新工科导向下金属材料综合实验“三融合、一中心”教学实践

聂宝华，陈东初，邓前军，戚海英，施斌卿

（佛山科学技术学院 材料科学与氢能学院，广东 佛山 528000）

新工科这一概念自2016 年被提出以来，“新工科建设”引领着我国本科教育人才培养和课程教学改革与实践，是当前我国本科人才培养改革的热点。在不到一年的时间里，形成了新工科建设（“复旦共识”）［1］、新工科建设行动路线（“天大行动”）［2］、新工科建设指南（“北京指南”）［3］。2019 年，复旦大学、北京理工大学、华南理工大学等高校均实施新工科人才培养计划。以新工科建设为导向，紧密围绕“多学科交叉、产教研深度融合”的内涵［4］，强化现代信息化教学手段，开展材料类应用型人才培养，以推动传统工科专业改造升级，是面向未来的工科人才培养的必然趋势。

作为材料科学与工程专业的核心课程，金属材料实验主要讲授金属材料成分设计、显微组织观察与分析、材料制备与热处理工艺、性能测试等内容［5］。该课程旨在使学生综合运用金属材料的专业理论，掌握金属材料实验方法与技能，培养学生发现、分析、解决实际问题的能力，服务引领金属材料产业发展。实验课程是一门以学生实践为主体的课程，具有教学知识点多、内容枯燥，课程教学难度较大，教学效果难以评价等特点［6］。对标新工科建设，传统的金属材料综合实验课程教学存在实验教学与专业理论教学、材料产业需求、科技创新需求相脱节及传统实验教学与评价方法仍然以教师为主导，重知识轻能力，重结果轻过程等问题。

针对上述问题，以新工科建设为导向，强化专业理论、产业实践、科技前沿与实验教学的“三融合”驱动，重构金属材料综合实验课程体系；结合金属材料产业需求与科技前沿发展，开展案例教学、项目教学以及虚拟仿真教学等模块化教学，形成以学生为中心的实验教学与评价方法，以期加强学生产业实践与科技创新能力培养。

1 课程教学体系重构

1.1 深化理论与实验融合，构建“专业实验-综合实验”课程体系

对标新工科专业理论应用理念，围绕材料科学基础、热处理工艺原理、金属材料学、材料成型工艺基础等专业理论课程，以专业知识应用为课程设置导向，梳理金属材料实验课程核心内容，设置合金成分设计、制备加工、热处理工艺、组织性能表征等实验，构建“专业实验-综合实验”课程体系，具体如表1 所示，重在引导学生应用专业理论知识，完成专业实验与综合实验，进而掌握专业理论知识与实验技能。

表1 “专业实验-综合实验”课程体系

1.2 深化产教融合，构建“产业实验”课程体系

作为应用型高水平理工大学，学生专业能力的培养需要与地方材料产业发展和企业创新驱动相匹配，深化产教融合，推动传统工科专业改造升级［7］。立足佛山市铝型材、不锈钢等材料产业，开设材料科学与工程产业实验，涉及铝合金型材、铝合金压铸成型、不锈钢加工、模具设计与加工、氢能储运、氢燃料电池等产业相关实验项目，具体如表2 所示。在“专业实验-综合实验”实验教学的基础上，通过产业实验”多层次的实验教学，促进了产教深度融合，提升了学生专业技能，尤其是学生对材料产业生产有进一步的认识，重点培养了学生综合应用专业知识，解决产业实践的工程问题。

表2 “产业实验”课程

1.3 深化科教融合，构建“新材料、新工艺”创新实验课程体系

新工科建设要求以新科学技术发展为导向，将科技前沿最新发展引入教学过程，推动教学内容更新，积极探索“科技前沿+”实验课程教学体系。在实验教学中，紧扣科技发展前沿，将新材料研究前沿（高熵合金、铝合金的成分设计与计算等）、材料制备加工新技术的发展前沿（增材制造等）融入实验课程体系，如表3 所示。通过“新材料、新工艺”创新实验课程教学，引导学生发现问题、凝炼科学问题及提出解决科学问题的思维，着重培养学生科技创新能力。

表3 “新材料、新工艺”创新实验课程

2 教学方法探索

2.1 案例实验教学

金属材料综合实验课程在完成专业实验、综合实验的基础上，开展以产业实践为导向的案例实验教学。以新能源汽车铝合金电池托盘生产为例，涉及到铝合金大规格铸锭、宽幅型材挤压、热处理、表面处理及搅拌摩焊接等多道工序过程。每个工序，设置一个实验小组，要求学生根据专业理论知识，设计每个工序的流程、选取工艺结构与优化关键技术参数，完成实验预习报告。在实验过程中，各个小组分工协作，完成各个实验步骤。完成实验后，撰写实验总结报告，包括实验目的、工序流程、关键参数设置、实验结果与讨论，进行PPT 交流汇报，让每个学生熟悉铝合金电池托盘的生产技术，培养学生应用专业理论，分析、解决材料产业实践问题的能力，以取得较好实验教学效果。

2.2 项目实验教学

在金属材料综合实验课程教学中，有机融入相关教师科研项目，促进科学研究与实验教学深度融合。以科研项目为载体，培养学生从事科学研究的基本思维能力。以汽车用铝合金新材料开发为例，设置铝合金成分设计与相图计算实验项目，重点引导学生应用合金化原理、相图计算方法，以高强韧、高耐蚀、可焊接与抗疲劳等综合性能目标优化，开展汽车用铝合金成分设计。实验教学前，根据Al-Mg 系、Al-Mg-Si 系、Al-Cu 系、Al-Cu-Mg 系、Al-Mn 系、Al-Zn-Mg 系、Al-Zn-Mg-Cu 系、Al-Fe-Si 系等8 个铝合金成分体系，设置8 个实验小组，要求学生根据专业知识理论，总结铝合金成分-组织-性能相关性，初步设计铝合金成分原型，完成实验预习报告。在实验教学中，重点讲授相图计算软件使用、相图分析以及热力学计算等内容，学生通过相图计算软件对初始合金成分进行优化设计，确定最佳的铝合金成分，以便后续新型铝合金制备加工。完成铝合金成分设计实验后，撰写实验总结报告，进行PPT 交流汇报，让每个学生掌握不同系列铝合金成分设计原理，培养学生科学研究思维与科技创新能力。

2.3 虚拟仿真实验教学

基于虚拟仿真技术，可以仿真材料工业化生产真实场景，包括车间布局、加工生产装备、设备结构与仪表等，对传统实验教学是很好的补充，成为近年来实验教学探索的热点［8］。通过虚拟仿真实验，一方面，学生直观了解材料实际生产环境与过程，并通过设备虚拟操作，体验材料生产过程，提高学生学习积极性。另一方面，与传统实验教学相比，虚拟仿真可以显示材料加工设备的结构与原理，以及材料制备加工过程的显微组织的演变，促进学生对材料制备加工基本原理的理解。基于虚拟仿真技术，与铝型材龙头企业合作，针对材料加工实验的核心教学内容，搭建材料成型虚拟工厂，形成材料成型与加工虚拟仿真实验课程，具体如表4 所示，显著提升了学生学习积极性与实验教学效果。

表4 虚拟仿真实验教学

3 构建以学生为中心的实验教学与评价方法

学生是实验课程教学的主体，在完成实验过程中掌握产业实践、科技创新能力。在实验教学过程中，以材料产业案例为切入点，如新能源汽车用A356 铸铝合金生产，学生综合运用专业知识，自主完成铸造工艺设计，如铸造温度、浇铸速率、模具选用等，撰写实验预习报告，并实验前讨论铝合金压铸工艺参数的合理性；分工协作，开展实验操作，掌握铝合金铸造成型专业技能，表征铸造铝合金材料显微组织、显微硬度等；凝炼实验过程中的关键科学问题，以及解决科学问题思维框架；完成实验后，学生对实验全过程进行反思，总结实验需要改进的要点，加深理解专业理论、产业实践及科技创新的相互作用，提高学生解决实际问题的核心能力。

在学生实验课程评价方面，在传统的平时成绩与实验报告考核体系基础上，突出以能力评价为导向，注重实验教学的过程性评价，包括实验方案设计、实验参数选取、实验操作、结果分析与讨论、实验反思与改进等方面，具体如表5 所示，重点考核学生的发现、分析与解决工程实践问题的能力；同时，融合成果导向教育教学理念，以学生核心能力为出发点和目标导向，设计实验教学过程，形成“能力目标-实验教学-能力评价-教学反馈-教学改进”的内部循环体系，以及“产业动态-企业需求-能力培养”的外部循环，持续改进实验课程教学与人才培养质量。

4 结语

以新工科建设为导向，强化理论知识、产业实践、科技前沿与实验教学的“三融合”驱动，重构专业实验-综合实验-产业实验/创新实验课程体系；通过案例教学、项目教学及虚拟仿真教学等模块化实验教学，提高学生发现、分析及解决产业实践与科技问题的能力；并形成“以学生为中心”的实验课程教学与评价方法，进而提高金属材料综合课程教学效果与人才培养质量。