融合教學模式下工程實踐課程教學改革

唐正友 彭良貴 高彩茹 丁樺

摘要 為了持續(xù)提升材料成型及控制工程專業(yè)卓越班學生在軋制成形領域的工程實踐能力和水平，教學中采用寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗，能實現(xiàn)信息技術與實踐教學的深度融合。文章通過線下實驗室參觀和線上仿真操作相結合的方式進行工程實踐，有效地提高學生對軋制設備、軋制方法、材料研發(fā)手段的認知水平，拓展了學生的工程視野。充分利用實驗室資源，引入課程思政元素，增強了學生的專業(yè)自豪感和對專業(yè)社會價值的認同感，激發(fā)了其專業(yè)學習的熱情，促進了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關鍵詞 工程實踐；虛擬仿真；課程思政；卓越計劃

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.023

自2012年起，東北大學材料成型及控制工程專業(yè)（簡稱成型專業(yè)）實施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[1]。在項目初期，“卓越工程師培養(yǎng)計劃班”（簡稱卓越班）在大三下學期期末組建，學生工程實踐能力和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)集中在大四上學期，培養(yǎng)時間短。經(jīng)過多年教學實踐，自2017級本科生開始，在大一專業(yè)分流后即組建卓越班，并進行為期三年的持續(xù)培養(yǎng)，同時安排具有豐富工程實踐經(jīng)驗的教師獨立授課，承擔課堂教學和實踐教學工作[2]，強化了學生的工程實踐能力和科研素養(yǎng)。

工程實踐是成型專業(yè)卓越班在大二下學期開設的必修課程，主要教學形式為現(xiàn)場觀摩和場景交流。通過參觀先進制造企業(yè)、科研院所及博物館，學生能夠獲得工程實踐知識，提高工程實踐能力，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新精神。在參觀前，教師先進行教學任務及要求的布置；在參觀過程中，學生聆聽企業(yè)導師的現(xiàn)場講解，積極提問和交流；在參觀后，學生進行總結和撰寫實踐報告。通過工程實踐，學生將了解本學科知識在不同領域的應用情況，熟悉相關成形設備、制備方法、實驗方法和檢測手段，增強專業(yè)信心和運用本學科知識解決實際問題的能力。

然而，自2020年起，由于客觀原因，實踐教學時常中斷和延期，導致實踐教學課程對專業(yè)基礎課和專業(yè)課的銜接與支撐作用不足，學生對專業(yè)領域的感性認識和實踐認知明顯滯后，不利于學生對專業(yè)課程的學習和理解。為此，專業(yè)和課程團隊積極開展線上教學資源建設和能力建設[3]，挖掘校內(nèi)實驗室資源，基于融合教學模式，以確保工程實踐課程教學的順利進行。

1虛擬仿真實驗建設

為深化信息技術與教育教學的深度融合[4-5]，專業(yè)申報了東北大學2020年虛擬仿真實驗教學項目“寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗”，并與北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司合作開展建設工作。“寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗”課程在2020年12月獲批遼寧省虛擬仿真實驗教學一流本科課程。通過三維仿真技術，虛擬再現(xiàn)寬厚板軋制生產(chǎn)場景、組織觀察和力學性能檢測情境，如圖1所示。虛擬仿真實驗主要包括寬厚板軋制實驗和組織性能檢測實驗，其中軋制實驗由產(chǎn)品選擇、坯料準備、粗軋寬度和厚度壓下率制訂，精軋厚度壓下率制訂、軋制溫度、軋制速度、軋制力和力矩等軋制規(guī)程參數(shù)計算，軋后冷卻工藝參數(shù)制訂等實驗內(nèi)容組成。在學習模式下，系統(tǒng)將提供相關生產(chǎn)視頻、示意性動畫、軋鋼工藝知識點、計算公式等材料幫助學生加深對軋制實驗的理解；組織性能檢測實驗主要包括金相組織觀察、硬度檢測、拉伸實驗和沖擊實驗。

圖1寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗

學生登錄后，可在車間內(nèi)漫游，熟悉虛擬的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)流程，了解典型設備的結構和功能。在實驗時，可以選擇學習模式或考核模式，兩種模式都將經(jīng)歷所有實驗步驟。學習模式下提供分析題作為練習題，以加深學生對寬厚板控制軋制與控制冷卻理論的理解，使學生對材料成分、工藝、組織和性能之間的關系有更清晰的認識。考核模式下，提供客觀題和主觀題兩種題型。考核結束后，系統(tǒng)自動生成實驗報告并提交給指導教師進行評閱。

寬厚板控制軋制與控制冷卻實驗通過文字、圖片和動畫展示產(chǎn)品、坯料、軋制設備和軋制工藝知識點。通過交互方式制訂粗軋和精軋壓下規(guī)程，通過報警形式給出軋制工藝的約束條件，從而以虛擬仿真的方式呈現(xiàn)實際寬厚板的軋制生產(chǎn)過程和組織性能控制過程。

2課程思政內(nèi)容建設

工程實踐課程不僅注重實踐基地建設，還不斷挖掘?qū)嵺`基地的成果、內(nèi)涵和文化，使學生拓寬視野、增強能力、塑造品格、樹立正確的三觀，從而達到立德樹人的目標[6]。

專業(yè)依托的軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（以下簡稱RAL實驗室），是我國軋制技術及其自動化領域唯一的國家重點實驗室。經(jīng)過20余年的發(fā)展，該實驗室在承擔國家重大、重點研究開發(fā)項目和國有大中型企業(yè)科研項目中取得了豐碩成果，推動我國在軋制領域?qū)崿F(xiàn)了從“跟跑”到“領跑”的偉大飛躍。作為世界鋼鐵業(yè)中“中國理念”——“綠色制造、制造綠色”的主要倡導者和推動者，豐富的科研成果為課程建設提供了許多高水平的工程實踐案例和令人信服的思想政治教育元素[7]。實驗室“實干、實績、實效”的科研理念和“把論文寫在祖國大地上”的精神追求都在潛移默化地影響學生的理想信念、價值取向和社會責任等方面[8-9]。

在寬厚板軋制領域，RAL實驗室在2005年和2014年分別憑借寬厚板軋機核心軋制技術和連續(xù)輥式淬火關鍵技術兩次獲得國家科技進步獎二等獎。2019年，實驗室與企業(yè)合作在國內(nèi)首次建成難焊接特厚復合板生產(chǎn)線。2020年，實驗室牽頭編制的《海洋平臺結構用中錳鋼鋼板》（標準號：GB/T 38713-2020）國家標準正式發(fā)布。寬厚板在國民經(jīng)濟和國防工業(yè)中占有重要的地位，獲得的榮譽和技術突破都讓學生對本專業(yè)教師產(chǎn)生敬佩之情，激發(fā)了學生的專業(yè)自豪感。學生通過感受專業(yè)教師的科研情懷和創(chuàng)新突破的使命擔當，更有利于找到適合自己的發(fā)展方向和學習動力，全身心投入學習，追求卓越。

3“線上+線下”開展工程實踐

工程實踐課程的目標是培養(yǎng)學生對材料成形產(chǎn)品用途和制備過程的直觀認知，使學生理解和掌握在材料成型及控制工程相關領域應遵守的社會規(guī)則、應具有的社會價值、應承擔的社會責任，培養(yǎng)學生的工程視野，使學生掌握現(xiàn)場生產(chǎn)與技術、經(jīng)濟、創(chuàng)新的協(xié)調(diào)關系。

本課程通過RAL實驗室實習和線上寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗，實現(xiàn)了現(xiàn)場實習和虛擬仿真的結合。在實驗室實習時，學生能夠了解各種軋制成形的方法和設備，認知熱軋―冷軋―退火全工藝流程。在實習過程中，指導教師充分發(fā)揮實踐育人作用[10]，結合實物呈現(xiàn)國家重點實驗室各課題組的科研成果，激發(fā)學生參觀的興趣和好奇心，引導學生關注科學、技術、工程三者之間的結合，關注科學問題、技術問題、工程和管理問題，啟發(fā)學生思考如何在工程中創(chuàng)新。

為了讓學生更深入地了解軋制過程，課程利用“寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實驗”進行實踐操作。在指導教師簡要介紹軟件開發(fā)背景、操作界面隱含的軋制工藝知識點、工藝約束和操作要求后，學生登錄賬號進行寬厚板橫軋―縱軋、粗軋―精軋壓下率制訂操作實踐。具體包括產(chǎn)品選擇、坯料選擇，粗軋寬度和厚度壓下率制訂，精軋厚度壓下率制訂，查看系統(tǒng)自動計算的各道次軋制溫度、軋制速度、軋制力和軋制力矩等軋制規(guī)程參數(shù)及其變化。在系統(tǒng)對不正確設定不斷給出提示和報警中，學生逐漸加深對軋制過程的工藝理解。

通過“線上+線下”的融合教學開展軋制成形工程實踐，學生可以更全面地了解金屬塑性加工領域的情況，增強運用本學科知識解決相關實際問題的能力。這種教學方式不僅提高了學生對軋制成形過程的理解，還有助于培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作精神。

“線上+線下”的融合教學模式，在培養(yǎng)學生對材料成形產(chǎn)品用途和制備過程的直觀認知方面取得了顯著成效。這種模式既讓學生在實際生產(chǎn)環(huán)境中感受到軋制過程中的各種設備和操作，又使學生通過虛擬仿真實驗深入了解軋制工藝，進一步提高了學生的實踐操作能力和理論素養(yǎng)。同時，通過參觀RAL實驗室和學習相關科研成果，學生對本專業(yè)教師的科研情懷、創(chuàng)新突破的使命擔當有了更深刻的認識，從而激發(fā)他們的學習興趣和動力，為今后的發(fā)展奠定了堅實基礎。

“工程實踐”課程通過“線上+線下”融合教學模式，使學生能夠全面了解軋制成形工程實踐，提高他們運用本學科知識解決實際問題的能力。這種教學方式不僅培養(yǎng)了學生的實踐能力和理論素養(yǎng)，還有助于塑造學生的價值觀和社會責任感。

4學生反饋

根據(jù)2018級、2019級和2020級三屆成型專業(yè)卓越班的課程調(diào)查表、課程答辯和工程實踐課程報告，學生提到，雖然客觀條件限制了去校外實習基地進行工程實踐，但是他們通過“線上+線下”的方式，開展軋制成形實踐，仍然獲得了很強的成就感。在實驗室參觀實習過程中，學生看到了眾多的實驗設備，拓寬了他們的專業(yè)視野，并感受到了科學實驗的樂趣和材料學科的魅力。虛擬實驗因為具有較高的逼真度，能夠細膩地表現(xiàn)生產(chǎn)過程中的各項設備、產(chǎn)品移動以及參數(shù)變化，學生對板坯的加熱、軋件的變形和溫度的變化過程、設備和工藝的約束條件都有了新的認知，同時加深了對金屬熱加工過程工程規(guī)范性和安全性的理解。

通過“線上+線下”開展軋制成形實踐，學生有了動手實踐的機會，學習的主動性明顯增強，通過反復操作練習，學生能夠真正理解和掌握所學的知識，并引發(fā)新的思考和自主學習。

5結語

基于東北大學材料成型及控制工程專業(yè)的科研優(yōu)勢、豐富的思政元素和虛擬實驗室建設成果，開展工程實踐，能夠幫助學生進行多維度、場景化和情景化的學習，拓寬其工程視野和科研視角。線上和線下相結合的實踐形式也增強了學生自主探究的學習樂趣，提高了學生對專業(yè)的熱愛程度。通過工程實踐，有利于學生更好地學習專業(yè)知識，促進創(chuàng)新能力和工程職業(yè)素養(yǎng)的提高。

基金項目：國家自然科學基金（51874088）；中央高校基本科研業(yè)務專項（N2002015）；2020年度教育部國家級一流本科課程（線下一流課程）“材料成形金屬學”。

參考文獻

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[3]丁樺，趙憲明，唐正友，等.材料成型及控制工程專業(yè)建設與教學改革[J].中國冶金教育，2021（5）：69-71.

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[5]張健平，蔡勇.“新工科”背景下工科類專業(yè)性實驗虛擬仿真教學模式的構建與實施[J].大學物理實驗，2022，35（4）：140-149.

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[10]彭良貴，丁樺，趙忠，等.強化教師在實踐教學中的作用探討[J].教育教學論壇，2017（13）：26-28.