材料類專業“三位一體”生產實習教學模式探索及實踐*

寧彩珍，張 磊，榮 輝

(天津城建大學 材料科學與工程學院，天津 300384)

《中國制造 2025》行動綱領要求未來的大學畢業生必須具有更高、更強的實踐能力[1]。生產實習作為實踐教學體系的重要組成部分，歷史悠久。大多數高校材料類專業學生的生產實習長期依靠生產企業進行，然而由于操作環境、安全、企業效益等影響因素，學生動手操作機會很少，實踐能力得不到應有的提升。因此，在新工科建設和產學合作協同育人人才培養模式等教育改革下，探索新的教學模式已是必然。

1 “三位一體”生產實習教學模式的探索

目前，材料類專業的生產實習實施形式有校外生產實訓、虛擬仿真實驗實訓和校內生產實訓三種形式。

1.1 校外生產實訓

校外生產實訓通常在生產企業進行，可以利用企業的生產條件和技術人員，降低實習成本，提高實訓水平；可以利用實際生產的復雜性和多變性，提高學生利用專業理論和知識解決復雜工程問題的能力；可以使學生了解先進的生產工藝、技術、裝備和管理。實際上，由于生產現場高溫設備多、高粉塵、環境惡劣、安全等問題，學生親臨生產現場的機會很有限；由于生產工況不可隨意調節、故障真實狀態無法還原，以及設備無法拆卸、內部結構難以呈現、參數無法調節以及學生的能力和素質較低等實際問題，學生動手操作機會很少；由于生產工藝復雜、生產裝備和系統體積龐大，學生全面認知生產過程有一定難度；另外，隨著國家經濟體制的改革，出于經濟成本、工作效益和安全等方面的考慮，企業接受學生實習的意愿越來越低，為激發企業積極性，教育部推出“產學合作協同育人”人才培養模式，三年共達成4萬多項合作項目，然而幾乎都是互聯網、人工智能、機器人和虛擬現實等新工科專業的“產”與傳統工科專業的“學”的合作，材料類專業等傳統工科專業的生產企業并沒有參與其中。

1.2 校內生產實訓

校內生產實訓平臺通常選用安裝生產性設備，營造真實的生產性環境，充分考慮學生親自動手操作的條件，能提供生產性服務，工學結合，以產養學。[2]校內生產實訓可以使學生進行反復生產操作訓練，切身體會生產現場；然而，較小的生產規模限制了工藝、裝備、技術的先進性，影響學生對行業先進技術的認知；反復調節和操作造成大量設備損耗、不合格產品和原料燃料消耗，實習成本較高；受工藝復雜、生產危險性高、空間有限等問題，校內生產實訓平臺的建設難度較大，導致數量很少、實訓范圍窄。

1.3 虛擬仿真實驗實訓

虛擬仿真技術(VR技術)通過在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，有助于啟發構思。[3-5]虛擬仿真實驗實訓通過“沉浸”使學生體會生產實際情況和無法親臨的生產現場；通過“交互”使學生模擬實際生產操作并反復模擬訓練，降低實訓成本；通過三維虛擬生產線使學生較全面認知生產整個過程；實訓范圍可以較寬[6]。然而，虛擬仿真難以模擬實際生產的復雜性和不確定性，需要巨大量的生產數據作支撐，無法取代生產現場的體會和感知。近三年，虛擬仿真實驗蓬勃發展，僅2017年和2018年就建成國家虛擬仿真實驗項目400多項，還有大量的省部級項目，然而，大多實驗項目的交互都處于低級簡單水平。

1.4 “三位一體”生產實習教學模式的提出

經前述分析，校外生產實訓“實踐條件優，實踐人才豐富”，但“操作難”；校內生產實訓“操作真實，訓練全面”，但“規模小、成本高、范圍窄”；虛擬仿真實驗“易實現、低成本”，但與實際生產終有差距，因此，需要校外生產實訓與校內生產實訓相結合(簡稱“內外結合”)，校內外生產實訓與虛擬仿真實驗實訓相結合(簡稱“虛實結合”)，且“能實不虛”，才能達到良好的教學效果。

針對材料類專業，提出“虛擬仿真實驗實訓-校內生產實訓-校外生產實訓三位一體的生產實習教學模式”(以下簡稱““三位一體”生產實習教學模式”)。要做到“三位”各自任務明確，內容既有不同也有重疊，不斷提升遞進，訓練全面。虛擬仿真實驗實訓內容要盡量全面，大于且包含校內生產實訓的內容，校外生產實訓是在校內實訓基礎上的提升、深化和拓展。學生先通過虛擬仿真實驗對實習內容進行全面認知和反復訓練，考核合格后才能進行校內生產實訓，以降低操作的錯誤概率和反復操作次數，降低成本和設備損耗；校內生產實訓考核合格后，才能進行校外生產實訓，助于校外生產實訓的質量和順利完成，助于為企業創造經濟效益，利用校企長期穩定協作，實現“雙贏”。

該模式能充分實現三種形式的優勢互補、協調合作，具有“易實現，低成本，操作真實，訓練全面，生產條件優，實踐人才豐富”的優勢。

2 “三位一體”生產實習教學模式的軟硬件建設及實踐

2.1 “三位一體”生產實習教學模式的軟硬件建設

為保證“三位一體”生產實習教學模式的良好實施，天津城建大學無機非金屬材料工程專業(簡稱“本校本專業”)，進行了軟硬件的全面建設。

2.1.1 校內生產實訓平臺

本校本專業在校內建設建筑材料生產實訓平臺(見圖1)，包括輕骨料(陶粒)/水泥熟料生產線和陶瓷面磚生產線。

圖1 建筑材料生產實訓平臺Fig.1 Building materials production training platform

2.1.2 校外實習基地

本校本專業建成以天津天筑建材有限公司(生產保溫、隔音、質輕的砂加氣混凝土，是綠色節能新型建筑材料的生產先行者)、天津金隅振興環保科技有限公司(以固體廢棄物為原料燃料生產水泥，是綠色環保、循環經濟的執行者)、天津工業化建筑有限公司(生產裝配式建筑的PC(precast concrete)構件，是行業領航者)、中建商品混凝土攪拌站、天津貝利泰陶瓷有限公司等五家企業組成的校外實習基地群。企業形式多樣、產品豐富，以節能、綠色、環保為特色，代表行業先進理念和技術水平，利于學生了解不同所有制、不同性質企業的生產經營管理模式和理念，掌握不同產品的生產工藝、裝備和操控，了解行業發展水平和趨勢，拓展專業認知范圍。

2.1.3 虛擬仿真實驗實訓平臺

本校本專業建設“浮法玻璃生產工藝及裝備虛擬仿真實驗教學項目”(2018年天津市建設項目)。在此系統學生可完成玻璃成分設計、原料選擇、配合料計算、玻璃性能計算、總工藝計算及操作，熔窯和錫槽及附屬設備的設計及操作。另外，可利用國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺的教學資源。

2.1.4 生產實習指導教師隊伍建設

本校本專業采用“內培養外聘用”的方式，充實、調整、提升指導教師隊伍。充分挖掘校內具有生產實踐背景和經驗的教師作為指導教師；派遣教師到國內外著名高校、企業進修和培訓；積極聘用行業、企業技術人員為指導教師。

2.1.5 生產實訓教材編寫

本校本專業為更好更針對性地指導生產實訓，已于化學工業出版社簽約《無機非金屬材料生產項目化實訓教程》編寫合同。

2.1.6 生產實習運行管理的制度化建設

本校本專業制定了《實訓平臺運行與管理辦法》、《生產實習指導教師職責與工作規范》、《學生實訓過程管理制度》、《學生生產實習指導手冊》等一系列規章制度，實現對實訓平臺和學生的制度化、規范化、全面化管理。

2.2 “三位一體”生產實習教學模式的實踐

本校本專業生產實習的目的是使學生掌握建筑工程材料的制備、檢驗和生產管理，提高學生利用專業知識和理論分析解決復雜工程問題的能力。基于“三位一體”生產實習教學模式，制訂了詳細的實施方案，見圖2。

圖2 “三位一體”生產實習教學模式實施方案Fig.2 Implementation plan of the“Trinity”production practice teaching model

經過兩輪試用，學生的工程實踐能力、動手能力、分析解決復雜工程問題的能力、創新能力、文字撰寫能力和語言表達能力等都有較大程度提升；對專業知識和理論的理解更加深入，能更好地運用專業知識去思考、分析、表達和解決問題。

3 結 語

在新工科建設和產學合作協同育人人才培養模式下，提出材料類專業“三位一體”生產實習教學模式，該模式具有“易實現，低成本，操作真實，訓練全面，生產條件優，實踐人才豐富”的優勢，是一個可以推而廣之的模式。