专业方向融合背景下实验教学改革的思考

［摘 要］ 基于专业方向（液态成型、模具设计与制造和材料连接）融合背景下，河北工业大学材料成型及控制工程专业方向融合过程中的实验教学课程存在问题，从专业实验教学理念构建、实验教学过程实施模式、实验指导人员能力提升及实验仪器（设备）管理与优化等方面进行了探讨，并通过组织由不同专业方向的本科生组成科研兴趣小组的形式，对实验教学内容设置与评价方式进行了初步探索，以期为专业方向融合背景下材料成型及控制工程专业的实验教学改革提供参考。

［关键词］ 材料成型；专业方向融合；实验教学；教学改革

［基金项目］ 2020年度河北工业大学本科教育教学改革研究与实践项目“‘产学研相结合’的创新教学模式在传输原理课程教学中的探索与实践”（202003034）

［作者简介］ 夏兴川（1981—），男，河北保定人，博士，河北工业大学材料科学与工程学院研究员，主要从事轻质合金精确成型技术研究；丁 俭（1977—），女，河北石家庄人，博士，河北工业大学材料科学与工程学院副教授，主要从事金属材料成型技术研究；汤 颖（1987—），女，湖南长沙人，博士，河北工业大学材料科学与工程学院讲师，主要从事相图热力学与动力学计算研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）30-0021-04 ［收稿日期］ 2022-08-14

实验教学作为实践能力培养的重要环节，是高等教育创新体系中的重要组成部分，在培养工科学生专业水平、提高学生综合素质、塑造学生理论联系实际的品格、培养学生的创新精神与分析解决问题的能力等方面都有着理论教学不可替代的作用［1-2］。从工程教育专业认证到“卓越工程师教育培养计划”，再到积极建设新工科，学生实践创新能力的培养已成为新时代工科专业教育的共识［3-4］。材料成型及控制工程专业属于我校传统的优势专业，始于1958年河北工学院复建时的铸造专业方向（液态成型），随着社会的发展逐渐形成了焊接专业方向（材料连接）和模具专业方向（模具设计与制造）。经过60多年的发展，针对三个专业方向的培养目标形成了各自独立的实验教学体系。近年来，在综合考虑社会发展、人才培养模式和工程教育认证需求的基础上，通过组织毕业生调研、企业走访和教育教学论坛等，综合考虑了专业发展趋势、企业专家和教指委专家意见，确定从2021级本科生开始实行大成型的培养模式（即实现液态成型、模具设计与制造和材料连接的融合）［5］。在此背景下，必然需要根据新的本科生培养目标改进实验教学模式、变更实验教学内容，进而实现实验教学体系的改革［6］。本文结合我校材料成型及控制工程专业方向实验教学课程设置情况，分析了现有实验教学开展的特点。在此基础上，提出专业方向融合背景下实验教学的改进思路，以期提升本专业的实验教学水平，培养更多具有创新意识的应用型工程技术人才。

一、专业方向实验教学情况

（一）课程设置情况

材料成型及控制工程专业实验课程由基础课程实验（包括“电工与电子技术”“物理化学”“普通化学”“工程力学”“液压与气压传动”“金工实习”等）、专业基础课实验（包括“金属学与热处理A/B实验”“材料力学性能”“材料分析测试方法”“金属工艺学”等）和专业方向课程实验组成。其中专业方向实验课包括：“材料成型基础A/B/C”“铸造合金及熔炼”（材料焊接性、焊接结构）“铸造工艺学”（冲压工艺及设备、模具制造工艺及设备）“铸造装备及原理”（材料连接工艺及设备、弧焊电源）“铸造工艺学综合实验”（模具制造综合实验、模具设计综合实验、焊接工艺制定及评定综合实验）“铸造合金综合实验”（模具材料综合实验、焊接材料设计及质量检验综合实验）等。基础课程实验和专业基础课程实验对三个专业方向不做区分，而专业课程实验则根据不同专业方向的培养目标设置了完全独立的实验课程体系，不同专业方向之间的关联性较小。部分专业基础课实验和专业方向课程内容存在交叉现象，且实验内容设置繁杂，工作量大，学生在完成理论课学习的同时还要参加大量的实验课程，致使很多学生只重实验结果，不重过程，实践能力提升缓慢。

（二）实验教学指导人员情况

长期以来，分方向开展理论授课和实验教学的方式，导致专任教师（兼任实验课指导教师）和实验辅助人员更多的是关注各自承担专业方向的最新实验技术、实验原理和评价方法等，对其他方向的理论和实验技术的发展关注较少。多年来，专业基础课与专业方向实验课教学内容基本固定不变，实验教学内容更新较少且以验证性和认识性实验为主，导致实验教学指导人员学习新知识、新设备并利用先进仪器（设备）开展实验教学改革的积极性不高，许多先进设备功能开发不够充分。同时，实验教学的开设时间不确定，随机性较大，通常需要根据理论教学的进展安排实验教学任务（多数安排在晚上或者周末），导致各个专业方向的实验教学指导人员之间交流较少，这为专业方向融合背景下实验教学工作的开展带来了巨大挑战。

（三）实验教学仪器（设备）情况

受专业方向培养目标不同的影响，各专业方向实验教学所用仪器（设备）专业化程度非常高，以材料连接专业方向为例，主要教学仪器（设备）有手工电弧焊机、埋弧焊机、点焊机、氩弧焊机、电阻焊机、搅拌摩擦焊机、闪光对焊机等。而液态成型专业方向主要教学设备有中频炉、井式炉、箱式电阻炉、混砂机、落砂机、涡洗式洗砂机、型砂强度测试仪、红外干燥仪以及辅助配件等，可见各专业方向的主要实验教学仪器（设备）能够交叉使用的设备较少，这不利于专业方向融合后实验教学的开展。并且，各专业方向教学设备普遍存在使用年限长和维修不到位等问题，导致实验结果误差较大，学生对专业的认可度降低。

二、专业融合实验教学改革思路

在实验课内容复杂且实验指导教师、辅助人员和实验仪器（设备）专业方向化程度较高的前提下，如何顺利实现实验教学过程的有机融合，是提升材料成型及控制工程专业本科毕业生实践能力和综合素质的前提。而实验教学受教学理念、教学方法、指导教师与辅助人员水平、实验设备管理等因素的综合影响［7］。针对以上实验教学过程中存在的问题，实验指导教师及辅助人员要树立以学生为本的实验教学观念，构建有利于培养学生实践创新能力的实验教学体系，建设满足专业发展需求的高素质实验教学队伍，同时建设实验仪器（设备）先进、共享程度高和服务质量好的实验室环境［8］。

（一）构建大成型教学理念

以工程教育认证为契机，系统梳理液态成型、模具设计与制造、材料连接专业方向原有的理论和实验教学内容，聚焦高端装备制造和汽车行业发展需求，从材料成型及控制工程专业（大成型）的角度对教学内容进行提炼，寻找它们之间的知识结合点。全力打造以学生未来发展为目标的培养理念，系统开展由理论课教师、实验指导教师、实验辅助人员和实验室管理人员为主体的教学研讨，建立紧密结合的大成型实验教学课程组，提升课程组成员对材料成型及控制工程专业未来融合、建设和发展的整体认识，从理论与实验教学指导教师开始，统一思想认识，强化融合观念。在此基础上，对各专业方向原有的实验内容、实验流程和实验设备进行分析、凝练与优化，寻求它们之间的结合点，进而改进实验教学方法，摒弃专业方向在实验教学过程中的影响，建立理论教学、实验设计与操作、实验过程与结果评价统筹考虑的大成型教学理念。

（二）改进实验教学方法

由上文可知，按专业方向开展实验教学过程中，专业基础课实验和专业课实验存在实验内容部分交叉和实验工作量大的情况，并且各专业方向实验内容（特别是专业课实验）的专业性较高，交叉融合的难度较大，不利于大成型教学理念的推广。在目前更注重能力培养的工科生培养过程中，结合材料成型及控制工程专业未来的发展目标，在实验教学过程中充分发挥综合实验课程的优势，合并有交叉内容的专业基础课实验和专业课实验，依据大成型的培养目标，推动实验课程内容的融合并强化实验过程考核。提出以评价样件整体性能代替原有的评价零部件组织与性能的考核方式：将模具设计与制造的专业知识融入零部件的成型工艺，按零部件成型工艺的不同提出不同的考核要求，比如对于需要液态成型的零部件，可以综合考虑其致密度、工艺出品率、关键部位的微观组织和力学性能要求等，这就需要学生掌握零部件的模具结构设计和液态成型理论与工艺方面的知识，并进行实际应用。而对于液态成型零部件的连接过程，则需要学生掌握黑色金属或有色金属材料的连接理论和连接工艺方面的专业知识与技能。在阶段性考核的基础上，最终通过评价样件的整体结构与性能考查学生对实验原理、内容、技能和设备的掌握程度，进而提出改进措施。改进后的实验课程内容、操作、考核与评价方法对实验指导教师和辅助人员的专业知识和实验技术能力提出了更高的要求，要求他们必须熟练掌握不同零部件及样件的成型工艺特点，而样件的选择至关重要，需要涉及未来材料成型及控制工程专业所需的多种成型方法与考核内容，这对于推进专业方向融合至关重要。

（三）实验指导人员能力提升

材料成型及控制工程专业的实验指导人员既要具备充足的成型专业理论知识，又需要具有一定的成型专业技能。在成立实验教学课程组的基础上，鼓励并强化实验指导人员与高端装备制造和汽车企业之间的技术交流，充分了解材料成型及控制工程专业的发展现状与趋势，明确未来产业发展对专业的要求，不断提升对专业发展的认识，积极拓宽实验指导人员的知识面，努力寻找在实验教学内容设置、考评方式等方面存在的不足，推进面向实际应用的实验教学改革。以年终绩效学时分配和评优评奖为杠杆，调动实验教学指导人员开展创新性的综合实验课程改革。在条件允许的情况下，引进具有相关工程技术背景的师资负责综合实验课程教学，提高实验教学水平。同时，完善综合实验教学考核及成绩评定办法，建立分组开展与分组考核的教学模式，各组分配不同的样件与考核要求，加强实验过程考核，重点考查学生在调研、资料收集与整理、实验方案设计合理性、实验操作、实验结果分析准确性和团队合作等方面的能力，客观真实地评定学生的实验成绩。

（四）实验设备（仪器）梳理与优化

根据材料成型及控制工程专业的特点，开展综合实验需要使用较多的实验设备（仪器），可以说实验设备（仪器）是综合实验能够顺利实施的基础，同时“材料成型装备”也是本专业的核心课程。为保证综合实验课程的实施效果，在提出样件结构、组织和性能的评价方式之前，需要充分了解现有实验设备（仪器）是否能够充分保证实验的开展。多数高校对本科教学实验仪器（设备）的日常管理、维护和更新重视程度不够，存在设备老化和精确度不够等问题。且不同专业方向之间实验教学设备的共享程度较低，资源整合难度较大。为了更好地开展专业方向融合背景下的实验教学，首先需要对各专业方向现有的实验设备（仪器）进行统计、分析，系统分析不同专业方向设备的功能、使用要求、工艺参数等。同时，紧密结合学院教学实验中心平台设备的开放使用与更新情况，在此基础上实验教学课程组充分讨论综合实验的内容设置、开展可行性以及可能遇到的问题，并与学院、学校沟通，补充必要设备（仪器）并优化使用流程，建立面向本科教学实验完全开放的实验设备（仪器）平台，保证综合实验教学的顺利开展。

三、专业方向融合实验教学实施效果

为更好地推进专业方向融合背景下的实验教学改革，2018年在材料科学与工程学院“青年教师助力本科生创新能力提升计划”的支持下，根据青年教师和本科生的专业方向及个人兴趣，材料成型及控制工程系组建了一支由液态成型（4人）、模具设计与制造（3人）、材料连接（4人）等专业方向的本科生构成的科技兴趣小组，探索专业方向融合背景下的实验教学改革方法，为未来大成型实验教学改革提供思路。学院为科技兴趣小组组建了实验指导教师团队（液态成型、模具设计与制造、材料连接和实验室管理人员各1人）。在综合考虑小组成员专业基础知识和学院教学实验中心实验平台设备（仪器）的基础上，确定在2019—2021年开展“泡沫铝管材异形件成型技术开发”方面的探索。综合实验开始前，指导教师团队设计了异形件的结构、成型方式（包括液态成型、熔焊）、零件和样件的组织与性能要求以及分阶段考核的具体目标（比如零件的尺寸、外壁晶粒度、硬度等）。小组成员在课余时间根据零件和样件的结构、组织与性能要求，分别设计零件液态成型所需的模具及加工方法、熔炼温度、浇铸温度、模具温度和保温时间等。在此基础上，综合考虑不同零件和样件的整体结构，设计所需的熔焊工艺及所用的设备。最终通过开展实验设计、零件制备、样件成型和性能测试与分析等工作，达到实验目的。通过召开经验总结会，与往届生、企业专家座谈，发现兴趣小组的学生对材料成型及控制工程专业的认识与往届毕业生有较大的不同，他们对金属材料的成型机理和样件制备工艺及性能评价有了更深刻的理解，对专业的认可度大幅提升。同时，实验指导教师对材料成型专业的认识和未来发展也有了进一步提高。实验使用了原来液态成型、模具设计与制造、材料连接和教学实验中心的实验设备（仪器），实验开展过程建立了行之有效的设备（仪器）沟通、使用和管理流程，为未来材料成型及控制工程专业实验教学改革过程中的实验设备（仪器）的梳理与优化奠定了良好的基础。