基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程建设与思考

吕庆功，秦 子，许文婧

（北京科技大学 高等工程师学院，北京 100083）

演进速度快、创新程度高是当前产业发展的时代特征，需要学生形成应对复杂工程问题的综合能力和创新能力。为了达成解决复杂工程问题能力培养的目标，高等工程教育的人才培养理念需要从“知识配置观”向“适变能力观”转变[1-3]。工程认知类课程具有启蒙工程思维、激发学习兴趣和引导专业志向的重要作用，可以激发学生求知和探索的主观能动性，提升学生在大学阶段知识学习和能力转型的成功率和效率，是“适变能力观”工程教育改革的重要环节。我校钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台是国家级虚拟仿真实验教学中心，基于该平台的工程实践教学具有良好的工程背景和虚拟仿真教学资源条件[4]，呈现出实践性、系统性、启发性和趣味性，具备进行工程认知课程建设与改革的基础条件。本文从课程定位、课程目标、课程内容、教学方式、考核方法、师生关系、资源支撑、持续改进等方面进行分析探讨，旨在及时总结经验、提高认识，提升工程实践教学质量，促进工程实践教学改革。

1 基于适变能力观的课程定位

在基于“知识配置观”的传统教学模式下，学生在大学一、二年级学习基础知识，在大学三年级或四年级进行基于行业和企业的工程实践。而“适变能力观”主张让学生尽早接触产业环境，建立工程意识。图1 为两种理念引发的两种教学模式对比[5]。可以看出，在“适配能力观”引发的教学实践模式中，学生在大学期间接触企业实践的时间提前了。学生如果在低年级得到良好的工程启蒙和启发，那么在后续几年的学习中将更倾向于自发地将理论与实践相结合，从被动的知识消费者转型为主动的知识建构者，进而提升知识学习与能力培养的效率。当然，这里的企业实践并非一定是指去企业实地学习，而是要认识行业背景、感知企业环境、建立工程思维。

图1 “适变能力观”主张尽早接触产业环境

在“适变能力观”价值判断理念下，激发学生的学习兴趣和主动探索精神，养成发现问题和提出问题的习惯，培养分析问题和解决问题的能力，往往比学会具体技术知识更重要。学生在大学低年级阶段接受工程认知引导，有利于尽早树立专业志向和职业理想，将中学阶段因长期应试教育形成的被动学习习惯转变为大学所倡导的探究式学习和自主学习。因此，工程认知课程不仅要有行业背景和企业环境，而且还要有工程全局视野和多学科关联视野，应重点关注激发学生的学习兴趣和想象力，促进形成系统性思维。

根据以上理念，将基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程定位于面向低年级本科生设课，以培养解决复杂工程问题能力为导向，充分挖掘钢铁生产复杂工程系统中的工程技术要素，让学生初步认识复杂工程问题的特性，感知工程思维的魅力，激发学生对工程的兴趣，为学生后续的专业学习和工程实践奠定基础。

2 面向复杂工程问题的课程设计

解决复杂工程问题的能力是工程专业合格毕业生必须具备的最本质的素质或要求[6]。我国2016 年6 月2 日成为《华盛顿协议》正式缔约成员，按照《华盛顿协议》的要求，通过工程教育认证的工程专业不仅要深入理解和把握复杂工程问题，更要按照国际实质等效原则培养学生解决复杂工程问题的能力。

2.1 两层次课程目标

工程人才认知发展水平是影响其工程能力的重要因素，认知发展的复杂程度是高素质工程专家与新手的重要差别。处于高阶认知发展阶段的学生应展现出分析性思维、系统性思维、工程设计思维，以及重视理论联系实际、重视项目的实际导向性等工程特色思维[7]。工程认知课程的教学目标不仅要考虑行业知识和工程知识的传递，更要包括工程认知发展层面的诉求，所以本课程的教学目标按照两个层次进行设计（见表1）。第一层次目标比较具体，主要体现为知识积累和复杂生产系统认知；第二层次目标比较抽象，主要体现为复杂工程问题认知和工程思维养成。

表1 课程的两层次目标

2.2 三维度课程内容

第一维度是钢铁生产全流程的各个生产系统，包括采矿、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢、电炉炼钢、LF精炼、板坯连铸、方坯连铸、中厚板、热轧带钢、冷轧带钢、高速线材等。第二维度是生产系统中的6 个技术要素，包括工艺、设备、自动化、能源、环境、安全等。第三维度即为复杂工程问题的7 个特性[8]：①必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决；②涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④不是仅靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中；⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

在这三个维度中，第一维度是课程内容的主干和载体，第二维度代表不同的学科知识和专业方向，第三维度则是本课程的基本指向。第一、二维度共同支撑第一层次课程目标，第三维度则把课程目标提升到了第二层次，三个维度相辅相成。

由于学时所限，学生不可能学习三维框架中的所有内容，教师可以结合自身专业特长和学生的专业特点进行相应的内容选择和调整，采取以点带面的方式重点学习其中部分单元中的部分内容，但要始终围绕课程目标开展教学活动。

2.3 问题中心教学方式

以问题为中心的教学方式是研究型教学的方式之一，而研究型教学的本质属性就在于教学内容的“问题意识”和教学方法的“研究性”[9]。在教学过程中，教师能否有效地以问题的提出、思考、分析和解决为主线，引导学生在学习中学会发现问题、分析问题、解决问题，这是研究型教学的关键[10]。本课程基于钢铁生产虚拟仿真平台，有良好的工程背景和教学环境，具备开展研究型教学的有利条件，在教学上采用“一主题、一主线、二转变、三层次”的“1123”模式。

一主题即“钢铁是怎样练成的？”。这是本课程教学内容的出发点和落脚点，也是激发学生选课兴趣的原点问题。一主线即“情境导入→发现问题→提出问题→分析问题→解决问题”，是教学组织的基本思路和方法。在情境导入阶段，教师基于虚拟仿真资源，以讲解、演示等方式进行启发引导，让学生体会钢铁生产的背景和意义，激发学生的学习兴趣。在发现问题和提出问题阶段，可以由教师提前准备问题，也可以由学生在学习过程中自主发现问题，并鼓励学生主动提出问题。由于本课程的目的重在启发，所以在分析问题和解决问题环节，主要采取问答和研讨方式进行教学，更多的是鼓励畅想、开拓思路。

二转变即教师角色和学生角色的转变。第一，教师要从知识传授者转变为学生学习的引导者，引导的目的就是要激发学生学习和探究的内在动力。第二，学生要从知识接受者转变为学习的积极参与者。学生作为学习的主体，应该有更多的自主学习与思考的空间和时间，真正成为学习的主人。

三层次即将所设计的问题按照难易程度划分为三个层次[11]。第一层次是基础知识性问题；第二层次是具有分析和启发性质的思考性问题；第三层次是体现学科前沿的具有研究性的问题。对问题按难易程度进行分层，有助于循序渐进地组织教学，适应学生建构知识和能力的认知发展逻辑。

2.4 多元化考核方法

课程的考核方法包括学习日记、理论考核、仿真操作考核、课上陈述、学习总结、专题报告等。其中，学习日记、随堂理论考核和仿真操作考核、课上口头汇报可以作为平时成绩，最后的学习总结以及集中理论考核和仿真操作考核可以作为考试成绩。具体的考核方法由任课教师根据授课情况进行取舍，平时成绩和考试成绩在总成绩中各占50%。

3 教学实践与思考

基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程“钢铁生产虚拟仿真实践B”（16 学时）于2017 年被列为高等工程师学院（工科试验班）、能源与环境工程学院的专业选修课程。2019—2020 年，有来自采矿、冶金、材料、能源、机械、自动化等专业的119 名大二学生选修了该课程，3 名教师参加了教学工作。

3.1 关于课程定位和目标

大多数学生对本课程的学习效果给予了积极评价，比较典型的反馈为：

——通过钢铁生产虚拟仿真实践的课程学习，开阔了思路，收获了工业思维，对未来的专业学习及今后的职业生涯将有很大帮助。

——通过这门课程的学习，视野开阔了，系统、全面地学习了真实工厂中的钢铁生产工艺流程，除了知识上的收获，也对将来的专业学习及就业方向等有了更清楚的规划。

——总的来说，这是一门令人收获颇丰的课程。对于真正专业上、细节上的问题可能还有很多疏忽，认识也较浅薄，但在这门课程的学习中，最大的收获是在头脑中构建了一个立体的钢铁生产工艺流程模型，锻炼了独立思考和独立探索能力，这是不管多少理论知识都给不了的体验。

很显然，本课程对学生的专业方向认知、职业生涯规划以及工程思维培养起到了引导和启迪作用，符合本课程的基本定位和初衷，也大大激励了教师继续开课并不断改进教学的信心。分层次设定课程目标的方式也对教师提升教学理念、改进教学方法起到了积极的促进作用，使教师在上课时不仅关注工程知识传递，还会有意激发学生发现问题和分析问题的主观能动性。目前，本课程的学生基本为大二第二学期学生，从工程启蒙的角度来看，时间仍有些偏晚，希望将来通过培养方案的调整让学生在大一时即有机会选择本课程。

3.2 关于以问题为中心的研究型教学

本课程以钢铁生产虚拟仿真教学资源和环境为支撑，基于“钢铁是怎样练成的？”这个原点问题，以“复杂工程问题”认知为导向，把“情境导入→发现问题→分析问题→解决问题”作为教学主线，采用研讨互动式教学方式，学生反馈良好。比较典型的学生反馈为：

——本课程最大的亮点就是互动环节，提问者需要寻找问题、发现问题，提高了提问者发现问题的能力，同时需要回答者灵活回答提问者所问出的问题，考验了回答者的应变能力和知识整合能力。

——老师所教的研究问题的方法可以伴随我们一生。在未来，会在做事的时候多思考，发现问题、提出问题，然后查阅资料解决问题，可能这就是这门课带给我的最大收获——提问的习惯。

结合上课情况和学生反馈，我们认为开展以问题为中心的研究型教学应注意以下几点：①鼓励学生自主发现问题并在课堂上陈述自己的问题，同时鼓励其他学生回答问题，这样可以很好地激发学生的学习主动性；②教师在情境导入中的作用非常关键，要利用虚拟仿真资源进行系统架构，在教学过程中结合学生的专业特点、实际生活等进行适当引导，激发学生的学习兴趣；③在教学过程中教师要积极评价、及时反馈，及时与学生分享成功的喜悦；④面对不同类型不同层次的问题，不同回答方式对学生的支撑力度是不同的，例如直接回答、启发式回答、反问式回答、研讨式回答、请其他人回答等，需要教师根据课程进程和学生反应灵活掌握。

3.3 关于师生关系与角色定位

后现代教育理论认为，教育活动的本质是人与人之间的交往互动,离开了交互关系，也就不存在教师和学生的角色身份[12]。研究型教学过程即是教师与学生之间、学生与学生之间、教师彼此之间在尊重独特性、欣赏差异性的过程中合作创造知识的过程[13]。在课程中，教师承担教学主导角色，学生承担学习主体角色，教师主导作用发挥得越充分，学生的主体地位也就体现得越充分，二者相辅相成。面对各种各样的问题，教师不可能是万能的解答者，在遇到回答不了的问题时，应真诚面对，与学生共同探讨，或者请教其他教师和专家后再答复学生，这样不仅不会引起学生反感，反而能赢得学生的尊重和信任，拉近师生之间的距离。

教师在教学中不仅要关注师生之间的互动，还要关注学生之间的互动，因为学生之间更容易发生共情效应，在相互观察与交流中感受到课堂学习的快乐。正如学生在学习总结中所说：

——同学之间的互动让课堂变得有趣起来，大家从起初提不出问题到提出一些基础问题，再到提出一些专业问题，对课程的重视程度也大大提升了。

——有很多问题虽然自己没有想到，但别的同学提出后自己也有了兴趣，这样的交流会让我们迸发出更多灵感的火花。为了回答同学千奇百怪的问题，在听的过程中也会格外专注，听课效率大大提高。

——在课堂上的你问我答环节使我非常有收获，同学们不同的见解和体会，启发我有了更多的思路。

3.4 关于虚拟仿真资源的支撑作用

虚拟仿真资源对本课程的支撑作用是显而易见的，主要表现在：①丰富的教学资源为教师备课提供了极大方便；②生动直观的表达方式容易引起学生的学习兴趣，提高了课堂教学效率；③可以支撑学生互动式自主学习甚至线上学习，也为学生自主发现和分析问题提供了有力支撑；④使学生可以近距离接触生产线，甚至亲自动手进行生产操作，大大增强了学习体验感。

考虑以问题为中心的研究型教学方式，还应注意以下几点：①教师在备课时，要特别关注虚拟仿真资源蕴含的案例、要素和问题，尤其要关注复杂工程问题的7 个特性和3 个层次，提前创设并形成问题清单；②在基于虚拟仿真资源进行情境导入时，要尽量结合案例和生活实际进行提示引导，充分利用共情心理激发学生的学习兴趣；③鼓励学生基于虚拟仿真资源自主发现问题，甚至对虚拟仿真资源挑毛病、提建议。我们认为，随着国家虚拟仿真实验教学项目建设与应用的不断深入[14]，虚拟仿真教学资源将成为工程认知类课程的必备支撑条件。

3.5 关于持续改进路径

持续改进是“新工科”教学的基本要求，也是现代高等工程教育的基本特征。本课程作为工程认知类课程，内容涉及钢铁生产全流程十多个生产系统，跨越多个学科，同时还需要深入理解复杂工程问题并将其融入教学，这些对教师具有很大的挑战性。与此同时，这种复杂性和挑战性也为教学实施提供了更大的改革与优化空间。本课程自开课以来一直秉持持续改进理念，在教学过程中坚持做到课内随时改、课后及时改，形成了课内和课外两条持续改进的闭环路径（见图2），取得了明显效果。工程教育专业认证所倡导的“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”教育理念不是一句空话，我们在这门课程中积极践行了这一理念。

图2 课程的持续改进路径

4 结语

基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程，以复杂工程系统和虚拟仿真资源环境为支撑，基于“适变能力观”进行课程定位，按两层次设定课程目标，依三维度构建教学内容，“以问题为中心”开展研究型教学，从课内和课外两条路径实施持续改进，取得了良好的教学效果。回顾课程建设与实施过程，我们认为，工程认知课程的研究型教学改革应关注三个方面。首先，基于“适变能力观”的教学改革绝不仅仅是一门工程认知课程的事情，而需要从工程实践教学体系入手进行系统规划；第二，良好的教学载体和教学资源对研究型教学方法的应用具有重要的支撑作用，应该重点建设并充分挖掘；第三，研究型教学对教师提出了更高要求，他们不仅要有扎实的专业功底和工程素养，还要掌握先进的教学理念和教学方法，同时需要与时俱进。