基于创新实践能力培养的实验教学改革与探究

何成刚　李鹏　刘吉华　李永健　徐志彪

［摘 要］ 地方高等学校应用型与创新型人才的培养离不开创新创业教育改革。文章针对当前机械工程材料及成形技术课程实验教学过程中工程应用实践性体现不充分的问题，提出在理论教学的基础上，将创新创业能力培养融入专业学科知识学习，注重实验课程建设与改革。通过开展创新创业能力培养实验教学课程改革，既增强了学生独立自主解决实际工程问题的能力，又显著提高了学生在实验实践教学活动中的动手能力。

［关键词］机械工程材料及成形技术；创新能力培养；综合性实验；教学改革；评价体系

［中图分类号］ G642.0 ［文獻标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）23-0059-04

高等教育和素质教育的核心——创新能力培养，是促进科技事业发展的基石。自“双创”提出以来，社会各界对创新创业精神的重视程度日益提高，创新创业活动日益成为创新驱动发展、转变经济增长方式等的重要推动力量[1]。因此，各高校在教学上要积极寻求适合自己办学特点、注重应用型人才培养的教学方式。通过对课程中的教学内容、教学实施环节、教授方法等进行持续改革，不断提高教学水平。

机械工程材料及成形技术是高水平理工科大学建设高校——五邑大学机械类与轨道交通车辆工程专业的必修技术基础课，旨在阐述常用工程材料的基础理论，介绍其化学成分、加工过程、微观组织、结构与性能等知识，使学生在学习课程后能掌握包括选材、毛坯件制造、零件加工、热处理及部件装配等涉及工业产品生产的全部知识技能，并运用到强调学科理论性与应用实践性双重特点的工程实践中去[2-3]。从工程实践的角度来看，本课程所涵盖的内容是生产制造的核心部分。因此，在培养学生机械设计制造和轨道交通车辆工程专业技能方面，这门课程是必不可少的。

一、机械工程材料及成形技术实验教学中存在的主要问题分析

目前，机械工程材料及成形技术课程在教学实践中进一步强调理论课程学习与实践训练环节相互统一融合的重要性。通过不断的实践探索、总结、积累，课程在学生综合实践能力的培养上取得了一定的进步，但仍然存在着一些问题。

第一，虽然知晓生产企业对本专业人才的技能需求，但课程没有对专业能力培养的具体目标进行分层次细化，这就影响了课程理论教学和实验教学环节的合理设计，使实践能力训练既不能充分发挥学生的自主性和创造性，也不能有效地融合课程教学和能力培养。

第二，实验教学的内容相对比较陈旧、方式与方法比较单一，主要是分散的小实验，如显微镜的结构、原理、使用方法等内容的学习，铁碳合金平衡态下组织的观察分析，热处理操作和碳钢硬度检测等长期固定的实验内容，且以材料学知识为主，缺乏与成形工艺有关的实验教学内容[4]。学生在实验教学过程中缺乏与现代人才培养模式相适应的自主学习机会和空间，教学内容也未能起到提升学生动手能力、分析与解决问题能力、创新素质的作用。

第三，材料成形这部分内容中的铸造、锻压、焊接等三大成形工艺需要学生熟练掌握[5]，每一种成形工艺技术都具有其特性，适用范围也很广。材料成形设备通常是大型设备，使用和操作难度较大，材料成形技术实验的发展受到制约，导致学生对成形工艺过程的掌握还不够全面，还达不到应用型人才的培养要求。

因此，学生缺乏开展材料成形技术实验的实际经验，缺少对本课程中工程材料的选择、与其他专业课程如机械设计的相互联系等的具象感知。学生如果不能系统掌握从选材到工艺设计的整个加工过程，就不能很好地获取横向联系的能力，也不能很好地解决课程中有关的综合工程问题。为切实提高人才培养的质量，实验教学改革建设必须加大力度。通过综合实验和拓展性实验加强学生的动手操作能力，将抽象的理论与生动活泼的实践教学相结合，使学生在不感到理论学习枯燥无味的情况下，了解这些理论的作用。为了更好地发挥实验教学的实用性，本课程计划从教学的目标、教学的方式方法、课程的内容、教学实施过程、考核评价手段等方面开展创新能力教学改革，将教学内容进行整合优化，并与工程实践项目相结合，以解决实际问题为目标，探索创新的教学方法和教学手段，构建系统的教学体系，使学习目标在教学实施过程中更加明确、清晰。

高等学校培养学生创新能力的主要途径就是开展理论与实验实践教学，其中，实验实践教学是培养学生创新能力的重要方式。可以说，创新创业实践教学是适应教学改革的需要，也是培养学生创新能力的需要。五邑大学高水平理工科建设的目标之一是培养具有创新服务意识和实践能力的工程技术人才。为此，课程组以创新的思维转变教学理念、以创新的内容和手段改革实验教学，致力于解决机械工程材料及成形技术实验教学环节的设计难题，构建创新的实验教学模式。经过认真分析后，课程组开展了涉及教案、实验内容、教学方法等多个方面的教学改革研讨，提出了包括基础性实验、综合性实验、课外拓展性实验在内的多层次实践教学模式改革思路（见图1）。这种模式对学生在理论基础知识、综合应用能力、创新能力等方面的发展，都有不同程度的帮助。

二、结合生产实际修订课程大纲和实验实践教学大纲

以企业需求为出发点，机械工程材料及成形技术课程大纲和实验实践教学大纲的基本内容应能体现企业岗位对人才基本技能与能力的需求。轨道交通车辆工程专业培养方案的能力与素质大纲是以企业对本专业人才能力需求为导向，兼顾后续专业课程培养方案而制订的。课程组根据机械工程材料及成形技术课程的实际情况，细化能力和素养需求，提炼出与交通工程装备制造、车辆维修相关联的能力和素养，进而结合生产实际，对相应的课程大纲及实验实践教学大纲进行修订（见图2）。

课程组以满足学生实际能力培养要求和企业对专业人才的需求为根本，采用创新性教学方法，实现实验教学目标。让学生自主思考、查找相关资料，以小组讨论的方式完成设计任务，培养学生的工程实践能力和职业技能。针对一般工业产品生产主线中的内容，教师可要求学生在实验项目过程中自主学习、自主完成，使其具备能够合理应用选材、选择热处理工艺、制定工艺路线、选择成型工艺和设计工艺规程的能力。

三、课程实验改革的具体做法

设置以能力为先导的多层次实践实训锻炼环节，与理论教学内容相结合，加强相关能力的针对性训练。课程教学实施方法上既要注重理论知识学习，又要强调实践锻炼，为增强学生动手和处理突发事件的能力，课程组设计了多层次实验实践教学环节（见图3）。

（一）基础性实验教学模块

该模块涵盖熟悉光学显微镜结构及其使用、制备金相试样、观察铁碳合金平衡态组织和硬度测定等内容[6]，通过特定的课堂设计，可以将独立的单项验证性实验有机地融合在一起，使其成为具有创新性实验效果的實验课。授课教师提前备好需要的不同成分铁碳合金平衡态组织的试样（见表1），每个学生选取一份试样，并标注好自己的名字，随后开展制备金相试样实验；然后利用自己制好的金相试样作为样本，在后续的实验课程中学习使用光学显微镜；最后观察自己的金相试样的平衡态组织，并对其硬度进行测定。不同学生间可以对观察结果进行交流、探讨，分析不同成分的铁碳合金平衡组织和性能的区别。

（二）综合性实验教学模块

材料成形技术综合实验课程改革方案是为在有限的实验教学条件下开展理论成形工艺设计和仿真试验分析、丰富教学内容、节约资源而制订的。成形工艺过程仿真模拟旨在让学生在工程材料成形工艺过程中掌握选材与成形工艺的选择、设计与执行技术。学生在选材和确定成形工艺的同时，还需要按照实验任务书和实验指导书开展成形工艺的理论设计工作。具体就是根据零件的形状和大小、技术要求绘制成形工艺图，完成相应的工艺设计；随后按成形工艺图再对坯料的外形、尺寸进行计算，并完成成形工序的确定、成形设备的选定、成形参数的确定等工作（见图4）。完成成形工艺设计后，通过成形工艺仿真软件进行模拟验证：首先，在仿真软件中选择所需要的成形工艺技术和成形模具种类；其次，建立毛坯和模具的三维模型图并导入成形工艺仿真软件中；最后，按顺序在软件中设置成形工艺参数、建立有限元模型、设定成形过程的工序，随后开展分析和求解（见图5）。铸造成形仿真模拟软件有Anycasting、Procasting和华铸CAE，金属塑性成形和焊接成形仿真模拟软件有Simufact、Forming和Forge等，这些软件能够对常见金属材料的成形工艺过程进行精确的模拟和质量预测，并且能够对成形缺陷进行分析。

（三）拓展性实验教学模块

拓展性实验模块的教学内容安排，主要是针对工作现场的实际问题进行改进和优化。带领学生进入企业深入了解实际生产过程中遇到的问题，并针对这些问题采取共同指导、立项或完善的办法进行解决。实际应用中的工程材料所具有的优异性能大多是通过合理的热处理工艺来获取的。热处理工艺是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，使其内部组织发生改变从而获得所需物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能的一种操作，其最重要的三个基本工艺要素是加热温度、保温时间、冷却方式，合理选用适当的加热温度、保温时间和冷却方式的工艺规范是热处理工艺质量的基本保证。教师根据热处理工艺曲线和材料性能要求，设定几种不同组织的材料，让学生根据设定的题目，运用已学的基本理论知识并参考相关资料，自主选择其中一种进行选材，制定合理热处理工艺规范，选用热处理设备、冷却媒介与方法及硬度测定设备等。随后，让学生根据所学内容，独立开展热处理操作、硬度测定、金相试样准备、组织观察等各项工作。钢材热处理工艺、组织与性能分析等方面的拓展实验教学设计思路如图6所示。

四、实验教学改革考核方式

机械工程材料及成形技术是基础性和应用性很强的课程，在建立实验教学考核评价机制时，应坚持目标性、规范性、持续性和可操作性原则。课程组改革了传统的评价学生学习效果的方式方法，采取过程考核评价与目标考核评价相结合的方法，把项目理论考核与实践考核评价相结合，形成较为全面的考核评价模式，设计适应教学改革需要的多元评价体系。该评价体系根据课程目标和教学要求，综合评价学生的知识水平和技能水平，注重培养学生独立思考问题的能力和提高学生创新思维（见图7）。通过综合考虑学生的实验过程来确定实验课程成绩，课堂出勤情况、技能目标达成情况、报告质量、实验成品评价等都可纳入考核内容。以客观的实验结果分析评价为重点，考核学生参与实验项目的程度，动手能力，分析问题、解决问题、总结实验过程的能力。

五、结语

以学生为主体，鼓励学生自主思考、自主设计实验项目、自主完成实验过程，是基于创新创业能力培养的实验教学改革的重点。从改革取得的成果看，学生参与实验的热情得到了充分的激发，既锻炼了实际操作技能，又增强了对理论知识的认识和运用。通过改革，既增强了学生独立分析、解决实际问题的能力，又对培养学生创新创业能力起到了促进作用。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 邹利华， 李冬英， 吴海江. 面向工程能力的机械类课程教学研究：以工程材料及热处理课程为例[J]. 创新创业理论研究与实践， 2019， 2（3）： 64-65.

[2］ 朱利敏， 王长生， 王顺兴， 等. 《机械工程材料学》综合设计性实验教学改革与实践[J]. 实验室科学， 2008（1）： 49-50.

[3］ 张晴晴，许雪艳，代光辉.基于项目式教学的《机械工程材料及其成形技术》实验教学改革与实践[J].高教学刊，2020（18）：139-142.

[4］ 曾美琴， 陈灵， 邹敢锋， 等. 《机械工程材料综合实验课》的教学改革及实践[J]. 北京大学学报（哲学社会科学版）， 2007（S2）： 101-103.

[5］ 张晴晴， 王玉勤， 史良马. 基于工业应用的材料成形技术实验教学探讨[J]. 中国现代教育装备， 2017（13）： 46-48.

[6］ 李新星， 王红侠， 徐艳. 基于创新创业能力培养的材料科学与工程专业实践教学改革研究[J]. 中国现代教育装备， 2020（11）： 141-143.

［责任编辑：苏祎颖］