《材料成型技术》课程改革探索

白斌,徐秀玲

摘要：在教学过程中充分调动学生的学习兴趣和学习积极性是课程教学改革的关键。将具有沉浸感、人机交互功能的虚拟实现技术应用于《材料成型技术》课程进行教学改革具有弥补实践教学条件不足、不受空间与时间限制和高仿真有利于积累加工经验等优势；该课程改革的主要措施是建立以案例教学为核心的课程内容体系，依托于虚拟现实技术创建高仿真的虚拟加工平台，采用以学生为主体、老师为主导的探索式教学模式。

关键词：课程改革；虚拟现实技术；案例教学；自主学习

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0034-02

《材料成型技术》是机械类专业必修的一门综合性技术基础课[1]。设置这门课的目的是期望学生通过本课程的学习，使学生掌握铸造、压力加工、焊接、塑料、橡胶、复合材料、粉末冶金等成形方法的特点、过程及基本原理，熟悉成形工艺中的各种成形设备，了解国内外材料成形工艺技术最新进展与研究热点，扩宽学生知识面、提高学生的实践能力，为学生在校深造及毕业后从事各种材料加工方向的研究与设计打下必要的基础。

一、《材料成型技术》课程改革之关键

《材料成型技术》是一门专业性较强、理论抽象、概念较多的专业基础课，教学内容与工程实践联系紧密，教学难度大，对实践教学环节的运用要求较高，然而在实际教学中往往出现如下几种问题：（1）只讲理论，缺少相应的实践教学环节。造成这种现象的原因一方面是高校招生规模的扩大，一些建校时间短、经费紧张的院校实践教学建设相对滞后，无力购买足够的用于材料成形实践教学的设备。另一方面是一些高校进行人才模式改革和课程内容整合后《材料成型技术》课程教学学时受到挤压，大幅度削减学时，因此内容多和学时少的矛盾凸显。为节约学时，对课程的实践环教学环节一再压缩，甚至取消。（2）具备实践教学条件，但理论教学与实践教学脱节。这种现象是受实践教学场地、设备的数量等限制，无法将理论教学与实践教学有机衔接，结果造成要么是没有理论基础就先进行了实践教学，要么是学过了理论，但理论与实践教学时间不匹配，学生到实施实践教学环节时已对理论内容遗忘了。（3）实践操作简单模仿，导致学生学习的自主性丧失。出现这种现象的原因主要是出于操作性与安全性考虑。用于材料成型技术的很多设备是很昂贵的，设备调试非常复杂，学生缺少操作经验，很容易造成设备故障甚至损坏，并具有一定危险性。为了避免出现意外伤害事故和保障设备安全，一些院校对材料成型技术的实践环节让学生完全模仿老师的操作动作，进而完成简单产品的加工工艺过程，学生操作的每一步都受到严格的约束，其结果是学生感觉自己像木偶，完全没有自由，久而久之势必丧失学习的自主性，学习兴趣荡然无存。

材料成型技术课程理论抽象，最佳的教学环境是在真实加工环境中进行授课，边实践边讲解理论，通过对理论的学习指导实践操作，反过来通过亲自操作、观察来对深奥的、抽象的理论加深理解。但这门课程的现实境遇是：实践教学场所受到空间、环境的制约，无法进行深入的理论教学，而进行理论教学的教室又没有办法安置实践用的各种设备，理论教学与实践教学被人为割裂开来。各方面因素的综合叠加造成学生学习起来感到枯燥乏味，学习课程的效果较差。因此，如何在教学过程中引发学生的学习兴趣、充分调动起学生对本课程的学习积极性，是该课程教学改革的关键[2，3，4]。

二、将虚拟现实技术应用于材料成形课程改革具有的优势

虚拟现实技术[5]是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。人与该模型可以进行交互，并产生与真实世界中相同的反馈信息，使人们获得和真实世界中一样的感受。将虚拟现实技术与材料成形课程相结合有如下优点：

1.逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能。对《材料成型技术》课堂教学引入虚拟现实技术，逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能，在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构，变学生的“被动听讲”为“主动学习”，由“要我学”转变为“我要学”。教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密地结合起来。

2.弥补实践教学条件的不足。通过应用成熟的虚拟现实软件，针对《材料成型技术》课程开发产品成形过程的虚拟操作环境及设备，在计算机上完成产品成形加工的全过程，这样将极大地降低设备成本，可以节省许多基础设施的低水平重复建设、仪器设备重复引进以及消耗材料的资金投入，有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平，实现资源共享，为缺乏资金、无力购买足够用于《材料成型技术》课程实践教学各种设备的院校提供了一种理想的解决方案。

3.不受空间与时间的限制。只要有一台计算机，学生可以在任何时间、任何地点进行材料成形虚拟加工，获得与真实加工过程一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。也就是说只要每人拥有一台计算机，材料成型技术课堂就可以做到边实践教学、边理论教学，将两种教学有机结合，形成互补，达到一加一大于二的教学效果。此外，课堂时间有限，一些学生对课堂上的内容缺乏理解或对某一成形方法、过程特别感兴趣，可以在课外任何时间重新体验虚拟的加工环境与加工过程，强化学习效果。

4.虚拟设备的高仿真效果有利于积累加工经验。利用虚拟现实技术进行虚拟加工，在虚拟环境中，学生可以放心地去对设备进行各种操作，或做各种危险的或危害人体的实验，而不必担心损坏设备或出现人身安全事故。学生在这样的环境中学习，具有完全的自主性，不受任何约束，通过虚拟加工过程，自己发现哪些操作是错误的、哪些操作是危险的，怎样操作才是最合理、最安全的。由于虚拟设备的高仿真，学生在以后真实加工时，已经具备了足够的加工经验，可以安全、顺利地完成加工过程。

三、《材料成型技术》课程改革的实施

本次《材料成型技术》课程改革从课程内容体系、教学手段、教学模式三面进行改革。依托于虚拟现实技术，进行案例教学，运用互动式虚拟生产环境让学生完成某一产品的整个生产工艺过程，并通过设置理论障碍的方式将理论知识融于其中，达到让学生主动学习的目的。

1.建立以案例教学为核心的课程内容体系。现有的《材料成型技术》课程教学内容多是从理论的完备性角度进行论述，将实践性内容穿插到理论知识之中，实践知识的存在一方面是作为完整理论的一部分，另一方面则作为叙述、解析理论的一种手段，结果造成实践知识是破碎的，断续的。学生在学完某一成形技术后，对该技术原理等理论性内容很熟悉，理解较深，但对产品完整的加工过程、各工序中设备、工具的使用及操作方法等实践知识是模糊的甚至是陌生的。此外，为配合理论叙述而讲解的实践知识，通常都是理想状态下的情况，而现实生产中由于有很多实际条件的约束与限制，与理想状态相差巨大，为达到要求，需采用很多技巧与工具，而这些都是现有教学内容中所没有的。针对现有《材料成型技术》课程教学内容只突出理论性而对实用性、技术性重视不足的特点，为进一步提升该课程中各成形工艺的真实性与完整性，采用以典型产品为核心，产品成形工艺过程为主线的案例教学方式，将内容分为安全培训、工艺规程设计、辅助工艺（预处理工艺）、主加工工艺、后处理工艺、新技术新工艺六大主体部分，并将理论知识融入工艺过程各环节，突出课程的技术性、实用性。

2.引入高仿真的虚拟教学平台。教学手段的改革是鉴于网络游戏对学生的吸引力，基于学生兴趣开发，在教学中引入虚拟现实技术，使学生在类似于玩网络游戏的氛围中进行学习。教学用虚拟程序设计灵感来源于迷宫类网络游戏，此类游戏需要玩家按特定的路径，寻找到适合的工具，用指定的方法完成相应的任务。虚拟程序设计借鉴这种游戏模式，依托于虚拟现实技术，以典型产品为核心，以该产品成形过程为主线，建立高仿真的生产设备、工具、原料及其他辅助装置模型，模拟真实加工过程，并在程序中设立理论知识障碍，通过互动式虚拟生产环境让学生按真实的加工顺序，选择适合的设备、工具，采用正确的操作方法，跨越过理论知识障碍后，完成该产品的整个成型加工工艺过程，达到让学生主动学习的目的。以铸造为例，据此开发的虚拟教学平台界面如图1所示。

3.采用以学生为主体，老师为主导的探索式教学模式。在采用案例教学的基础上，根据材料成型技术课程自身特点，将传统的填鸭式教学模式转变为探索式教学模式。传统的填鸭式教学，老师在讲台上讲，学生在座位上听，老师从自己的视角及思路出发来向学生输出自己的观点，学生无论愿意与否都是被动接受的，学生在课程教学中收获不到学习的满足和愉悦，甚至会因为被迫学习而导致反感和抵触，这样一来，学生在课堂上从老师那里得到的信息量就会逐渐减少，同时也没法听到其他同学的观点，结果必然会造成学习结果的低效或无效。本次改革运用虚拟现实技术，将课堂教学从以老师为主体、老师讲学生听的填鸭式教学模式转变为以学生为主体、老师为主导的探索式教学模式，将句号课堂转变为问号课堂。学生像玩迷宫游戏一样来完成虚拟加工任务，要自己带着问题找答案，进行自主学习。老师在课堂上只起导向与组织的作用，对一般性的理论及实践知识，提供参考书籍的清单；对难度大或深奥的理论与实践知识，进行讲解；对有疑问、有争议的理论问题、技术问题组织学生进行讨论和探讨。学生在老师的引导下，通过运用已知知识与自主学习方式来理解与掌握新知识，或者与同伴合作交流去探索新知识。这种教学模式能够很好地发挥学生的自主性和个性特长，培养学生分析问题、归纳总结、合作交流的能力和团队合作精神，激发学生的求知欲与学习兴趣，将沉闷、封闭的课堂转变为活泼、开放的课堂，最大程度开发学生的学习潜力并培养他们对新知识的兴趣及其自学能力。

通过上述课程教学改革的探索，课堂出勤率有了明显提高，师生互动显著增多，课堂讨论热烈，学生学习积极性高涨，达到了激发学生学习兴趣，提高学习效果的目的。通过互动式虚拟加工平台的建立，使学生在“玩”中学，通过打关的形式，由浅入深，随着对某种成形方法理解的加深，将该种成形技术理论、成形工艺及所需设备、工具、操作技术较为牢固加以掌握。

参考文献：

[1]汤酞则.材料成形技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]张绪平，解辉军.“材料成型原理”课程建设[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]张丽.《工程材料与材料成形工艺》课程疑难点的举例教学[J].装备制造技术，2008，（10）：143-144.

[4]吴树森，万里，安萍.工科专业课程中的案例教学研究[J].中国电力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2010，29（4）：390-393.

基金项目：本文系沈阳工程学院教研项目（Q1212）；《材料成型技术课程改革与实践》成果之一。

作者简介：白斌（1979-），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳工程学院讲师。

1.建立以案例教学为核心的课程内容体系。现有的《材料成型技术》课程教学内容多是从理论的完备性角度进行论述，将实践性内容穿插到理论知识之中，实践知识的存在一方面是作为完整理论的一部分，另一方面则作为叙述、解析理论的一种手段，结果造成实践知识是破碎的，断续的。学生在学完某一成形技术后，对该技术原理等理论性内容很熟悉，理解较深，但对产品完整的加工过程、各工序中设备、工具的使用及操作方法等实践知识是模糊的甚至是陌生的。此外，为配合理论叙述而讲解的实践知识，通常都是理想状态下的情况，而现实生产中由于有很多实际条件的约束与限制，与理想状态相差巨大，为达到要求，需采用很多技巧与工具，而这些都是现有教学内容中所没有的。针对现有《材料成型技术》课程教学内容只突出理论性而对实用性、技术性重视不足的特点，为进一步提升该课程中各成形工艺的真实性与完整性，采用以典型产品为核心，产品成形工艺过程为主线的案例教学方式，将内容分为安全培训、工艺规程设计、辅助工艺（预处理工艺）、主加工工艺、后处理工艺、新技术新工艺六大主体部分，并将理论知识融入工艺过程各环节，突出课程的技术性、实用性。

2.引入高仿真的虚拟教学平台。教学手段的改革是鉴于网络游戏对学生的吸引力，基于学生兴趣开发，在教学中引入虚拟现实技术，使学生在类似于玩网络游戏的氛围中进行学习。教学用虚拟程序设计灵感来源于迷宫类网络游戏，此类游戏需要玩家按特定的路径，寻找到适合的工具，用指定的方法完成相应的任务。虚拟程序设计借鉴这种游戏模式，依托于虚拟现实技术，以典型产品为核心，以该产品成形过程为主线，建立高仿真的生产设备、工具、原料及其他辅助装置模型，模拟真实加工过程，并在程序中设立理论知识障碍，通过互动式虚拟生产环境让学生按真实的加工顺序，选择适合的设备、工具，采用正确的操作方法，跨越过理论知识障碍后，完成该产品的整个成型加工工艺过程，达到让学生主动学习的目的。以铸造为例，据此开发的虚拟教学平台界面如图1所示。

3.采用以学生为主体，老师为主导的探索式教学模式。在采用案例教学的基础上，根据材料成型技术课程自身特点，将传统的填鸭式教学模式转变为探索式教学模式。传统的填鸭式教学，老师在讲台上讲，学生在座位上听，老师从自己的视角及思路出发来向学生输出自己的观点，学生无论愿意与否都是被动接受的，学生在课程教学中收获不到学习的满足和愉悦，甚至会因为被迫学习而导致反感和抵触，这样一来，学生在课堂上从老师那里得到的信息量就会逐渐减少，同时也没法听到其他同学的观点，结果必然会造成学习结果的低效或无效。本次改革运用虚拟现实技术，将课堂教学从以老师为主体、老师讲学生听的填鸭式教学模式转变为以学生为主体、老师为主导的探索式教学模式，将句号课堂转变为问号课堂。学生像玩迷宫游戏一样来完成虚拟加工任务，要自己带着问题找答案，进行自主学习。老师在课堂上只起导向与组织的作用，对一般性的理论及实践知识，提供参考书籍的清单；对难度大或深奥的理论与实践知识，进行讲解；对有疑问、有争议的理论问题、技术问题组织学生进行讨论和探讨。学生在老师的引导下，通过运用已知知识与自主学习方式来理解与掌握新知识，或者与同伴合作交流去探索新知识。这种教学模式能够很好地发挥学生的自主性和个性特长，培养学生分析问题、归纳总结、合作交流的能力和团队合作精神，激发学生的求知欲与学习兴趣，将沉闷、封闭的课堂转变为活泼、开放的课堂，最大程度开发学生的学习潜力并培养他们对新知识的兴趣及其自学能力。

通过上述课程教学改革的探索，课堂出勤率有了明显提高，师生互动显著增多，课堂讨论热烈，学生学习积极性高涨，达到了激发学生学习兴趣，提高学习效果的目的。通过互动式虚拟加工平台的建立，使学生在“玩”中学，通过打关的形式，由浅入深，随着对某种成形方法理解的加深，将该种成形技术理论、成形工艺及所需设备、工具、操作技术较为牢固加以掌握。

参考文献：

[1]汤酞则.材料成形技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]张绪平，解辉军.“材料成型原理”课程建设[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]张丽.《工程材料与材料成形工艺》课程疑难点的举例教学[J].装备制造技术，2008，（10）：143-144.

[4]吴树森，万里，安萍.工科专业课程中的案例教学研究[J].中国电力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2010，29（4）：390-393.

基金项目：本文系沈阳工程学院教研项目（Q1212）；《材料成型技术课程改革与实践》成果之一。

作者简介：白斌（1979-），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳工程学院讲师。

1.建立以案例教学为核心的课程内容体系。现有的《材料成型技术》课程教学内容多是从理论的完备性角度进行论述，将实践性内容穿插到理论知识之中，实践知识的存在一方面是作为完整理论的一部分，另一方面则作为叙述、解析理论的一种手段，结果造成实践知识是破碎的，断续的。学生在学完某一成形技术后，对该技术原理等理论性内容很熟悉，理解较深，但对产品完整的加工过程、各工序中设备、工具的使用及操作方法等实践知识是模糊的甚至是陌生的。此外，为配合理论叙述而讲解的实践知识，通常都是理想状态下的情况，而现实生产中由于有很多实际条件的约束与限制，与理想状态相差巨大，为达到要求，需采用很多技巧与工具，而这些都是现有教学内容中所没有的。针对现有《材料成型技术》课程教学内容只突出理论性而对实用性、技术性重视不足的特点，为进一步提升该课程中各成形工艺的真实性与完整性，采用以典型产品为核心，产品成形工艺过程为主线的案例教学方式，将内容分为安全培训、工艺规程设计、辅助工艺（预处理工艺）、主加工工艺、后处理工艺、新技术新工艺六大主体部分，并将理论知识融入工艺过程各环节，突出课程的技术性、实用性。

2.引入高仿真的虚拟教学平台。教学手段的改革是鉴于网络游戏对学生的吸引力，基于学生兴趣开发，在教学中引入虚拟现实技术，使学生在类似于玩网络游戏的氛围中进行学习。教学用虚拟程序设计灵感来源于迷宫类网络游戏，此类游戏需要玩家按特定的路径，寻找到适合的工具，用指定的方法完成相应的任务。虚拟程序设计借鉴这种游戏模式，依托于虚拟现实技术，以典型产品为核心，以该产品成形过程为主线，建立高仿真的生产设备、工具、原料及其他辅助装置模型，模拟真实加工过程，并在程序中设立理论知识障碍，通过互动式虚拟生产环境让学生按真实的加工顺序，选择适合的设备、工具，采用正确的操作方法，跨越过理论知识障碍后，完成该产品的整个成型加工工艺过程，达到让学生主动学习的目的。以铸造为例，据此开发的虚拟教学平台界面如图1所示。

3.采用以学生为主体，老师为主导的探索式教学模式。在采用案例教学的基础上，根据材料成型技术课程自身特点，将传统的填鸭式教学模式转变为探索式教学模式。传统的填鸭式教学，老师在讲台上讲，学生在座位上听，老师从自己的视角及思路出发来向学生输出自己的观点，学生无论愿意与否都是被动接受的，学生在课程教学中收获不到学习的满足和愉悦，甚至会因为被迫学习而导致反感和抵触，这样一来，学生在课堂上从老师那里得到的信息量就会逐渐减少，同时也没法听到其他同学的观点，结果必然会造成学习结果的低效或无效。本次改革运用虚拟现实技术，将课堂教学从以老师为主体、老师讲学生听的填鸭式教学模式转变为以学生为主体、老师为主导的探索式教学模式，将句号课堂转变为问号课堂。学生像玩迷宫游戏一样来完成虚拟加工任务，要自己带着问题找答案，进行自主学习。老师在课堂上只起导向与组织的作用，对一般性的理论及实践知识，提供参考书籍的清单；对难度大或深奥的理论与实践知识，进行讲解；对有疑问、有争议的理论问题、技术问题组织学生进行讨论和探讨。学生在老师的引导下，通过运用已知知识与自主学习方式来理解与掌握新知识，或者与同伴合作交流去探索新知识。这种教学模式能够很好地发挥学生的自主性和个性特长，培养学生分析问题、归纳总结、合作交流的能力和团队合作精神，激发学生的求知欲与学习兴趣，将沉闷、封闭的课堂转变为活泼、开放的课堂，最大程度开发学生的学习潜力并培养他们对新知识的兴趣及其自学能力。

通过上述课程教学改革的探索，课堂出勤率有了明显提高，师生互动显著增多，课堂讨论热烈，学生学习积极性高涨，达到了激发学生学习兴趣，提高学习效果的目的。通过互动式虚拟加工平台的建立，使学生在“玩”中学，通过打关的形式，由浅入深，随着对某种成形方法理解的加深，将该种成形技术理论、成形工艺及所需设备、工具、操作技术较为牢固加以掌握。

参考文献：

[1]汤酞则.材料成形技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]张绪平，解辉军.“材料成型原理”课程建设[J].煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.

[3]张丽.《工程材料与材料成形工艺》课程疑难点的举例教学[J].装备制造技术，2008，（10）：143-144.

[4]吴树森，万里，安萍.工科专业课程中的案例教学研究[J].中国电力教育，2012，（35）：41-42.

[5]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2010，29（4）：390-393.

基金项目：本文系沈阳工程学院教研项目（Q1212）；《材料成型技术课程改革与实践》成果之一。

作者简介：白斌（1979-），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳工程学院讲师。