新時代背景下實驗教學體系與模式探索

摘 要：材料成型及控制工程專業是材料科學、成形工藝與自動控制技術的綜合與交叉，是材料、機械、控制和計算機等多學科交叉融合的專業，也是典型的工程應用型專業。陜西理工大學材料成型及控制工程專業擁有40余年辦學歷史，經過長期建設，成為國家級一流專業建設點。伴隨專業的發展，實驗室建設也取得一定成效。當前材料成型及控制工程專業存在實驗教學理念落后、形式單一、實際工程受限、理論及方法研究不足等問題，基于新時代背景下專業人才培養的規格要求，通過構建和完善專業實驗教學體系，探索新時代背景下材控專業實驗教學改革的新思路、新路徑，專業構建出多方位融合的實驗教學體系基本框架，提出“四個層次、六個模塊、兩個開放”的專業實驗教學體系的培養模式，借此提高學生的工程素質，提升學生綜合分析問題、解決實際問題的能力。

關鍵詞：材料成型及控制工程；新時代；融合式實驗教學體系；人才培養；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）26-0009-06

Abstract： The major of material molding and control engineering is a comprehensive science integrating machinery， materials， control， computer and other fields， and it is also a typical engineering application-oriented major. The Material Forming and Control Engineering major of Shaanxi University of Technology has a history of more than 40 years， and has become a national first-class professional construction point after long-term construction. With the development of the profession， laboratory construction has also achieved certain results. At present， the major of material forming and control engineering has some problems， such as backward teaching idea， single form， limited practical engineering and insufficient research on theory and method. Based on the requirements of professional personnel training in the new era， through the construction and improvement of professional experimental teaching system， new ideas and new paths for experimental teaching reform of material control major in the new era are explored. The major constructs the basic framework of multi-directional integration of experimental teaching system， and puts forward the training mode of "four-level， six-module， two-open" professional experimental teaching system. In order to improve the engineering quality of students， enhance students comprehensive analysis of problems， the ability to solve practical problems.

Keywords： material molding and control engineering; new era; integrated experimental teaching system; personnel training; teaching reform

2021年4月22日，習近平主席在“領導人氣候峰會”上的講話指出：“中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。這是中國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求作出的重大戰略決策。”2020年3月4日聯合國教科文組織（UNESCO）設立世界工程日，彰顯工程師和工程對當今世界的貢獻，提升公眾對工程技術改善人類生活及推動可持續發展核心作用的認知。2015年5月19日，國務院正式印發《中國制造2025》，以體現信息技術與制造技術深度融合的數字化網絡化智能化制造為主線。智能制造技術將通過與其他新興技術，如語音、數據、視頻、感知計算和生命科學的交互融合，在經濟產業結構、組織生產方式、基礎設施建設等方面，通過遞進協同效應帶來社會生活的重大變革。新一輪科技革命和產業變革加速發展，科技對提高社會文明、生態文明協調發展，創造了中國式現代化新道路，創造了人類文明新形態[1]。在經濟產業結構、組織生產方式、基礎設施建設等方面，通過遞進協同效應帶來社會生活的重大變革。新一輪科技革命和產業變革加速發展，科技對提高社會生產力的貢獻更加凸顯[2]。由此可見新時代我國工程教育面臨的形勢將從“會不會做——專業知識和技能，該不該做——道德與價值取向，可不可做——社會、環境、文化等，值不值做——經濟與社會效益等”四個方面實現培養傳統工程師向培養當代工程師的轉變。從中國工程教育專業認證的十二條培養標準中實現了“知識應用能力、問題分析能力、設計開發能力、研究實踐能力”即會不會做的培養，實現了“環境保護意識”即可不可做的培養，實現了“綜合規劃能力、職業道德素質”即該不該做的培養，實現了“決策管理能力”即值不值做的培養[3]。

隨著科學技術的不斷發展和社會經濟的持續進步，對高等教育的要求也在不斷提高。材料成型及控制工程專業作為與材料科學、工程密切相關的領域，在新時代面臨著更多挑戰和機遇[4]。隨著科學研究的深入，新的智能成形技術不斷涌現，這要求高校培養更具創新能力和實踐能力的復合型專業人才。而傳統的實驗教學模式可能無法滿足這種需求，因此需要對實驗教學體系進行改革，更加注重學生的實踐能力培養和創新意識培養。隨著信息技術的普及和教育教學理念的更新，傳統的實驗教學模式已經不能完全適應現代教學的需要。新時代的高等教育要求教學體系更加注重學生的個性化學習和自主學習能力的培養，因此需要對實驗教學體系進行改革，引入更多先進的教學方法和手段，提高教學效果和質量。由此可見，對材料成型及控制工程專業實驗教學體系進行改革，以適應時代發展的需要是必然的選擇。

隨著社會科技的發展、信息技術及人工智能應用領域的拓展，行業對于材料領域尤其是智能材料成形專業的人才需求，更加趨向于實踐型、創新型、復合型。《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》（以下簡稱《國標》）的內容[5]包括：明確該專業類內涵、學科基礎、人才培養方向等。明確該專業類的培養目標，對各高校制定相應專業培養目標提出原則要求。該《國標》規范了專業類知識體系和核心課程體系，對相關課程的學時學分具有具體的要求[6]。但大部分專業《國標》對實踐教學描述比較宏觀，沒有明確實驗教學的具體要求。畢業設計、實習等獨立實踐環節形式上尚可；實驗，特別是非獨立設置實驗環節運行，缺少內容、學分或學時、師資與條件配置等方面基本標準，導致課程大綱實驗學時數量不夠或實驗學時執行不到位[7-8]。由此可見，工科尤其是材料成型及控制工程這類跨學科的工科專業，專業實驗教學體系化構建及實驗內容的改革與實踐更加重要[9-10]。

陜西理工大學材料成型及控制工程專業的培養定位是為地方經濟建設與產業發展培養高素質應用型人才，本文將結合涉機械、材料學科專業發展的新形勢、現代智能成形技術的創新發展及新時代的戰略需求，通過優化整合實踐教學內容、創新實踐教學模式、豐富人才培養內涵，探索新時代背景下材料成型及控制工程專業多方位多角度融合式實踐教學改革的新思路、新模式。

一 材料成型及控制工程專業實驗教學現狀

陜西理工大學材料成型及控制工程專業是國家級一流專業建設點，多年來依托省級重點學科、省級虛擬仿真實驗教學中心和材料加工示范中心，制定了相關的理論教學+實驗教學+集中實踐教學的三段式教學體系，在培養學生實踐能力方面取得了一定的效果。但相比于一些高水平應用型大學，仍然存在許多問題。

實驗內容與實際工程脫節，實驗內容與實際工程應用不符合，導致學生在實踐中遇到困難。實驗內容陳舊，未能突出學生解決復雜工程問題的內涵，教學目標不明確，實驗內容與工程實際結合不夠緊密，如果學生在實驗中沒有接觸到與實際工程相關的內容，難以提升學生工程實踐能力，那么在就業市場上的競爭力可能會受到影響，因為缺乏與工程實踐相關的經驗和技能；實驗設計可能缺乏真實工程場景的模擬，導致學生在實驗中難以體會到實際工程中所面對的挑戰和問題，實驗教學體系與產業界合作不足，缺乏真實的工程項目或案例引入，使學生難以理解工程實踐的實際需求和應用場景。

實驗教學平臺未能集聚優勢學科、特色專業、高新企業的資源，實驗教學系統缺乏信息技術融合，難以支撐實驗教學的有效實施；缺乏信息技術融合的實驗教學系統可能無法充分利用現代技術手段，如虛擬實驗平臺、遠程實驗控制等，從而限制了教學的效果和范圍。

實驗教學模式未能形成以學生為中心的多元化教學形態，主要還是以評教為主，沒有真正實現向評學的機制轉變，而且教學方式比較單調，學習方式單一，難以滿足學生實驗的個性化需求。

材料成型及控制工程專業屬于機械類專業，但是學科門類又屬于材料科學與工程一級學科范疇，這個專業涉及多個學科領域，但實驗教學隊伍可能缺乏跨學科交叉的教師，缺乏相關專業領域的資深教師，缺乏具有工程實踐經驗的人員，部分教師可能缺乏最新的專業知識或工程實踐經驗，導致教學內容不能夠全面覆蓋相關領域，影響了教學質量。且未能建立可持續協調發展的機制，科研與教學分離，難以保障實驗教學的持續改進。

二 新時代背景下融合式實驗教學體系與模式的構建

（一） 實驗教學體系與模式構建的基本原則

材料成型及控制工程專業實驗教學體系與模式的構建側重于注重六個平衡。

1 理論與實踐的平衡

實驗教學既要注重傳授理論知識，又要強調實踐操作，確保學生既理解理論又能夠運用于實際工程中。

2 基礎與前沿的平衡

實驗內容應既包括基礎知識的講解與實踐，又要涵蓋最新的前沿技術與研究進展，使學生在實驗中不斷接觸到最新的科學發展。

3 個性化與群體性的平衡

教學體系應該兼顧個體學生的差異，同時也要培養學生的團隊合作精神，使其能夠在團隊中協作完成實驗項目。

4 教師指導與學生自主的平衡

教師在實驗教學中扮演著重要角色，但也要給予學生足夠的自主空間，鼓勵他們主動探索、思考、實踐。

5 傳統手段與現代技術的平衡

實驗教學既要保留傳統的實驗手段和方法，又要積極引入現代化的實驗設備和技術，以適應時代發展的需要。

6 評價與反饋的平衡

教學評價應該全面、客觀，并及時給予學生反饋，幫助他們及時發現問題、改進提高。

通過注重以上六個方面的平衡，可以構建一個更加完善和有效的材料成型及控制工程專業實驗教學體系與模式，更好地滿足學生的學習需求，培養他們的實踐能力和創新意識。實驗教學體系建設六對平衡關系中的每對平衡點，會隨著經濟社會發展對高校人才培養要求的不斷變化而變化；根據人才培養目標的實現，不斷梳理傳統實驗內容，剔除陳舊實驗項目，優化綜合設計型實驗項目，引入由科研成果和工程實踐轉化的實驗項目（前沿實體+虛仿），實現實驗教學體系與課程內容的重構與創新。“實驗+實習”所占學時比例符合人才培養和教育部相關規定要求。

（二） 專業實驗教學標準化建設的實踐路徑

1 創新理念

構建產出導向教育理念貫穿的教學體系，正向設計、反向施工，并明確各個實驗教學環節的目標和重點，確定要強調的知識點和技能要求。總體規劃以新工科的學科交叉和信息技術深度融合等為指導思想，促進專業人才培養教學理念、教學體系、實驗教學模式改革，確立以學習者為中心的人才培養理念，促進以教為主到以學為主、以專業教育為主到以通識教育和專業教育為主、以課堂為主到以課內外結合為主、以結果評價為主到以結果和過程評價結合為主的“四個轉變”。

2 細化學生知識、能力、素質等培養具體目標要求

緊扣《國標》所規范的專業培養目標原則要求，將總體培養目標按照“會做人——素質要求，會做事——知識能力要求，會溝通——能力要求，會交流——能力要求，會合作——能力要求”細化為五個具體的培養目標，為重構實驗課程體系結構提供頂層設計要求。

3 重構實驗課程體系的結構

課程模塊、課程名稱及學分或學時的重構嚴格按照《國標》、T/CEEAA 001—2022《工程教育認證標準》和《工程教育認證專業類補充標準》規定的要求，精心設計和遴選規劃實驗項目，通過剔除陳舊、緊密結合工程實際、引入前沿（實體+虛仿），以最大限度提升實驗內容對專業畢業要求和培養目標的支撐度方案，注重學生全面、個性化、自主性發展。

4 建立“實驗內容及教學運行-能力實現矩陣圖”

建立矩陣圖：橫坐標為學生專業知識、能力、素質細化后的五個培養分目標；縱坐標為具體的實驗課程（或課程實驗）、實驗項目、理論講授教師和實驗指導教師的配備情況及實驗分組情況等；用H、M、L三種不同的支撐度反映實驗內涵。

5 制定新的課程教學大綱及具體教學和考核要求

將所有實驗類課程的教學大綱按照知識、能力、素質等分解要求，按照OBE理念正向設計、反向施工，并明確各個實驗教學環節的目標和重點，確定要強調的知識點和技能要求，制定新的課程教學大綱。

（三） 實驗教學體系化標準化的建設

在教育部本科教學合格審核評估的基礎上，根據材料成型及控制工程專業2022版教學計劃要求、材料加工省級示范中心和材料科學與工程省級虛擬仿真實驗教學中心的建設規劃，在實驗實踐教學體系構建原則的指導下，專業實驗教學體系建設成為“四個層次、六個模塊、兩個開放”的“462”實驗教學體系（圖1）。

演示實驗通過哥氏慣性力、慣性主軸等動力學演示，靜力學、運動學演示，各種破壞斷口形貌展示和各種復雜結構應力場演示，尼古拉茲流體力學實驗的演示，著重趣味性與知識性結合，重點培養學生由現象觀察體會材料成形過程中基本規律的能力。

基本實驗是材料成形過程中基礎教學必須掌握的實驗，是認識、驗證材料成形理論規律的必備手段。重點培養學生掌握標準化的實驗程序和規范化的操作，從而具有提高實驗數據準確性的意識和能力。

綜合實驗主要培養學生緊密結合工程實際，運用基本理論、基本實驗技能解決問題綜合能力；通過材料成形理論與實驗教學，培養學生從工程實踐中提煉其材料組織與性能之間的相關屬性，再運用相關知識解決實際問題。例如沖裁間隙對沖裁力、沖裁件端面質量及尺寸的影響，電阻點焊工藝參數優化綜合實驗等一批完全來自工程實際提煉的實驗項目。

創新實驗主要通過每學期精心設計20～40項實驗項目供100～150名學生選擇；實驗項目涵蓋材料科學基礎、液態成形過程、塑性及其模具仿真設計等相關實驗方法研究；體現科技革命與產業變革的新方法、新技術及其在工程中的作用，允許和鼓勵學生自擬實驗項目。

挑戰實驗的開展以解決問題為根本出發點，學生綜合運用理論知識，查閱相關資料，自行設計實驗，充分發揮學生的創造性；以開展挑戰實驗競賽的形式，充分調動學生的積極性，通過挑戰實驗，在掌握材料成形基本實驗技術的同時，培養學生的創新能力、工程設計能力、團隊合作能力，激發學生的學習興趣和探索欲望，理論聯系實際，學以致用。

（四） 實驗教學體系化標準化的建設成效

1 打造了“理論-仿真-實驗”三位一體化的虛實結合實驗教學體系

基于優化課程實驗，實現虛實融合專業實驗教學課程體系內容的重構。通過對材料成型及控制工程專業實驗教學內容的整理和優化，建立一套完整的虛實融合的專業實驗教學課程體系。將計算模擬實驗與材料成形工藝計算相結合，實現材料成分設計和成形工藝優化仿真有的放矢，推動深度學習、混合學習、分析學習的智慧教學模式的實施。虛擬仿真與實體實驗彼此扶持，互為補充，構建“理論－仿真－實驗”三位一體化的實驗教學模式（圖2）。

2 設置了四類實驗教學課程

針對以前實驗教學中出現的實驗內容與實際工程脫節，實驗教學系統缺乏信息技術融合等問題，開展了四類實驗課程（表1）。

線上（虛擬仿真實驗（20%～50%學時）+線下（實體實驗）+線上理論輔助學習相結合的混合實驗課程，其中虛擬仿真實驗教學項目采用國家虛擬仿真實驗教學項目構建課程內容；線下實體實驗課程增加了綜合型、創新型實驗，通過優化減少理論學時，強化綜合設計實驗，培養學生以問題為切入點，自主學習能力的養成，強化對材料成形基本原理和基本工藝設計技能的綜合運用能力，新開設了一些實體實驗，形成了基本驗證型實驗、綜合和設計型實驗、創新型實驗漸進式教學體系；線上實驗課程和虛擬仿真實驗課程選用了實驗空間國家級一流虛擬仿真實驗項目，如汽車白車身成形制造全流程虛擬仿真實驗項目等。四類實驗課程的主要實驗教學項目見表2。

3 優化了主要實驗教學方法、手段

建立了“自主式、合作式、研究式”等實驗教學方法。根據其開設實驗課程自身特點的不同采取不同的教學方法與手段。按照由淺到深，由簡單到綜合，逐步遞進的階梯式能力培養設計原則。例如材料科學基礎實驗，學生通過實驗教學掌握基本實驗操作方法，能夠正確地使用光學顯微鏡、力學性能等測試儀器設備，在做實驗的過程中通過光學金相顯微鏡，繪制Fe-C合金中的主要組織形貌的示意圖，達到一定的美育培養目的，通過對合金力學性能的測試實驗，掌握如何準確地采集實驗數據的方法，并初步建立材料組織決定性能的思維。通過小組自行組隊，使其具有團隊分工和合作意識，并具備正確記錄、處理實驗誤差的能力，理解儀器設備等的局限性，在實驗結果采集、小組討論匯總后，利用Origin等實驗數據處理軟件，培養學生能夠正確如實地表達實驗結果的能力。最后通過小組匯報的形式，指導教師能夠了解“學”的情況，掌握學生是否具有通過查閱手冊、工具書及其他信息源獲得信息以解決實際問題的能力。其中的“導學互動式”的實驗教學方法，以學生為主體的“變教為導，以導促學，學思結合，導學互動”，激發學生的學習興趣和創新能力（圖3）。

4 建立了多元考核機制

堅持“學生為中心、產出導向、持續改進”原則，建立過程評價與結果評價相結合的實驗教學質量評價體系，采用“學生評教、課程負責人評價、實驗教師互評”三位一體評價體系，合理運用評價結果，對實驗/實踐教學持續改進。評價結果將用于教學質量持續改進，教師教學效果，教學單位考核指標之一，實驗教師職稱晉升、績效津貼發放、教學名師備選等。實驗單獨設課，學分制計成績，實驗操作20%+實驗設計方案15%+數據處理與分析15%+口頭匯報答辯10%+實驗報告30%+期末閉卷考試10%。其中以實驗報告作為主要考核手段。從內容完整性來說，包括實驗目的、方法、結果分析、結論和思考等；從數據準確性來說，包括實驗數據的準確性和可靠性；從結果分析能力來說，包括對實驗結果的合理分析和推斷能力。實驗報告以這三個方面考核評價。期末考核結合材料成型及控制工程專業實驗課程的特點，以學生獨立觀察判斷的能力為主，考察相關實驗及理論知識掌握程度。實驗成績登記、建檔。在考核中，為防止只看結果不看過程的弊病，要側重了解學生的思路和發現問題的能力。實驗教學的考試與考核鼓勵創新，對于有創見的學生，成績從優。

5 強化了實驗教學隊伍的建設

陜西理工大學非常重視實驗教學工作的發展和實驗教學隊伍的建設。陜西理工大學在《陜西理工大學“十四五”事業發展專項規劃》文件中強調了教學隊伍的建設，對師資隊伍培養、激勵機制建設、學科交叉融合、教學研究與創新和國際化合作等均作了詳盡的規定。材料科學與工程學院實驗教學中心根據實驗室建設并結合專業和學科發展的要求，依據學校師資隊伍建設要求，制定了師資隊伍發展規劃。

材料成型及控制工程專業建立了一支以專業帶頭人、教授、博士和高級實驗師等骨干教師為核心的教學師資隊伍。根據《陜西理工大學新任教師授課資格認定辦法》和《陜西理工大學教師課堂教學工作規范》，實驗中心嚴格執行學校的教學工作條例——《陜西理工大學實驗（實訓）教學中心工作條例》，堅持院領導、中心主任聽課制度，建立和完善對教師、實驗技術人員的教學質量評價體系，學校制定實驗中心各類人員的崗位職責，每年進行考評。材料科學與工程學院為了保證實驗中心工作的順利發展，出臺了《材料科學與工程學院實驗室安全管理規定》《材料科學與工程學院實驗室開放管理規定》《材料科學與工程學院實驗中心主任工作職責》一系列政策和規定，引導優秀教師參與實驗教學，保證了實驗中心隊伍的穩定發展。

實驗中心隊伍培養培訓優化首先要求青年教師參加高校教師崗前培訓，進行職業道德、教育法規、教育心理學和教育理論與方法等方面的學習，使他們明確教師的責任、權利、義務，具有較強的責任感和使命感。凡是材料成型及控制工程專業新上崗的青年教師，需到實驗教學中心參加1～2年的實驗教學工作，由教學經驗豐富的老教師帶教，制訂培養計劃，傳授教學經驗和教學方法，幫助青年教師盡快提高業務能力和教學水平；中心經常舉辦實驗技術和實驗儀器設備使用維護方面的培訓，以提高教師的實驗操作能力；中心專職教師需到各相關系室進行教學培訓，以保證實驗教師的教學水平不斷提高。

三 結束語

結合新時代對人才建設的需求， 以材料成形制備、 材料成形工藝設計仿真、 工程應用為主線， 調整并優化專業原有的實驗體系與內容， 開展適應新時代的專業實驗教學體系探索與建設， 對于推動新時代背景下材料成型及控制工程專業的工程教育認證和實驗與實踐教學縱深改革具有積極意義。構建產出導向教育理念貫穿的教學體系，正向設計、反向施工，并明確各個實驗教學環節的目標和重點，確定要強調的知識點和技能要求。通過對教學內容、教學方法、評價標準等方面的改革與創新， 結合本科生研究計劃（Participation in Research Program，PRP）、工程能力訓練， 建立了“四個層次、六個模塊、 二個開放”，“理論-仿真-實驗”三位一體化的虛實結合實驗教學體系，通過實踐，發現該實驗教學體系可以最大限度地調動學生開展實驗的積極主動性，并培養與鍛煉了學生的綜合科研素質和解決復雜工程問題的能力，提升其實驗技能和科學素養，達到了實驗教學目標，從而更好地滿足新時代背景下行業和專業工程領域對材料成型及控制工程專業復合型、 應用型人才的需求。

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基金項目：2023年度陜西本科教學改革研究項目“思政與智造融合地方院校材料成型及控制工程專業人才培養新模式構建與實踐”（23BY123）；2023年度陜西本科教學改革研究項目“地方高校新型基層教學組織‘虛擬教研室’建設與實施路徑研究”（23BG043）； 2023年度陜西本科教學改革研究項目“地方高校材料類專業校企協同應用型人才培養改革與路徑探索”（23BZ049）

第一作者簡介：唐玲（1979-），女，漢族，陜西漢中人，碩士，教授，系主任。研究方向為凝固理論及其新材料的制備。