工程教育认证视域下金属材料类专业课程仿真实践教学体系改革研究

江西理工大学材料冶金化学学部 邓同生 陈继强 张嘉艺

工程教育认证标准要求学生能够采用科学有效的方法对复杂工程问题进行分析和研究，通过构建特定实验系统，安全高效地开展相应实验、合理采集有效数据、能对实验数据进行进一步的分析和解释，综合研究后得到合理有效结论。虚拟仿真实验是融合多种先进计算机技术的新型实验方法，利用虚拟仿真实验手段能够完成很多复杂、高危、现实中不易完成的实验，从而大大提高实验教学质量。虚拟仿真项目利用虚拟手段，将知识形象化，建设安全可靠、绿色节约、可视化的虚拟仿真实验教学平台，从而使学生对实现项目的本质机理和原理有更深入的了解；同时能够实现互动教学，很好地激发学生的学习乐趣，具有很好的实践教学效果。

金属材料的制备与加工包括熔炼、轧制/锻造/冲压以及蠕变/疲劳等多种工艺过程，要开展相应的实验教学存在不同程度高危、高成本等问题，因此亟须在工程教育认证思维的引领下开展一流本科人才培养改革，改进传统的实验教学方法与模式，优化实验教学体系，以提升教师教育教学水平和学生的学习积极性与创新能力。

一、教学改革内容

（一）教学体系方面

传统的实验项目一般和理论课程同步开设，由于培养方案或教学体系的不同要求，实验课的学时受到较大压缩。而且由于同时参与实验的学生人数众多，通常需要将若干学生分为一组，这就可能导致少部分学生在有限的时间内没有机会实际操作，可能需要专业教师在学时外提供一些锻炼机会，这不利于统一管理，致使课堂很难实现高质量教学。另外，对于实际的操作过程，大部分学生按教师布置的方案开展，缺乏主观能动性和独立思考，甚至不太理解开展实验的目的，对结果无法进行有效分析。实验后的报告撰写不够规范，数据缺失或无效。因此，需要综合分析各实验项目内涵，全面梳理课程内外实验项目，构建虚拟仿真实验体系，大力运用计算机技术和网络资源，充分体现实验的开放性、创新性。金属材料的凝固—成形—服役多阶段工艺过程以工艺仿真类实验项目为基础，结合模具/设备类及车间运行类仿真实验项目进行教学体系的规整。

（二）学生创新能力提升方面

教师在实验课程教学过程中，要进一步突出学生的主体地位，从而确保教、学、做的有机结合，促进学生综合学习能力的提升，培养学生探索真理、解决问题、克服困难的主观能动性以及相应的创新思维；提升学生的设计及实际操作能力，促进全面协调发展。具体而言，应在实验课前、课中、课后各阶段（环节）各有侧重点：实验前的学习活动和学习任务安排，要突出以学为中心，引导学生对知识体系进行重构。在教学过程的安排方面，保障学生具有充分的自主学习时间，自主学习实验指导书，基于移动端、PC端学习教师指定、在线推送学习资源，引导学生开展课前的测试，学习设计提出问题，通过社交化群组进行互动和交流、学习和讨论等。实验中主讲教师相对地缩短集中理论讲授讲解时间、课时，坚持以学生为中心，想方设法组织并引导学生利用各种学习平台、移动终端或智慧教学工具，有机协调地采取生生互评、案例点评、边讲边练、以练代讲、项目探究、研讨辩论等多种方式，开展深度融合的教学活动，提高所有学生的参与度，实现更加精准的教学改革，特别要注重学生的交流、探究、协作、创新等综合能力的提高。实验课后教师依然可通过平台向学生布置课后的学习或相关任务，推送微课、测试题等，不仅可以进一步跟踪和测试学生对知识的掌握情况，巩固学习效果，还可以在相关的社交化群组提升学生的凝聚力，集中智慧讨论问题。

（三）教师教育教学能力提升方面

专业课程的实践教学是大学教育过程中落实创新人才教育的重要一环，实验课程重在以问题研究为导向、深度参与体验和反思批判为主要特征，具有教学目标多元、教学空间地点差异、教学过程形态多种多样的特点。对教学质量而言，教师在实践教学方面的能力和水平是该环节教学效果的关键因素和根本保障，因此，需要促进教师职业技能的提升，使专业课程教师或实验课程教师具备较高的计算机虚拟仿真软件应用能力，从而满足虚拟仿真教学实验的需求，为教育教学水平的提升提供保障。具体包含知识要求（基础性要素）、能力要求（核心要素）和素质要求（综合性要素）三个方面。其中知识性要求包括工具性知识（如ABAUQS、FLUENT等多种有限元仿真软件的掌握和使用）、专业知识（包括工艺相关的理论基础知识以及工艺实践认知水平）；能力方面的要求包括本专业的应用能力以及跨专业的分析能力（含收集分析信息的能力、表达和沟通的能力、计划与组织的能力、团队合作的能力、解决问题的能力、应用技术的能力等）；素质方面的要求主要包括基本素质（如身体健康素质、心理健康素质、道德品德素质、人文常识素养等）和职业素质（包括责任心、进取心、工作态度、工作作风、规范意识、团队精神、合作精神等）。

二、教学改革效果

教学改革能够提高学生参与度，大幅提高实验资源的覆盖面、受益面。可实现每一位同学的深度参与体验，避免传统实验项目由于客观条件限制而无法实现全员动手的局限，同时可通过互联网实现开放和共享，从而大幅提高实验资源的覆盖面、受益面。

教学改革能够有效提升学生的创新思维。可大幅度提升创新性实验项目的比例，提供可能的条件供学生开展探索性的学习和思考。学生可通过多种平台框架下的专业软件系统，在对现实条件的高度还原仿真中，最大化发挥自己的个性化、自主化实践学习，从而提升创新能力。

教学改革能够建立有效的学习效果评价机制，提高实验教学效果。可不受时空限制，任课教师可针对具体项目的培养需求，有针对性地优化实验教学体系，实现对课前、课中、课后各个环节学生学习效果的有效监控和客观评价模式，从而提高实验教学质量。

教学改革能够有效促进教师实验教学水平的提升。在传统现场实验向虚拟实验的转变过程中，专业教师的实验指导能力可以得到大幅提高，从而为教学质量的提高提供保障。同时虚拟仿真平台还可以助力相关科研项目的开展，实现教学与科研相互促进的良性循环。

以工程教育认证思想与要求为基本指导准则，坚持以学生中心、产出导向、持续改进的基本理念，针对材料科学与工程中的凝固—成形—服役中的多种工艺过程，结合模具设备及车间运行类虚拟仿真实验项目，以学生所能获得的综合设计、分析与创新能力为最终目的，根据工艺流程原则，设立综合型、研究型实验教学课程体系，开展高危性、高成本、极端条件下的材料制备、加工及服役过程中的虚拟仿真实验教学项目，建设安全可靠、绿色节约、可视化的虚拟仿真实验教学平台。从而提高实践教学效率，培养学生研究、分析和探索材料世界中各种感兴趣的问题，激发学生的创新能力和探索精神。最终提高金属材料专业学生的学习积极性，拓宽学生知识面，便于其掌握理论知识要领，融会贯通灵活运用，扩大其就业适应性。