地方高校金属材料加工学科发展思考与改革模式探索

2021-06-15秦芳诚亓海全韦莉莉刘崇宇李义兵

高教学刊 2021年8期

秦芳诚亓海全韦莉莉刘崇宇李义兵

摘要：分析了具有工科特色的地方高校金属材料加工学科的发展现状，对学科现有人才培养模式、课程设置和教学模式进行了思考，存在产教融合不良、工程能力差及实践教学无实效等问题，提出了探索学科发展模式改革的思路，结合区域特色利用校企合作-协同育人平台、混合式教学模式和虚拟仿真实训平台培养复合型人才，并推动地方高校金属材料加工学科建设的发展。

关键词：金属材料加工;学科发展;改革;混合式教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）08-0129-04

Abstract： The development situation in metallic materials processing subject in local colleges is analyzed. The current talenttraining mode， curriculum provision and teaching mode are thought in detail， and the poor integration of production and teaching， poor engineering capability and ineffectiveness in practical are found. The ideas of reformation on development mode of subject are proposed. Combined with regional characteristics， the inter-disciplinary talent will be trained by utilizing school-enterprise cooperation-collaborative， hybrid teaching mode and Virtual simulation training platform. The development of metallic materials processingsubject in local collegeswill be promoted.

Keywords： metallic materials processing; subject development; reform; hybrid teaching

随着我国由“制造大国”向“制造强国”的战略转移，传统产业的转型升级以及各类新兴产业的诞生和崛起，传统工科的专业定位和人才培养模式已经逐渐无法适应新技术、新产业等新经济形势的发展及对人才的能力需求，如产教脱节、施教形式单一、教师工程能力差以及实践教学无实效等[1-2]。2017年教育部高等教育司明确指出了深化工程教育改革、建设工程教育强国对服务和支撑我国经济转型升级具有重大战略意义，要求在国家推动创新驱动发展、“中国制造2025”等国家经济规划背景下，围绕新技术、新产业和对传统产业升级改造等新业态对工程技术人才的知识和能力需求，加快开展工程教育改革创新，推进“新工科”的建设和发展[3-5]。截至目前，我国工程教育认证已走过了10来年，取得了诸多有益成效，各高等工科院校也进入新的发展阶段。在工程教育专业认证的国际大背景下，从专业认证“以学生为中心”的核心理念出发，参加工程教育专业认证是实现我国工程教育、技术人才与国际接轨的必然要求，尤其是对桂林理工大学等地方高校以基础理论和工程实验紧密结合的金属材料加工学科而言，工程教育与实践是培养创新型人才的重要举措[6]。

一、学科发展现状

桂林理工大学作为具备鲜明工科特色的地方高等院校，近年来以工科专业认证为导向，对本学科学生的毕业要求的指标点、支撑课程和课程权重进行了详细讨论分析，结合课堂教学与实验教学现状与效果，开展了课程教学体系改革的初步尝试。通过加强教学资源的硬件和软件建设实现共融、开放、共享，加强校内实践教学与工厂生产实践的紧密结合，达到以学生培养为主体，发挥学生的主观能动性和提高学生的工程实践和创新能力的目的[6]。对校企合作-协同育人机制和实践模式的探索已经开展了大量的工作，但作为教学一线单位且属于发展多年的传统学科，金属材料加工学科对国家的基础建设、重大装备等各行业各领域起到了不可替代的支柱作用，伴随着相关产业的快速发展取得了很大的进步，但却造成了近乎固化的人才培养模式。例如，实验室设备陈旧，实验室空间有限，台套数相对偏少，目前每节课为15人/批次，进而无形中限制了学生实操能力;缺少引领科技前沿的国内外材料制备和特种铸造、锻造以及焊接成形方法，并且依附于理论教学的基础型实验较多，不能更好的开拓学生的眼界，计算机数值模拟技术在金属材料热处理、塑性加工、搅拌摩擦焊接、模具拆装等實验中的融入偏少;大三学生的认知实习和大四学生的生产实习一般都是走马观花的形式，不能接触到一线生产的实际工艺流程，并真正参与到工程实践中，严重缺乏对实践能力和创新能力的培养。为此，2017年广西教育厅在区内34所高校“新工科”联盟大会上指出应从“坚持问题导向、坚持特色立校和坚持协同育人”三个方面加快推动学科建设，致力于培养适应“新产业、新技术”发展的具有深厚工程能力的技术人才，致力于为广西经济转型，尤其是有色金属产业“二次创业”提供人才支撑。

二、学科发展思考

学科定位方面，我校金属材料加工学科着眼于广西工业发展“九张名片”之有色金属高性能材料的目标定位，大力培养有色金属行业工程技术人才，积极开展铝合金、钛合金、镁合金等有色金属材料及其零部件加工技术的研发，从金属材料成分设计、组织、工艺和力学性能这一主线出发，围绕合金冶炼、铸造成形、塑性成形、焊接成形等工艺重点展开，同时引入新材料、新工艺方法和现代测试技术与金属材料加工专业结合，将在校课堂教学和实践教学划分为基础层面、综合层面和创新层面等，相应的开展了金属材料加工基础性实验、综合性实验和创新性实验，但仍存在着工程能力不足、产业和行业市场不清、产品工艺流程不熟以及发现和解决技术问题能力不强等问题。随着新装备、大工程对金属材料加工的新发展要求，如新型合金、高纯金属、极端环境用金属材料加工及其零部件成形等[7]，以及考虑到环境和成本，针对传统人才培养模式的弊端，通过调研金属材料加工在新产业发展与传统产业升级改造过程中存在的“产业需求”，进一步找准学科人才培养定位，通过人才引进、课程设置优化（含主干课程设计和研究型教学模式构建）、实践教学实验室改造建设、学科竞赛以及校企产学研合作机制等多方位努力修订培养方案和目标，契合新业态经济对专业人才的要求，切实解决“产教融合不良、工程能力差以及实践教学无实效”等专业发展中的突出问题[8]。以工程教育认证为契机，要达到工科专业认证的标准，必须进一步改进和完善本学科的理论教学与实验教学体系。

学科人才培养与教学模式方面，金属材料加工学科的学生培养主要以自主学习为主，经过长时间探索，针对不同高校、不同学科特征的培养模式分析，构建了具有4个层次的混合式学习与教学模式，即：线上与线下的混合、基于学习目标的混合、“学”与“习”的混合、学习与工作的混合[2，9]。在学生学习方面，主要表现为课堂授课学习与理解，课后消化吸收、总结反思;根据每一节课的课堂任务目前要求，贯穿课堂和课后始终;课堂授课吸收与课后习题训练，以及在校教学环节实践;将课堂理论学习应用到大四学年的生产实习中，要体现理论与实践工作的结合。从学科实践方面而言，混合式模式基础研究总体比较薄弱，偏重定义、特征与意义价值的界定，但近年来其发展呈多元化、专业化发展趋势，体现在工厂实践与设计中出现许多适应于产业转型发展的工艺流程与装备，学生在实践过程中要注重对课堂理论知识的运用与反思，甚至对原有理论知识的更新。教师教学模式、专业发展等方面的重要性也逐渐加大，对学习模式与教学模式构建以及教学环节融入的课程设计研究较多，但有关课堂教学模式实效性的内容相对偏少，由此在新工科发展背景下应用混合式学习与教学模式进行金属材料加工学科与课程改革也逐渐得到重视。

三、改革模式探索

（一）改革的重点

我校材料科学与工程学科是区内开设最早，且为唯一博士授权点学科，金属材料加工学科符合国家、自治区教育政策与产业特色方向，符合广西有色金属加工的行业特色需求，具有实践教学理论指导性，其改革成果具有可实施性。以“产业需求和问题导向”为依据，全面梳理和调研当前金属材料加工新产业和升级改造中的传统金属加工产业，对国内一流金属材料加工学科院校的教学与实践模式进行分析，统计有色金属企业、钢铁企业及下游产业的市场、人才及能力需求和生产技术问题，通过教师企业兼职、课题合作等形式在切实提高教师工程教育能力的同时力求提高区内产业转型发展与高校教学内容、模式的深度融合。此外，利用校企合作，认知和生产实习环节的育人平台对实践教学进行改革以进一步提高学生的工程能力。最后在产教融合度加强、教师能力提升、实践教学质量提高以及产业技术问题解决的综合基础上确立专业发展战略定位，进行系统、有条理地修订金属材料加工学科的人才培养方案，契合广西产业转型和二次产业的发展方向，增强学生的理论学习与实操能力[10]，最终实现金属材料加工学科改革升级。

（二）改革的方法

分析新工科建设背景下国内一流高校金属材料加工学科教学体系的特点，对课程教学大纲、教案和人才知识结构培养特点进行重组与优化，提出面向新工科建设的教学模式，开创面向广西有色金属加工行业特色的地方高校金属材料加工课程教学模式创新与实践的新思路。通过认真学习“工程教育专业认证”和“新工科”对金属材料学科学生能力培养的要求，修订学科人才培养计划与方案，以符合“新工科”的发展和专业认证要求等问题，提高学生专业基础和工程实践能力[11];参考教育部材料类教学指导委员会主办的金相大赛和机械工程大学生热处理创新创业大赛相关单位的基础实验室配置，重新设计和建设基础实验室，预计成效包括提高实验室利用效率，增设相关教学实验装备，具备每节课8-10人/批次实践与培训能力;研究型教学依托“产业需求”或“企业技术问题”开展，针对实践教学质量差、学生被动实习等问题，积极调研与金属加工学科相关的高端、大型企业，争取建立产学研合作关系，完成“产业需求”调研报告，提高学生对专业的认可度;另外，利用已有冶金&金属加工虚拟仿真实训平台将数值模拟技术与先进金属材料加工工艺结合起来，如基于发动机缸盖铸造成形的虚拟仿真、基于高铁车轮锻造成形的虚拟仿真、基于汽车覆盖件冲压成形的虚拟仿真和基于机器人焊接的虚拟仿真，参加国家、省部级主办的合金冶炼与连铸连轧等专业大赛，提高学生专业与实操技能[12-13]。

（三）课程模式改革的举措

开展面向新工科建设金属材料加工学科主干课程的混合式教学改革与实践，如《金属热处理原理与工艺》《材料成形工艺学》《材料制备技术》和《有色金属加工》等，在现有混合式学习与教学模式基础上能够统筹任务型教学[14]，有效促进课程及教学的改革，克服以往学习的弊端。在理论课程教学环节，摒弃书本、PPT和板书教学方法，融入实例动画、工业现场生产视频，在某一小节中以综合实例为着力点，把本节理论知识融合连贯起来，让学生形成系统性记忆，同时能够反思其中的精髓与奥秘。创新性地提出程序设计、数值仿真为材料加工成形过程服务的理念，同时也对高校金属材料加工学科的人才培养提出了更高的要求，明確了金属材料加工学科的学生应掌握的建模仿真、计算机实操和程序设计等培养要求，解决当前学科培养模式中存在的“教”与“学”脱节、“考”与“用”脱节的现象[2]。

将在国内一流金属材料加工学科类院校多年教学实践经验的基础上，结合计算机信息技术科学与金属成形加工教学、科研的特点，深入分析程序编程设计在金属材料加工中应用的关键技术，针对性的设计和开展适应金属材料加工学科本科生的相关教学项目与试验项目，加大本学科大学生建模与仿真计算机知识的深入掌握程度。在课程教学内容上融合有色金属加工专业课、计算机编程设计和数值仿真技术，通过学习程序设计基础、数值模拟应用课程来培养学生对现有金属加工课程专业课知识，主要包括如轧制加工、挤压加工、拉拔加工和锻造与冲压加工等成形方法（图1），以及计算机技术和软件的运用和操作能力，体现信息化对金属材料加工学科的促进与引领[2]。结合数值仿真技术、Abaqus有限元仿真平台（图2）、UG建模软件、Origin数据综合处理等常用金属材料加工过程软件技术，了解计算机信息技术在金属材料加工中的地位与应用[2]。对金属加工课程领域典型金属材料构件加工科研与实验进行预先分析与模拟[15]，如铝合金板材、棒材、型材、线材等，通过数值模拟演示高铁、汽车等行业关键复杂零/构件（如汽车转向节、高铁轮轴）的铸造、锻造或焊接成形过程，使学生了解所用成形设备的工作原理、几何构造和工艺参数制定原则和操作步骤，同时深刻的理解铸造模具、锻造模具结构的设计要点及其各部件作用，加深了对教学内容串联与运用，据此指导和开展金属材料加工课程拓展性综合实验设计，学生可以很好的掌握课程相关专业知识的运用，自主完成有色金属材料加工过程工艺参数计算与数值模拟优化设计，掌握程序开发与设计能力，形成严谨的逻辑思维推理能力和实践技能，培养出既掌握扎实的金属材料工程专业知识，又具备丰富的计算机应用领域知识的专业人才。

通过这些创新教学与学习体系的改革模式探索，可以改善传统单一学科教学体系的不足，有效培养金属材料加工学科学生计算机实用技能、程序设计、数值仿真与理论专业知识运用能力，使学生能够明确学习方向、掌握学习方法、激发创新能力，积极展现自我，从而推动金属材料加工学科的发展和进步[2]。将有利于培养学生具有以金属材料加工和信息化技术为核心能力，同时具备以下能力：金属材料加工学科方向有色金属加工案例的综合处理能力，如应用于人行天桥的广西南南铝业集团的板材和型材、应用于铝土矿加工的中国铝业公司（平果）的棒磨机衬板等[2]，数值仿真统计与数据分析能力，基于建模的多媒体处理能力，有色金属加工研究相关程序设计与科研项目开发能力，模拟信息化系统应用基础能力等，从而进一步提高金属材料加工学科的发展能力与速度，重点为区内具有有色金属行业特色的企业、院所输送一流人才。

四、结束语

“制造强国”背景下对诸如金属材料加工学科的人才培养、教学内容与教学体系模式等提出了更高要求和挑战，以适应实践自主型、创新型、复合型人才的培养目标。通过分析了我校具有地方高校工科特色的金属材料加工学科的发展现状，对学科现有人才培养模式、课程设置和教学模式进行了思考，存在产教融合不良、工程能力差及实践教学无实效等问题，提出了探索学科发展模式改革的思路，结合区域特色利用校企合作-协同育人平台、混合式教学模式和虚拟仿真实训平台培养复合型人才，可以推动地方高校金属材料加工学科建设的发展。

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