董桂偉, 趙國群, 宋立彬, 鄭 超, 欒貽國

(山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

0 引 言

高等工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)系緊密，對服務(wù)和支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級意義重大。目前，我國已經(jīng)擁有世界上最大規(guī)模的工程教育。但從產(chǎn)業(yè)的需求看，在相當(dāng)一部分專業(yè)就業(yè)比較困難的同時，大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡(luò)空間安全、機(jī)器人、人工智能等領(lǐng)域的畢業(yè)生供需比高達(dá)1∶10。這表明我國當(dāng)前的工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)脫節(jié)，工程人才培養(yǎng)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需改革和發(fā)展。為應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，2017年2月18日，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，與會高校對新時期工程人才培養(yǎng)進(jìn)行了熱烈討論，共同探討了新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇，達(dá)成了《“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識》?！稄?fù)旦共識》的發(fā)布引發(fā)了全社會和高等學(xué)校的廣泛討論和積極響應(yīng)，教育部在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步組織相關(guān)高校進(jìn)行研討商議，形成并通過了面向“培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐”的《“新工科”建設(shè)行動路線》和“聚焦國家新需求、謀劃工程教育新發(fā)展”的《新工科研究與實踐項目指南》，提出了“新工科”建設(shè)指導(dǎo)意見。

上述“新工科”建設(shè)的指導(dǎo)性文件強(qiáng)調(diào)，新工科是以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景的工程學(xué)科建設(shè)和改革，一方面要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。這說明“新工科”建設(shè)不僅要設(shè)立一批新興工程學(xué)科，更重要的是要圍繞產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展以及行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求，樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”，構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，探索實施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質(zhì)量”，建立完善中國特色工程教育的“新體系”。而對于目前的高等工程教育質(zhì)量，業(yè)界的共同反映是畢業(yè)生工程實踐能力較弱，崗位適應(yīng)慢，缺乏創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，缺乏團(tuán)隊合作和敬業(yè)精神。要改變當(dāng)前的工程教育質(zhì)量現(xiàn)狀，適應(yīng)“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵要求，一個重要的途徑就是在培養(yǎng)學(xué)生掌握牢固專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展、行業(yè)需求以及學(xué)生興趣，加強(qiáng)、改革和創(chuàng)新現(xiàn)有實驗教學(xué)方法體系，豐富和提升實驗教學(xué)內(nèi)容和質(zhì)量，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)新體系，充分鍛煉和提升學(xué)生的動手操作能力和實踐創(chuàng)新能力。

但需要指出的是，由于“新工科”建設(shè)還處于探索階段，目前國內(nèi)各高校的實驗教學(xué)模式還不能完全適應(yīng)這一新的要求，在實驗教學(xué)觀念、實驗課程設(shè)計、實驗教學(xué)考核等方面還存在一定的不足。因此，必須大力改革現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式，創(chuàng)新實驗教學(xué)方式方法，對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)性、綜合性、協(xié)作性和創(chuàng)新性的實驗教育，大大強(qiáng)化其工程素質(zhì)和工程實踐能力。本文圍繞“新工科”建設(shè)背景下，對我校材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)近年來在實驗教學(xué)新方法探索和構(gòu)建等方面的情況進(jìn)行總結(jié)和回顧，闡述并進(jìn)行了面向“新工科”建設(shè)的實驗教學(xué)方法體系的初步思考和實踐。

1 材料成形及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)原有方法體系分析

我校材料成形及控制工程專業(yè)是由1956年成立的鑄造、壓力加工和1958年成立的焊接等3個專業(yè)在1998合并而成立的，包括鑄造技術(shù)及工程、塑性成形及模具技術(shù)、焊接技術(shù)及工程3個專業(yè)方向，是國家級特色專業(yè)、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點專業(yè)、專業(yè)綜合改革試點專業(yè)。2014年通過中國工程教育專業(yè)認(rèn)證。本專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠在材料成形及控制工程領(lǐng)域中從事研究、設(shè)計、開發(fā)、檢驗及組織管理等工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。由于本專業(yè)下設(shè)3個方向，相關(guān)方向的實驗教學(xué)相對獨立，故本文以塑性成形及模具技術(shù)方向作為基礎(chǔ)展開論述。

1.1 原有實驗教學(xué)體系和方法

材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)原有實驗教學(xué)課程體系包括材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗、材料成形基礎(chǔ)實驗、材料成形技術(shù)實驗、材料成形過程綜合實驗等4個大的類別。每個實驗類別分別開設(shè)了不同的實驗內(nèi)容，在原有實驗教學(xué)體系的教學(xué)方法方面，材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗、材料成形基礎(chǔ)實驗和材料成形技術(shù)實驗的教學(xué)方法以教師演示和學(xué)生驗證為主，材料成形過程綜合實驗以教師指導(dǎo)、學(xué)生分組設(shè)計、協(xié)同操作為主。本專業(yè)方向原有的實驗教學(xué)課程、內(nèi)容和教學(xué)方法等體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)原有實驗教學(xué)體系和方法

從圖1可見，材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)的原有實驗教學(xué)體系屬于比較單一的模塊化體系，材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成形基礎(chǔ)與材料成形技術(shù)等3類實驗項目占整個實驗教學(xué)課程體系的比例很大，而材料成形過程類的綜合實驗項目較少。在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料成形基礎(chǔ)與材料成形技術(shù)等3類實驗項目的內(nèi)容設(shè)計均比較簡單，大都圍繞課堂教學(xué)的某一個知識點展開，同時受內(nèi)容和安排的限制，這3類實驗項目的教學(xué)方法大多數(shù)只能選擇教師演示和學(xué)生重復(fù)驗證的路徑。而對于材料成形過程類的綜合實驗，原有體系中開發(fā)和設(shè)計的實驗項目較少，學(xué)生選擇的余地較小，雖然采取了學(xué)生分組設(shè)計、協(xié)同操作和教師指導(dǎo)的教學(xué)方法，但由于本身設(shè)計項目較少，學(xué)生各組之間的重復(fù)性也較大。

1.2 原有實驗教學(xué)方法體系存在的問題

在如圖1所示的實驗教學(xué)體系實施過程中，作者及教學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)方法體系存在一定的缺點和不足，對實驗教學(xué)效果和學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的鍛煉均存在不利的影響，主要表現(xiàn)在：

(1) 實驗教學(xué)項目設(shè)計不合理。①驗證性、演示性實驗所占的比例偏多，這類實驗教學(xué)項目的設(shè)計對學(xué)生復(fù)習(xí)和掌握課堂知識具有一定的作用，但目前該類項目設(shè)計偏多，特別是所有項目都對學(xué)生開放，導(dǎo)致原有的實驗教學(xué)內(nèi)容僅停留在“作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充、驗證”的角色，學(xué)生自主創(chuàng)造設(shè)計的機(jī)會少，同時，在該類實驗教學(xué)項目的授課過程中，最直接的表現(xiàn)就是“教師教的多，學(xué)生做的少”，產(chǎn)生的后果就是學(xué)生大量模仿教師所做實驗，不利于整個實驗教學(xué)質(zhì)量的提升，也影響了學(xué)生的自主創(chuàng)造能力。②綜合性、設(shè)計性實驗偏少，該類實驗項目對于學(xué)生深刻認(rèn)識和靈活運用課堂所學(xué)專業(yè)知識具有良好的促進(jìn)作用，但目前該類實驗項目設(shè)計較少，涉及的材料成形過程也較單一，不能完全覆蓋學(xué)生課堂所學(xué)的成形工藝，使得學(xué)生在實驗過程中的工藝選擇窗口較窄，學(xué)生表現(xiàn)“重復(fù)性工作多”。

(2) 實驗安排及學(xué)時設(shè)置不合理。原有的實驗教學(xué)體系由于驗證性、演示性實驗偏多，而這類實驗內(nèi)容往往是對課堂教學(xué)某一章節(jié)而設(shè)計，但在實際實驗教學(xué)安排中，受整體教學(xué)進(jìn)度的限制，實驗教學(xué)課程大都安排在學(xué)期末或者課程結(jié)束以后，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)操作這些實驗內(nèi)容的時候效果不佳，表現(xiàn)為與課堂教學(xué)的內(nèi)容銜接不上，學(xué)生印象不深刻；同時，受課堂教學(xué)學(xué)時安排的影響，這些驗證性和演示性的實驗大都僅有1節(jié)課的學(xué)時安排，學(xué)時太少，學(xué)生很難每個人都有實際動手操作的機(jī)會，表現(xiàn)為“1人做，多人看”。

(3) 實驗教學(xué)考核體系不合理。實驗考核是檢查學(xué)生掌握實驗技能的手段，對學(xué)生綜合能力的評定是否客觀合理，將影響到學(xué)生做實驗的積極性和實驗教學(xué)質(zhì)量。目前原有的實驗教學(xué)體系內(nèi)容由于不能單獨設(shè)課，其實驗考核的成績在課程考核成績中所占比例很小。同時，原有實驗教學(xué)項目的考核方式還停留在學(xué)生完成實驗報告，無法反映在期末考試試卷上，導(dǎo)致個別學(xué)生實驗前不預(yù)習(xí)、實驗時不動腦筋、實驗報告馬虎潦草應(yīng)付了事，這都影響學(xué)生實驗技能和實踐創(chuàng)新能力的提高。

2 “新工科”建設(shè)背景下實驗教學(xué)方法體系的思考和設(shè)計

針對材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)原有實驗教學(xué)體系和教學(xué)方法中存在的問題，作者及教學(xué)團(tuán)隊一直致力于專業(yè)方向?qū)嶒灲虒W(xué)方法體系的改革和創(chuàng)新。特別是面向最新提出的“新工科”建設(shè)內(nèi)涵，作者就如何改革現(xiàn)有實驗教學(xué)體系和構(gòu)建“新工科”建設(shè)背景下的實驗教學(xué)新方法進(jìn)行了初步思考和設(shè)計。

(1) 明確和提升實驗教學(xué)的目標(biāo)定位?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是“培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才”，這就意味著傳統(tǒng)的課堂教學(xué)輔助地位的實驗教學(xué)模式不能滿足這一要求，必須進(jìn)一步明確提升實驗教學(xué)在整個工程學(xué)科人才培養(yǎng)體系的目標(biāo)和定位，要把切實提高培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、實踐操作、開放探索、團(tuán)隊意識與協(xié)助等各方面素質(zhì)作為“新工科”建設(shè)背景下的實驗教學(xué)目標(biāo)定位。

(2) 改革和創(chuàng)新實驗教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)“新工科”建設(shè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，要在以提高學(xué)生工程實踐能力、實際分析和解決問題能力及創(chuàng)新能力的原則下重新規(guī)劃和設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)實驗教學(xué)與理論教學(xué)的合理搭配和相得益彰。同時，還要面向?qū)W科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷更新和適時調(diào)整實驗教學(xué)內(nèi)容，淘汰內(nèi)容陳舊和技術(shù)落后的實驗內(nèi)容，重新設(shè)計和組合實驗項目。

(3) 改革和調(diào)整實驗教學(xué)方法和手段。要實現(xiàn)“新工科”建設(shè)所要求的交叉復(fù)合型卓越工程科技人才目標(biāo)，必須改革原有的實驗教學(xué)方法，要實現(xiàn)教師和學(xué)生的角色定位互換，要充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，調(diào)整教師的引導(dǎo)地位，調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，增強(qiáng)學(xué)生對實驗思路、方案設(shè)計、實際操作及結(jié)果分析和總結(jié)的訓(xùn)練。同時，還要改革實驗教學(xué)考核模式，優(yōu)化實驗教學(xué)考核方法，強(qiáng)化實驗操作能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力等方面的考核。

基于上述思考，作者結(jié)合材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)的特點，提出了新時期“新工科”建設(shè)背景下的實驗教學(xué)方法體系設(shè)計思路(見圖2)，即積極探索創(chuàng)新型、綜合化的實驗教學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建以驗證性實驗為基礎(chǔ)、綜合與設(shè)計性實驗為主體、創(chuàng)新與探索性實驗為重點的實驗教學(xué)體系；落實以學(xué)生為中心的“新工科”工程教育理念，研究開設(shè)系列綜合性、問題導(dǎo)向性、前沿探討性實驗項目，擴(kuò)大學(xué)生選擇空間，增強(qiáng)學(xué)生選題興趣，更新、建設(shè)豐富、新穎并滿足行業(yè)發(fā)展需要的實驗課程內(nèi)容；探討實驗單獨設(shè)課方式，改革現(xiàn)有實驗教學(xué)考核模式，突出師生互動與小組協(xié)作，強(qiáng)調(diào)過程考核與實驗結(jié)果的逆向分析，建立以學(xué)習(xí)者為中心的實驗教學(xué)多元考核機(jī)制。

圖2 “新工科”建設(shè)背景下的實驗教學(xué)方法體系設(shè)計思路

3 “新工科”建設(shè)背景下實驗教學(xué)方法體系的構(gòu)建

根據(jù)上述設(shè)計思路，作者及教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建了面向“新工科”建設(shè)的材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)實驗教學(xué)方法體系(見圖3)。實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)上采用驗證性實驗、綜合與設(shè)計性實驗、創(chuàng)新與探索性實驗3個層次，其中，驗證性實驗包含材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗、材料成形基礎(chǔ)實驗和材料成形技術(shù)實驗3部分，綜合與設(shè)計性實驗包括金屬成形、塑料成形以及特種成形3個部分，創(chuàng)新與探索性實驗面向新技術(shù)開設(shè)。

圖3 塑性成形及模具技術(shù)方向?qū)嶒灲虒W(xué)新方法體系

在實驗教學(xué)內(nèi)容方面，驗證性實驗的內(nèi)容項目進(jìn)一步系統(tǒng)化，同時給予學(xué)生一定的自由度，可自主選擇感興趣的課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實驗驗證，在實際教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行內(nèi)容精簡，目前主要設(shè)計了材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)的金相、組織分析、硬度測試等內(nèi)容，材料成形基礎(chǔ)相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變曲線、不均勻變形、模具拆裝、杯突試驗等內(nèi)容，以及材料成形技術(shù)相關(guān)的金屬板料成形、金屬體積成形、塑料擠出成形、塑料注射成形以及快速成形等內(nèi)容，學(xué)生各選其一進(jìn)行實驗即可；綜合與設(shè)計性實驗的內(nèi)容項目大幅增加，在原有板料成形過程綜合實驗和塑料注塑過程綜合實驗的基礎(chǔ)上，先后開發(fā)了金屬體積成形綜合實驗、塑料改性與性能測試綜合實驗，激光成形過程綜合實驗以及型材擠出成形過程綜合實驗等內(nèi)容，使之成為整個實驗教學(xué)體系的主體；創(chuàng)新與探索性實驗的內(nèi)容面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點和前沿，設(shè)計開發(fā)了增材制造創(chuàng)新實驗、塑料輕量化成形創(chuàng)新實驗以及新型合金板材成形性能創(chuàng)新實驗。

在實驗教學(xué)方法方面，改革原有以教師講解演示為中心的教學(xué)模式，突出學(xué)生的主體地位，變?yōu)橐詫W(xué)生動手和操作為中心的互動模式，驗證性實驗由學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書自己設(shè)計驗證試驗方案，教師引導(dǎo)完成；綜合與設(shè)計性實驗學(xué)生根據(jù)總體要求自行分組，設(shè)計實驗方案，分工進(jìn)行實驗并分析實驗結(jié)果，教師對實驗過程進(jìn)行協(xié)調(diào)和指導(dǎo)；創(chuàng)新與探索性實驗完全由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計，自主實驗，教師參與方案的討論和結(jié)果分析。在實驗教學(xué)的考核模式上，變結(jié)果考核為過程考核，教師對學(xué)生實驗的過程進(jìn)行評價，實驗結(jié)果做為參考，同時，對于分組進(jìn)行的綜合實驗，采取學(xué)生組內(nèi)互評的方式，由學(xué)生自己為自己評定成績，突出學(xué)生的自主權(quán)。另外，在實驗教學(xué)手段上，本專業(yè)近年來建設(shè)了基于網(wǎng)絡(luò)的材料成形仿真實驗室，用以配合學(xué)生自主設(shè)計方案可行性的評價，避免實驗資源的浪費。

面向“新工科”建設(shè)所構(gòu)建的材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)實驗教學(xué)新方法體系在2017年秋季學(xué)期已經(jīng)進(jìn)行了初步的實施，實驗教學(xué)效果良好，學(xué)生的積極性和參與度有了顯著提升，學(xué)生的主體地位和主動性得到了充分發(fā)揮，綜合能力和創(chuàng)新能力均得到了鍛煉和提高。

4 結(jié) 語

材料成形及控制工程專業(yè)(塑性成形及模具技術(shù)方向)實驗教學(xué)新方法體系在“新工科”建設(shè)內(nèi)涵的指導(dǎo)下，更加注重學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)，在初步實施過程中已經(jīng)取得了良好的效果。但工程學(xué)科實驗教學(xué)的改革與“新工科”建設(shè)一樣，是一個全局和復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要不斷的實踐和改善，是一個長期的過程。怎樣從本質(zhì)上提高實驗教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具有國際視野、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會需求、能夠科學(xué)處理解決實際工程問題、并具有較強(qiáng)創(chuàng)新意識的新時期應(yīng)用型工程人才，需要改革的方法和途徑還有很多，仍需要不斷摸索和總結(jié)。