培养学生实践能力的工程材料及成型技术开放实验改革与探索_1

培养学生实践能力的工程材料及成型技术开放实验改革与探索
发布时间：2022-05-26T06:20:35.181Z 来源：《教学与研究》2022年第2月3期作者：燕峰刘英义刘瑜解志文高旭陈永君胡素影徐凡[导读] 工程材料及成型技术基础课程实验流程相对复杂，课时有限，教学难度大。

燕峰刘英义刘瑜解志文高旭陈永君胡素影徐凡
(辽宁科技大学)
摘要:工程材料及成型技术基础课程实验流程相对复杂，课时有限，教学难度大。

改革后增设了仿真实验项目和综合性实验等现代化教学手段加强生产认知教学，并补充实例失效分析内容、改革实验考核方式等综合手段，形成“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的工程材料及成型技术实验教学新方法，大大提高学生理论与实践结合的能力。

关键词:模型;仿真;实训;开放;机械实验
实验教学是高等工程教育的重要组成部分，是学生实践能力和创新能力培养的必需环节。

全流程工程材料及成型技术实验工艺复杂、仪器设备众多、实验时间长，指导导师很难全程参与，在课时有限的情况下，在实验室进行此类实物实验教学往往存在很多限制因素，很难达到教学要求，因此实验教学的方法和手段在不断更新。

为此在此类实验采用“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的开放式实验教学模式，在提高教学效果的同时，充分了发挥学生的积极性、主动性。

1我校工程材料类实验教学的现状
机械类专业实验教学包括机械原理、液压控制等基础类实验课程及工程材料及成型技术、计算机虚拟仿真、机械实训和机械综合等专业类实验课程。

这些实验课程知识面广，接触各种类型仪器机会多，所涉及的实验知识、实验技能和实验方法都是学生以后从事各项科学研究和工程实践的基础。

在以往的教学过程中，各门实验的教师只负责自己部分的教学，内容衔接不通畅，同时理论与实践结合性差，只是为了做实验而做实验，也很少把实际生产中的问题引入课堂。

学生普遍感到枯燥乏味、学习吃力，从而对实验课程缺乏足够的重视，失去兴趣，最终导致学习上的敷衍搪塞，降低了教学质量。

考虑到上述实验课程在机械专业人才培养过程中的地位、作用和任务，应该在实验教学队伍建设和优化、层次化课程体系建设、实验开放教学模式探索、研究性教学实践和实施创新教育以及实验室开放运行与管理机制健全等方面进行改革，重点将具有相似实验内容的工艺类的实验课程，如工程材料及成型技术实验、计算机虚拟仿真实验、机械实训实验等进行组合，增加生产模型认知环节，构建“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合的实验教学新方法，在实验过程中逐步实行开放式教学，可有效提高实验教学的质量。

2虚拟仿真实验概述
近年来，随着计算机的普及和网络技术的发展，虚拟仿真技术被广泛应用于实验教学，开创了一种新的实验教学方式－虚拟仿真实验，它打破了实验时间、空间、仪器套数的限制。

使得人们学习的资源更加丰富，学习的形式更加多样化，学习的安排更加灵活，这些都大大促进了网络教育的迅速发展。

虚拟仿真实验的教学模式在各个行业被广泛采用，它有如下特点与优势:
(1)可有效降低实验成本，减少支出。

特别是针对具有危险性、过程复杂化和耗时耗能的实验项目更加适用。

(2)开发学生创造性思维。

采用虚拟仿真实验，学生不会因为担心损坏仪器设备而畏首畏尾，不会因为危险而担惊受怕，为学生提供大胆探索的实验环境。

(3)增强学生学习兴趣，真正做到理论与实践有机结合，巩固所学知识。

(4)弥补教学中内容的不足，解决供需矛盾，丰富实验内容，拓宽学生学术视野。

(5)保证实验安全。

有的实验特别是机械实验有一定的危险性，学生先通过虚拟仿真实验进行熟悉，了解安全生产措施，在后续的实验实训过程中就有安全保障。

(6)促进实验室开放性。

网络实验打破了传统实验的模式，学生不再受时间、空间的制约，可随时、随地进入虚拟实验室进行虚拟实验操作，不再受收课堂时间的限制。

3配套实验室的建设
目前我校的虚拟仿真实验室已初具规模，拥有专门的虚拟实验室和专门的教师队伍。

采用虚拟仿真实验与实物实验相结合的教学模式，激发学生主动性，有效提高了实验教学质量。

但也存在一些问题。

单元操作实验相对简单，不管是在虚拟实验还是在实物实验过程中，学生基本能轻松应对。

全流程工艺类实验流程复杂，学生虽然在课本中讲过，但对实际工厂的工艺、设备、仪表等完全没有概念，在懵懵懂懂情况下做虚拟实验，导致学习效果并不理想。

为此充分发挥学校地处鞍钢核心地带的区位优势，在实验课前先组织学生到企业参观见习，对涉及的工艺流程、设备仪表等进行简单介绍，让学生对此有了大致了解，学习起来就不感到过于抽象。

企业参观见习的时间毕竟有限，学生很难全部掌握。

于是购买了数套由模型厂制作的机械生产的工厂模型，建立模型室，在虚拟实验过程中模型和软件内容时时对照，大大加深了学生对设备、工艺等的印象，提高了学生的学习理解能力。

学生计算机虚拟仿真的实验做完后，对整个工艺流程有了一定的了解，迫切希望能亲自动手进行验证。

让学生真正动手操作，通过实训真正做到理论和实践的结合，使学生对机械生产过程有切身体会。

由于资金限制，目前投入使用的机械实训装置主要是机械单元实训和简单的工程材料及成型技术类实训装置。

通过上述实验室的建设和实验设备、模型、软件等的引进，为“模型认知—仿真虚拟—实训操作”相结合新实验教学模式开展打下坚实基础。

4工程材料及成型技术基础课程实验改革与实践
为了提高课程实验的教学效果，通过文献调研了解了其他学校的一些改革举措，并将之吸收到本次改革实践中。

（1）应用多媒体教学手段，加强生产认知教学
要尽可能应用多媒体教学手段，使学生在课堂中获得三维视觉效果和声音效果，使教学深入浅出、易学易懂。

由于课程性质实践性较强，知识面要求广泛，但是目前企业一般不愿意接受学生到企业实习和参观，那么多媒体教学可以弥补这方面的缺陷。

根据教学大纲的要
求，配合教材内容，现已经收集并编制了很多动画和教学视频。

目前课堂上采用集动画、视频、影像和声音于一体的多媒体教学方式，可以从听觉和视觉多方位给学生大脑以刺激，使学生留下深刻的印象。

对一些新技术、新工艺，安排上电视录像课或者进行视频教学，能收到一定的效果。

有条件时，还可以安排外出参观学习。

（2）增设综合性实验
把原有的热处理实验增设为综合性实验“热处理工艺设计及成形方法的选择”。

选用常用的45钢进行不同的热处理，然后进行拉伸试验、测定硬度、观察金相显微组织等，从材料成分－金相试样制备－热处理－组织观察－力学性能测试这一系列的环节，来培养学生获得钢的成分、组织、热处理、性能之间关系的知识。

通过本项目综合性实验教学模式的改革探索，改变了以往实验项目相对单一和相对独立的情况，将以前在不同实验室、不同环节完成的不同实验内容有机整合在一起，为学生更好地进行选材和用好材料打好基础。

在项目实施中，通过实现实验室和工程训练中心之间的资源共享，培养学生制备金相试样、使用显微镜、观察摄制金相组织及金相照片制备、制备拉伸试样进行力学性能测试等基本实验技能的训练,培养学生初步了解到金相分析技术对于材料的生产及机械产品制造中的作用。

把基本的教学实验与工程实际问题有机地联在一起的实验方案,不仅有利于丰富实验课内容,拓宽学生的视野,还可以提高学生的分析问题与解决问题的能力,从而培养学生的工程素质和创新能力。

（3）进行实例失效分析
从实际生产和使用中采集失效零件，利用学习到的操作技能和理论知识，对失效案例的制造工艺、服役条件、失效形式进行分析，提出改进方案，撰写完整的分析报告，培养学生的综合分析能力。

另一个途径就是收集世界上与本课程相关的工程事故灾难分析报告和相应的技术改进措施报告，例如在日本明治维新时期北海道的铁轨断裂事故、哥伦比亚号爆炸事故、泰坦尼克号沉船事故与雪龙号的开发等等。

对事故的分析，一方面可以增长见识，防范同类事故的发生，另一方面可以增强学生的社会责任感，对自己设计的产品负起责任。

（4）改革实验考核方式
由于学生较多且考核时间有限，我校的显微镜和热处理设备不可能做到人手一台，实验的考核也就不可能让每个学生通过操作来进行。

一般都是以事后撰写实验报告来考核学生对知识点的掌握情况。

但是这样的考核方式，难免会给抄袭报告、编造数据或者只会写报告但不会操作的同学创造了机会。

为了真正考核每个学生对实验的的掌握程度，采取笔答或口述形式将实验操作过程详细陈述出来，然后根据学生作答情况来进行现场评分。

在分组进行的、参与人数较多的、耗费时间较长的综合性实验中，让每组成员按照成绩正态分布的要求进行互评；在此基础上，指导教师再根据各组的完成质量进行权衡调节。

这种考核方法既鼓励了学生平时做实验的热情又能真实反映每个学生的实验操作能力。

5结语
通过工程材料及材料成型技术基础课程实验教学改革，建立了一种注重学生素质提高、实际能力培养的实验教学模式，有利于学生综合素质的培养和分析问题、解决问题能力的提高，充分发挥和调动了学生学习的主动性和积极性，增强了对学习的兴趣。

参考文献：
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［5］徐小明，张湘伟，丁政，等．开放型实验教学管理模式与系统实现［J］．实验室研究与探索，2007（8）：81－82．［6］林峰．《工程材料》综合设计性实验教学改革［J］．广东技术师范学院学报（自然科学），2009（2）：80－82．（辽宁科技大学实验教学改革项目SYJG202218,辽宁科技大学教学改革项目XJGBZ202014）
通讯作者: 燕峰, 1965年，副教授, 研究方向是工程材料及成型基础和表面技术。