以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的材料成型創(chuàng)新實驗平臺建設(shè)

蘇竹+廖娟+游國強+趙建華

摘要：為適應(yīng)材料成型創(chuàng)新實驗教學(xué)體系的要求，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心，增加前沿制造技術(shù)設(shè)備和小型桌面設(shè)備的比例，以提高實驗設(shè)備利用率為要求，制定教學(xué)實驗設(shè)備配置方案。通過材料成型創(chuàng)新實驗平臺的建設(shè)，面向?qū)嵺`教學(xué)的設(shè)備硬件能力得以全面提升，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程實踐能力和創(chuàng)新能力，保障了專業(yè)實驗課程改革的應(yīng)用和效果。

關(guān)鍵詞：材料成型創(chuàng)新能力實驗平臺

基金項目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目（143016）

TB30-4

一、引言

實踐性教學(xué)是工程類學(xué)科人才培養(yǎng)計劃的重要內(nèi)容，對培養(yǎng)大學(xué)生動手能力、分析和解決問題的能力、提高工程意識和培養(yǎng)創(chuàng)新精神發(fā)揮著舉足輕重的作用。材料成型及控制工程由原來的鑄造、鍛壓、焊接三個老專業(yè)發(fā)展而來，具有寬口徑、大專業(yè)、多方向的內(nèi)涵，是典型的交叉學(xué)科，實踐性強，涉及知識面廣。隨著國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，單一的專業(yè)技能已不能滿足現(xiàn)代裝備制造業(yè)對綜合型人才培養(yǎng)的要求。

現(xiàn)行實驗教學(xué)體系，以驗證性實驗內(nèi)容為主，學(xué)習(xí)者的實踐參與度低，實驗室硬件環(huán)境落后，不論從目標、內(nèi)容、手段和方法來看，都落后于現(xiàn)行教育理念的，迫切需要改革。

材料成型專業(yè)實驗和工程實踐教學(xué)平臺，應(yīng)當(dāng)以探索適應(yīng)科技和社會發(fā)展需求、適應(yīng)人才成長規(guī)律、切合實際的實驗和實踐教學(xué)模式為目的，從學(xué)校自身的優(yōu)勢和辦學(xué)特點出發(fā)，在學(xué)校教學(xué)改革的整體規(guī)劃基礎(chǔ)上，逐步構(gòu)建并完善。

二、實踐教學(xué)平臺的現(xiàn)狀分析

1.實驗室建設(shè)重視度不足

多年以來，高等教育積累了重理論教學(xué)、輕實驗教學(xué)的傳統(tǒng)，實驗教學(xué)多為每門課程配置4～8學(xué)時的“課夾”實驗。這種側(cè)重，不僅體現(xiàn)在理論與實踐教學(xué)的課時分配上，還體現(xiàn)在實驗室的硬件建設(shè)上。以本實驗室為例，近10年來新增設(shè)備數(shù)量僅5臺，大部分為使用10年以上的傳統(tǒng)鑄造、鍛壓、焊接設(shè)備。實驗設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量的嚴重不足，是制約實踐教學(xué)環(huán)節(jié)提升的基礎(chǔ)障礙。

2.實驗手段和方法滯后于科技發(fā)展水平

“課夾”實驗多選用經(jīng)典的工藝方法、模具、易于產(chǎn)生實驗效果的材料用于教學(xué)，但隨著科技水平的提升、實驗室設(shè)備的老化，越來越多的課程核心內(nèi)容和知識點，難以通過現(xiàn)有條件完成教學(xué)，成為實驗教學(xué)中的難點和瓶頸。

可視化虛擬實驗手段、柔性制造技術(shù)平臺等高新技術(shù)，引入工程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，通過電腦三維實體的運動演示，能直觀的觀察模具的動作關(guān)系和制品成型的全過程、模擬熔液的流動充型和冷卻凝固過程等等，完成傳統(tǒng)教學(xué)中難以實現(xiàn)的過程，不僅解決現(xiàn)有實驗教學(xué)的難題和瓶頸，還能吸引學(xué)生注意力投入實驗之中，起到事半功倍的教學(xué)效果。

三、教學(xué)實驗設(shè)備配置方案

材料成型及控制工程由傳統(tǒng)專業(yè)合并而來，隨著時代的發(fā)展，實驗室工藝設(shè)備逐漸老化、落后，新興材料成型技術(shù)及其發(fā)展前沿動向可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生對后期知識的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。因此，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心，建設(shè)材料成型創(chuàng)新實驗平臺，以貼合新的實驗教學(xué)方案，增加先進成型設(shè)備的比例，提高設(shè)備利用率為要求，制定了教學(xué)實驗設(shè)備配置方案，如表1所示，支撐實驗教學(xué)改革和提升。

1.材料成型CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)

隨著計算機及軟件技術(shù)的發(fā)展，將材料成型技術(shù)與計算機模擬仿真技術(shù)有機地結(jié)合在一起，使學(xué)生掌握的知識面更廣，并能在解決技術(shù)問題時，將兩者有效融合，充分利用所學(xué)的專業(yè)知識，學(xué)習(xí)多角度、多層次地研究和分析問題。例如通過數(shù)值模擬建立鑄件凝固過程和傳熱的數(shù)學(xué)模型，對鑄造結(jié)果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”，從而優(yōu)化鑄造工藝；采用模具虛擬拆裝系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)、縮放、透視、剖面等觀察功能，對模具結(jié)構(gòu)進行拆裝演示、運動仿真、裝備考評和知識索引。

這類通過計算機虛擬的教學(xué)模式，可以加速學(xué)生對抽象概念的理解，增強教學(xué)的直觀性和形象性，加強對模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)認知的真實感和表現(xiàn)力，極大地提升教學(xué)效果、活躍課堂氣氛，提高學(xué)生解決實際問題及創(chuàng)新的能力。

2.前沿制造技術(shù)應(yīng)用

3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維 CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。自2013年以來，3D打印技術(shù)受到國內(nèi)學(xué)術(shù)界、傳媒界的關(guān)注熱潮，被認為是一項影響人類未來生產(chǎn)生活方式的新型制造方法。

將圖1、2所示的桌面型3D打印和掃描設(shè)備應(yīng)用于實驗教學(xué)，親身體驗這些廣受關(guān)注的前沿制造技術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生DIY的興趣，開發(fā)想象力，將構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉牧Ⅲw模型，全程參與從設(shè)計、制作、展示等各環(huán)節(jié)實踐操作，將自己的創(chuàng)造變成實物，獲得一種難忘而有益的學(xué)習(xí)體驗。在實踐中發(fā)展和提高動手能力、設(shè)計能力和思維能力，推動學(xué)習(xí)者創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力發(fā)展，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有積極意義。

3.設(shè)備小型化與高可用性

材料成型屬于制造業(yè)領(lǐng)域，實驗設(shè)備一般選擇機械制造工廠使用的設(shè)備，這些設(shè)備更接近生產(chǎn)實際，但具有投入大、占地面積大、通用性差等突出缺點。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著民生工業(yè)的升級，應(yīng)用在佩飾、工藝紀念品、小五金行業(yè)的鑄造、壓力加工、焊接設(shè)備，如精密臺式?jīng)_床（圖3）、小型龍門液壓機（圖4）、真空注蠟機（圖5）、小型激光焊機（圖6）等已完全成熟，多為小型設(shè)備，甚至可桌面化使用，既滿足實驗教學(xué)的需求，又能彌補機械制造工業(yè)化設(shè)備的不足。

這類材料成型設(shè)備用于支撐專業(yè)通識實驗和專業(yè)模塊特色實驗，分布在實驗流程中的各個工藝環(huán)節(jié)，承擔(dān)相應(yīng)的工藝任務(wù)，小而親切，操作簡單，學(xué)生可以親自動手，獲得真正親手創(chuàng)造出產(chǎn)品的體驗。

五、結(jié)語

本材料成型創(chuàng)新實驗平臺的建設(shè)，緊緊圍繞材料成型專業(yè)實驗和工程實踐教學(xué)體系改革，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力為核心，改變了實驗室的舊友面貌，實現(xiàn)了面向?qū)嵺`教學(xué)的設(shè)備硬件能力的全面提升，保障了專業(yè)實驗課程改革的開展和應(yīng)用。

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作者簡介：蘇竹（1984-）：女，漢族，重慶人，碩士，工程師，主要從事材料成型專業(yè)實驗教學(xué)。