實性與完整性，采用以典型產品為核心，產品成形工藝過程為主線的案例教學方式，將內容分為安全培訓、工藝規程設計、輔助工藝（預處理工藝）、主加工工藝、后處理工藝、新技術新工藝六大主體部分，并將理論知識融入工藝過程各環節，突出課程的技術性、實用性。

2.引入高仿真的虛擬教學平臺。教學手段的改革是鑒于網絡游戲對學生的吸引力，基于學生興趣開發，在教學中引入虛擬現實技術，使學生在類似于玩網絡游戲的氛圍中進行學習。教學用虛擬程序設計靈感來源于迷宮類網絡游戲，此類游戲需要玩家按特定的路徑，尋找到適合的工具，用指定的方法完成相應的任務。虛擬程序設計借鑒這種游戲模式，依托于虛擬現實技術，以典型產品為核心，以該產品成形過程為主線，建立高仿真的生產設備、工具、原料及其他輔助裝置模型，模擬真實加工過程，并在程序中設立理論知識障礙，通過互動式虛擬生產環境讓學生按真實的加工順序，選擇適合的設備、工具，采用正確的操作方法，跨越過理論知識障礙后，完成該產品的整個成型加工工藝過程，達到讓學生主動學習的目的。以鑄造為例，據此開發的虛擬教學平臺界面如圖1所示。

3.采用以學生為主體，老師為主導的探索式教學模式。在采用案例教學的基礎上，根據材料成型技術課程自身特點，將傳統的填鴨式教學模式轉變為探索式教學模式。傳統的填鴨式教學，老師在講臺上講，學生在座位上聽，老師從自己的視角及思路出發來向學生輸出自己的觀點，學生無論愿意與否都是被動接受的，學生在課程教學中收獲不到學習的滿足和愉悅，甚至會因為被迫學習而導致反感和抵觸，這樣一來，學生在課堂上從老師那里得到的信息量就會逐漸減少，同時也沒法聽到其他同學的觀點，結果必然會造成學習結果的低效或無效。本次改革運用虛擬現實技術，將課堂教學從以老師為主體、老師講學生聽的填鴨式教學模式轉變為以學生為主體、老師為主導的探索式教學模式，將句號課堂轉變為問號課堂。學生像玩迷宮游戲一樣來完成虛擬加工任務，要自己帶著問題找答案，進行自主學習。老師在課堂上只起導向與組織的作用，對一般性的理論及實踐知識，提供參考書籍的清單；對難度大或深奧的理論與實踐知識，進行講解；對有疑問、有爭議的理論問題、技術問題組織學生進行討論和探討。學生在老師的引導下，通過運用已知知識與自主學習方式來理解與掌握新知識，或者與同伴合作交流去探索新知識。這種教學模式能夠很好地發揮學生的自主性和個性特長，培養學生分析問題、歸納總結、合作交流的能力和團隊合作精神，激發學生的求知欲與學習興趣，將沉悶、封閉的課堂轉變為活潑、開放的課堂，最大程度開發學生的學習潛力并培養他們對新知識的興趣及其自學能力。

通過上述課程教學改革的探索，課堂出勤率有了明顯提高，師生互動顯著增多，課堂討論熱烈，學生學習積極性高漲，達到了激發學生學習興趣，提高學習效果的目的。通過互動式虛擬加工平臺的建立，使學生在“玩”中學，通過打關的形式，由淺入深，隨著對某種成形方法理解的加深，將該種成形技術理論、成形工藝及所需設備、工具、操作技術較為牢固加以掌握。

參考文獻：

[1]湯酞則.材料成形技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]張緒平，解輝軍.“材料成型原理”課程建設[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]張麗.《工程材料與材料成形工藝》課程疑難點的舉例教學[J].裝備制造技術，2008，（10）：143-144.

[4]吳樹森，萬里，安萍.工科專業課程中的案例教學研究[J].中國電力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一寧.虛擬實驗的研究現狀以及在教學中的意義[J].浙江海洋學院學報（自然科學版），2010，29（4）：390-393.

基金項目：本文系沈陽工程學院教研項目（Q1212）；《材料成型技術課程改革與實踐》成果之一。

作者簡介：白斌（1979-），男，遼寧沈陽人，碩士，沈陽工程學院講師。