材料成型及控制工程专业实践教学改革探索

［摘 要］ 新工业革命势必对高等教育尤其是工程教育产生变革性影响。“新工业革命4.0”背景下，工程人才培养应符合科技创新和智能时代需求，适应未来新工业挑战。以材料成型及控制工程专业作为工程学科典型代表，探索新工业革命技术创新要素与材料成型及控制工程专业实践教学结合点，更新符合新工业革命要求的教学内容及知识体系，在信息化、智能化和知识碎片化的时代背景下，提出材料成型及控制工程专业实践教学改革的方式方法，包括打造实验平台、建立稳定的校外实习基地、促进教学环境智能化、鼓励团队学习法等，以期为我国高等工程教育及人才培养提供借鉴。

［关键词］ 新工业革命4.0；材料成型及控制工程；生产实习；实践课程；教学改革

［基金项目］ 2022年度吉林大学研究生教育教学改革建设项目“新工业4.0工学博士拔尖人才培养模式创新改革研究”（2022JGY059）；2022年度吉林大学研究生课程思政示范课程“金属材料强韧化原理与技术”（2022KCSZ19）；2022年度吉林大学课程思政学科育人示范课程项目“材料成型及控制工程专业‘生产实习’D课程思政示范项目”（SK2022062）

［作者简介］ 杨宏宇（1987—），女，辽宁阜新人，工学博士，吉林大学材料科学与工程学院研究员，博士生导师（通信作者），主要从事纳米介质高效调控合金组织及强韧化研究；邱 丰（1980—），男，辽宁葫芦岛人，工学博士，吉林大学材料科学与工程学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事纳米介质、高性能结构材料微观组织和性能的协同调控研究；舒世立（1986—），男，吉林梅河口人，工学博士，吉林大学机械与航空航天工程学院副教授，博士生导师，主要从事增材制造研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）30-0067-04 ［收稿日期］ 2023-03-28

引言

工业是人类文明的基石，工业革命是人类文明发展的现象［1］。工业革命是世界范围内的生产与科技变革，其在推动人类文明进步的同时，势必对高等教育尤其是工程教育产生重大变革性影响［2］。21世纪发起的全新技术革命（工业4.0），以人工智能、大数据、物联网、3D打印、虚拟现实、生物技术、绿色能源等为典型代表的新技术，正在助推世界范围内生产力布局的革新、社会物质生产部门人机物互联和数字化商业模式转型，这助推工程人才工作形式和社会需求的变化［3-4］。面对新一代技术变革，材料成型及控制工程学科技术人才的培养必须紧跟时代，适应科技创新和智能时代需求，培养复合型技术人才。

如何使教学实践体系更适合新技术革命人才培养是教学改革的当务之急。让学生充分了解此次新技术变革的背景、技术发展趋势和新技术特点，通过对创新技术的了解，并与本学科技术结合，强化紧跟新技术发展的意识，使学生将来在科学研究和技术创新的同时能够融合创新技术。将新技术发展和本学科现有技术的融合作为本学科技术发展的倍增器，为本学科高素质技术人才培养打好基础，做好创新思想准备。本文以材料成型及控制工程专业“生产实习”课程为例，探索“新工业革命4.0”背景下实践教学改革的方式方法，以工业革命新要求为参考，以高级工程人才更能胜任未来社会新需求为目标，开展课程内容及知识体系的升级工作。

一、“工业4.0”技术创新要素与材料成型及控制工程实践教学结合点

“新工业革命4.0”的驱动力主要包括能源和环境问题、人类对美好生活的追求、高速发展的信息科学技术三方面［5］。“新工业革命4.0”本质是信息世界与物理世界的结合，体现多领域并行、交叉推动的特点，信息科学技术和多领域科学技术深度融合。“新工业革命4.0”具有“五化”特征，即科技化、全球化、互联化、绿色化、定制化，具体表现形式是高端的技术、个性化的产品、全球化的生产、可持续发展的制造，核心是生产性服务业和制造业的全面互动及交叉融合［6］；“新工业革命4.0”技术发展趋势是智能化，世界五大科学技术集群包括：信息技术，如移动互联网、大数据、云计算、人工智能、机器人，核心是计算机与通信；能源技术，如太阳能、风能、非传统油气（页岩油气）、分布式智能电网、储能，核心是绿色能源；生物技术，如转基因、干细胞、生物医药，核心是基因工程和细胞工程；制造业技术，如3D增材制造、工业机器人，核心是新的制造方法；材料技术，如碳纤维、石墨烯，核心是新型材料。

材料成型及控制工程专业主要探究材料的热加工工艺及其与热加工相关的基础装备的开发与设计，通过塑性成型及热加工等手段对材料结构、性能进行改进和重塑，将材料改变形态制成全新产品。本专业致力于培养德智体美劳全面发展的具备实践能力和创新意识的高级工程科技人才，具备材料、机械、自动化、计算机相关基础知识和应用能力，能够胜任材料加工工程相关领域的科学技术研究与开发、工程设计与制造、生产组织与管理工作，适应新时代工程建设需要，同时具有强烈的家国情怀、职业道德和人文素养。材料成型及控制工程专业的实践教学在完成理论知识学习之后，通过生产实践，使抽象的理论知识与实际生产建立联系，在提高学生实际操作能力的同时使其掌握科学的生产方法，从而助力于培养具有创新意识的高素质工程应用人才，对学生专业素养的提高和正确价值观的形成具有重要意义。由此可见，“新工业革命4.0”中的“制造业技术及其核心——新制造方法”“材料技术及其核心——新型材料”“信息技术及其核心——计算机与通信”三大技术群与本专业及其实践教学关系密切。研究这些新技术元素与本学科技术的结合点和契合点，强化紧跟新技术发展的意识，为学生将来进行科学研究和技术创新、融合创新技术提供教学知识点和关键内容。

二、“生产实习”课程教学内容和知识体系更新

在世界经济结构转型、工业生产革新重大挑战的背景下，高等工程教育应调整教学内容和知识体系，这是培养卓越工程创新人才的重要途径，有利于为中华民族伟大复兴做出重要贡献［7］。材料成型及控制工程专业“生产实习”课程中，传统的教学内容主要包括液态成型、塑性成型、焊接成型三方面内容。其中，在液态成型方面，了解冲天炉、电炉熔炼合金的优点和缺点，冷芯、热芯、手工砂芯的特点及生产工艺，各种造型设备的工作原理和型号，铸件的生产工艺以及各种工艺装备的生产原理。在塑性成型方面，使学生了解塑性成型的各种工艺方法（如锻造、冲压、模塑）、模具及工装特点，熟悉典型零件的整个加工工艺过程，了解生产实际和工厂管理。在焊接成型方面，通过跟踪以焊接为主要生产工艺的典型产品的生产过程，分析产品结构组成与特点，了解产品焊接工艺流程，掌握焊接结构生产的基本工艺方法，了解焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、激光焊等焊接方法的原理、对材料的适应性以及在实际生产中的应用特点。

更新后的“生产实习”课程除传统产品生产工艺外，更应注重先进制造方法的引入，如表面工程技术、超精密加工技术、搅拌摩擦连接、增材制造、工业机器人等；传统生产实习面对的生产对象往往是金属或塑料制品等结构产品，更新后应介绍新型材料及其结构、功能产品的加工制备，包括信息材料与技术、新能源材料与技术、生物材料与技术、纳米材料与技术、超导材料与技术、稀土材料、新型钢铁、新型有色金属材料与技术、生态环境材料与技术以及军工新材料与技术等。

除此之外，应介绍“新工业革命4.0”带来的变革在本行业中的体现，如技术范式变革，重大科技创新以技术群的形式出现，不同领域的技术相互融合、渗透、扩散，技术变革和技术应用的周期变短；制造及生产方式转型，以满足人类社会的差异化和个性化需求为指向，通过快速便捷成型制造缩短产品研发和生产周期，同时提高材料利用率，兼顾高效率和低成本，绿色、智能及个性化制造逐渐占主导地位，取代规模化制造；产业形态革新，产业界限逐渐模糊，并且开始深度融合，未来新型工业产业形态以信息和智能为主导；组织形式改革，企业通过网络跨边界与环境相联系已经成为普遍现象；商业模式变革，“终端+平台+服务+数据”是构成重要商业模式的四大要素［6］。

专业实践课程应注重价值观教育，高等教育的本质是立德树人［8］，课程思政应贯穿专业课程始终，尤其是实践类课程倾向于群体互动和环境感化教育模式，该类课程除了蕴含科技元素外，同时兼具人文特征，即大量价值观和思想政治教育元素，如低碳制造、绿色可持续发展、生态环境保护，以及人类命运共同体等。如大国重器理念，未来我国在国际上的地位在很大程度上取决于制造业是否足够强，强盛的国家和民族需要强大的制造业作为基石，强大的制造业需要高科技核心技术作为支撑。向学生强化我国以制造业立国的思想，树立学生勇于投身制造业的志向，并激发学生服务制造业技术创新的内在学习动力。

三、“生产实习”课程教学方法改革创新措施

教学内容更新之后还需要与之相适应的教学方法，二者相互配合才能达到良好的教学效果，适合的教学方法是实现教学目标的途径。在信息化、智能化和知识碎片化的时代背景下，“生产实习”课程教学方法改革应包含如下几个方面。

1.针对目前大学生知识碎片化、学习手段多元化的特点，生产实习知识传授求广、求精、求深，与本领域当前学术界研究热点相结合，激发学生主动探究、主动建构知识的兴趣，鼓励学生发现问题，培养学生专业兴趣及善于打破传统的批判性思维、创新思维和创新能力，实现创新意识及能力素质培养，引领学生深入认识科学技术现代化的内涵和外延，体现材料学科及工程技术的概念，以及其对推动人类社会进步的重要意义，建立学生终身学习和自主学习意识。

2.打造实践平台，建立稳定的校外实习基地以及校企联合指导模式，是保障实践教学质量效果和提升学生综合素质及实践能力的必要措施。建设将理论知识与生产实践相联系的桥梁，有助于学生获得感性认知和实际操作基本技能，提升实践能力和协作精神。稳定的校外实习场所和实践工作经验丰富的技术人员或工程管理人员，有助于突破校企边界，整合校企共同的社会资源，构建校企双主体合作育人的实践教学模式，推动大学与行业、大学与社会的融合，为学生就业创造坚实可靠的基础。

3.使用先进的教学方法，激发教学环境智能化。第一，充分利用在线课堂。按照教学内容中新技术、新材料的分类，提供众多相应的网络学习资源，学生可根据个性特征和兴趣爱好进行选择，在自由灵活的时间内完成不少于规定学时的学习，这有利于学生实现个性化和自定进度学习，促进移动学习，学习方式灵活且效率高；邀请全国乃至全球范围内的行业优秀人物，针对相关教学内容开展在线讲座，打破学校教育的“围墙”，与社会建立广泛联系，拓宽学生视野，实现无边界学习。第二，充分利用虚拟仿真软件，依托VR头盔设计沉浸式教学实践环节，通过创设可视化影像、虚实互动情境、可进化场景等，使课程内容实现形象化、逼真化、虚拟化，为学习者提供一个接近真实的动态环境，使学习者通过高度参与互动和演练提升技能。例如，使用虚拟工厂完成汽车覆盖件冲压成形的生产线布置及基本工序（如落料、预弯、拉延、修边、冲孔、翻边、整形等）。这有助于改变重复、机械、枯燥的课程状态，提升学生参与度和学习效果。第三，充分利用信息大数据，对学生的学习行为进行数据采集和深入分析，使用数据驱动的反馈机制为学生提供有针对性的学习支持，同时形成教学反馈循环，从而持续不断地改进课程实施效果。

4.改革教学组织方式，以学生学习为中心，以学习效果为导向，鼓励团队学习法。例如，在教学活动中采用合作团队及研究小组形式，除解释及纠正必要概念，主要引导以学生为主体的探索式学习，发现问题并提出设想，积极探究解决问题。例如，采用任务激励法，实施基于问题的协作学习，针对教学内容设置任务中心网络平台，学生可以根据自己的能力和兴趣爱好自由组建跨专业团队，在规定时间内领取并完成任务，注重不同学科人才之间的合作，注重交叉学科人才的培养，这有利于培养学生的团队协同创新、跨界创新意识和能力。

5.考核与评价方式改革。考核方式：加强“生产实习”课程教学过程管理，使考核贯穿整个教学过程；考核内容细分为知识考核、能力考核、个人考核、团队考核，同时将学生的表达与沟通技巧、数据深入分析能力、组织与管理才华、团队合作意识等四大能力素养纳入考核范畴。评价方式：评价方式多元化，综合运用多种评价方式，全方位、多视角地争取对学生进行客观、公正且能促进学生改进和成长的评价。改变主讲教师单一的评价体系，采用学生自评、学生互评、教师评价、企业评价等多元评价体系相结合的模式。同时，引入激励和发展式评价，使用赏识性评价促进学生发展，激发学习兴趣；充分认识到学生正处于成长期，用发展的眼光评价学生，运用评价导向性增强学生自信心，建立锐意进取、努力拼搏的精神。

结语

“新工业革命4.0”背景下，我国高等学校迫切需要转变教育模式，更新教育系统，培养具备第四次工业革命职业技能与核心素养的卓越工程创新人才，助力新工业革命背景下我国制造业繁荣强大和中华民族伟大复兴。笔者以材料成型及控制工程专业“生产实习”实践课程为例，从“新工业革命4.0”技术创新要素与材料成型及控制工程实践教学结合点、“生产实习”课程教学内容及知识体系更新策略、与新教学内容相适应的教学方法创新三方面，对其教学改革展开了探索并提出了具体措施。未来研究团队将长期跟踪与评价教学质量与成效，在反馈数据的驱动下，持续改进教学手段，不断提升教学效果。