融合教学模式下工程实践课程教学改革

唐正友 彭良贵 高彩茹 丁桦

摘要 为了持续提升材料成型及控制工程专业卓越班学生在轧制成形领域的工程实践能力和水平，教学中采用宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验，能实现信息技术与实践教学的深度融合。文章通过线下实验室参观和线上仿真操作相结合的方式进行工程实践，有效地提高学生对轧制设备、轧制方法、材料研发手段的认知水平，拓展了学生的工程视野。充分利用实验室资源，引入课程思政元素，增强了学生的专业自豪感和对专业社会价值的认同感，激发了其专业学习的热情，促进了创新能力的培养。

关键词 工程实践；虚拟仿真；课程思政；卓越计划

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.023

自2012年起，东北大学材料成型及控制工程专业（简称成型专业）实施了“卓越工程师教育培养计划”[1]。在项目初期，“卓越工程师培养计划班”（简称卓越班）在大三下学期期末组建，学生工程实践能力和科研素养的培养集中在大四上学期，培养时间短。经过多年教学实践，自2017级本科生开始，在大一专业分流后即组建卓越班，并进行为期三年的持续培养，同时安排具有丰富工程实践经验的教师独立授课，承担课堂教学和实践教学工作[2]，强化了学生的工程实践能力和科研素养。

工程实践是成型专业卓越班在大二下学期开设的必修课程，主要教学形式为现场观摩和场景交流。通过参观先进制造企业、科研院所及博物馆，学生能够获得工程实践知识，提高工程实践能力，培养实践创新精神。在参观前，教师先进行教学任务及要求的布置；在参观过程中，学生聆听企业导师的现场讲解，积极提问和交流；在参观后，学生进行总结和撰写实践报告。通过工程实践，学生将了解本学科知识在不同领域的应用情况，熟悉相关成形设备、制备方法、实验方法和检测手段，增强专业信心和运用本学科知识解决实际问题的能力。

然而，自2020年起，由于客观原因，实践教学时常中断和延期，导致实践教学课程对专业基础课和专业课的衔接与支撑作用不足，学生对专业领域的感性认识和实践认知明显滞后，不利于学生对专业课程的学习和理解。为此，专业和课程团队积极开展线上教学资源建设和能力建设[3]，挖掘校内实验室资源，基于融合教学模式，以确保工程实践课程教学的顺利进行。

1虚拟仿真实验建设

为深化信息技术与教育教学的深度融合[4-5]，专业申报了东北大学2020年虚拟仿真实验教学项目“宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验”，并与北京润尼尔网络科技有限公司合作开展建设工作。“宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验”课程在2020年12月获批辽宁省虚拟仿真实验教学一流本科课程。通过三维仿真技术，虚拟再现宽厚板轧制生产场景、组织观察和力学性能检测情境，如图1所示。虚拟仿真实验主要包括宽厚板轧制实验和组织性能检测实验，其中轧制实验由产品选择、坯料准备、粗轧宽度和厚度压下率制订，精轧厚度压下率制订、轧制温度、轧制速度、轧制力和力矩等轧制规程参数计算，轧后冷却工艺参数制订等实验内容组成。在学习模式下，系统将提供相关生产视频、示意性动画、轧钢工艺知识点、计算公式等材料帮助学生加深对轧制实验的理解；组织性能检测实验主要包括金相组织观察、硬度检测、拉伸实验和冲击实验。

图1宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验

学生登录后，可在车间内漫游，熟悉虚拟的生产环境和生产流程，了解典型设备的结构和功能。在实验时，可以选择学习模式或考核模式，两种模式都将经历所有实验步骤。学习模式下提供分析题作为练习题，以加深学生对宽厚板控制轧制与控制冷却理论的理解，使学生对材料成分、工艺、组织和性能之间的关系有更清晰的认识。考核模式下，提供客观题和主观题两种题型。考核结束后，系统自动生成实验报告并提交给指导教师进行评阅。

宽厚板控制轧制与控制冷却实验通过文字、图片和动画展示产品、坯料、轧制设备和轧制工艺知识点。通过交互方式制订粗轧和精轧压下规程，通过报警形式给出轧制工艺的约束条件，从而以虚拟仿真的方式呈现实际宽厚板的轧制生产过程和组织性能控制过程。

2课程思政内容建设

工程实践课程不仅注重实践基地建设，还不断挖掘实践基地的成果、内涵和文化，使學生拓宽视野、增强能力、塑造品格、树立正确的三观，从而达到立德树人的目标[6]。

专业依托的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（以下简称RAL实验室），是我国轧制技术及其自动化领域唯一的国家重点实验室。经过20余年的发展，该实验室在承担国家重大、重点研究开发项目和国有大中型企业科研项目中取得了丰硕成果，推动我国在轧制领域实现了从“跟跑”到“领跑”的伟大飞跃。作为世界钢铁业中“中国理念”——“绿色制造、制造绿色”的主要倡导者和推动者，丰富的科研成果为课程建设提供了许多高水平的工程实践案例和令人信服的思想政治教育元素[7]。实验室“实干、实绩、实效”的科研理念和“把论文写在祖国大地上”的精神追求都在潜移默化地影响学生的理想信念、价值取向和社会责任等方面[8-9]。

在宽厚板轧制领域，RAL实验室在2005年和2014年分别凭借宽厚板轧机核心轧制技术和连续辊式淬火关键技术两次获得国家科技进步奖二等奖。2019年，实验室与企业合作在国内首次建成难焊接特厚复合板生产线。2020年，实验室牵头编制的《海洋平台结构用中锰钢钢板》（标准号：GB/T 38713-2020）国家标准正式发布。宽厚板在国民经济和国防工业中占有重要的地位，获得的荣誉和技术突破都让学生对本专业教师产生敬佩之情，激发了学生的专业自豪感。学生通过感受专业教师的科研情怀和创新突破的使命担当，更有利于找到适合自己的发展方向和学习动力，全身心投入学习，追求卓越。

3“线上+线下”开展工程实践

工程实践课程的目标是培养学生对材料成形产品用途和制备过程的直观认知，使学生理解和掌握在材料成型及控制工程相关领域应遵守的社会规则、应具有的社会价值、应承担的社会责任，培养学生的工程视野，使学生掌握现场生产与技术、经济、创新的协调关系。

本课程通过RAL实验室实习和线上宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验，实现了现场实习和虚拟仿真的结合。在实验室实习时，学生能够了解各种轧制成形的方法和设备，认知热轧―冷轧―退火全工艺流程。在实习过程中，指导教师充分发挥实践育人作用[10]，结合实物呈现国家重点实验室各课题组的科研成果，激发学生参观的兴趣和好奇心，引导学生关注科学、技术、工程三者之间的结合，关注科学问题、技术问题、工程和管理问题，启发学生思考如何在工程中创新。

为了让学生更深入地了解轧制过程，课程利用“宽厚板控制轧制与控制冷却的虚拟仿真实验”进行实践操作。在指导教师简要介绍软件开发背景、操作界面隐含的轧制工艺知识点、工艺约束和操作要求后，学生登录账号进行宽厚板横轧―纵轧、粗轧―精轧压下率制订操作实践。具体包括产品选择、坯料选择，粗轧宽度和厚度压下率制订，精轧厚度压下率制订，查看系统自动计算的各道次轧制温度、轧制速度、轧制力和轧制力矩等轧制规程参数及其变化。在系统对不正确设定不断给出提示和报警中，学生逐渐加深对轧制过程的工艺理解。

通过“线上+线下”的融合教学开展轧制成形工程实践，学生可以更全面地了解金属塑性加工领域的情况，增强运用本学科知识解决相关实际问题的能力。这种教学方式不仅提高了学生对轧制成形过程的理解，还有助于培养学生的实践能力、创新意识和团队协作精神。

“线上+线下”的融合教学模式，在培养学生对材料成形产品用途和制备过程的直观认知方面取得了显著成效。这种模式既让学生在实际生产环境中感受到轧制过程中的各种设备和操作，又使学生通过虚拟仿真实验深入了解轧制工艺，进一步提高了学生的实践操作能力和理论素养。同时，通过参观RAL实验室和学习相关科研成果，学生对本专业教师的科研情怀、创新突破的使命担当有了更深刻的认识，从而激发他们的学习兴趣和动力，为今后的发展奠定了坚实基础。

“工程實践”课程通过“线上+线下”融合教学模式，使学生能够全面了解轧制成形工程实践，提高他们运用本学科知识解决实际问题的能力。这种教学方式不仅培养了学生的实践能力和理论素养，还有助于塑造学生的价值观和社会责任感。

4学生反馈

根据2018级、2019级和2020级三届成型专业卓越班的课程调查表、课程答辩和工程实践课程报告，学生提到，虽然客观条件限制了去校外实习基地进行工程实践，但是他们通过“线上+线下”的方式，开展轧制成形实践，仍然获得了很强的成就感。在实验室参观实习过程中，学生看到了众多的实验设备，拓宽了他们的专业视野，并感受到了科学实验的乐趣和材料学科的魅力。虚拟实验因为具有较高的逼真度，能够细腻地表现生产过程中的各项设备、产品移动以及参数变化，学生对板坯的加热、轧件的变形和温度的变化过程、设备和工艺的约束条件都有了新的认知，同时加深了对金属热加工过程工程规范性和安全性的理解。

通过“线上+线下”开展轧制成形实践，学生有了动手实践的机会，学习的主动性明显增强，通过反复操作练习，学生能够真正理解和掌握所学的知识，并引发新的思考和自主学习。

5结语

基于东北大学材料成型及控制工程专业的科研优势、丰富的思政元素和虚拟实验室建设成果，开展工程实践，能够帮助学生进行多维度、场景化和情景化的学习，拓宽其工程视野和科研视角。线上和线下相结合的实践形式也增强了学生自主探究的学习乐趣，提高了学生对专业的热爱程度。通过工程实践，有利于学生更好地学习专业知识，促进创新能力和工程职业素养的提高。

基金项目：国家自然科学基金（51874088）；中央高校基本科研业务专项（N2002015）；2020年度教育部国家级一流本科课程（线下一流课程）“材料成形金属学”。

参考文献

[1]林健.卓越工程师教育培养计划通用标准诠释[J].高等工程教育研究，2014（1）：12-23.

[2]彭良贵，丁桦，支颖，等.基于卓越工程师培养的压力加工车间设计课程教学创新[J].中国冶金教育，2016（4）：45-47，50.

[3]丁桦，赵宪明，唐正友，等.材料成型及控制工程专业建设与教学改革[J].中国冶金教育，2021（5）：69-71.

[4]李冠璟.本科高校信息技术与教育教学深度融合思路探索[J].科技风，2022（24）：103-105.

[5]张健平，蔡勇.“新工科”背景下工科类专业性实验虚拟仿真教学模式的构建与实施[J].大学物理实验，2022，35（4）：140-149.

[6]葛新锋，栗伟周，秦涛.分层次、多模块、开放式工程训练课程思政教学探索与实践[J].高等职业教育（天津职业大学学报），2021，30（1）：68-72.

[7]吉春和，徐春浩，李雪莲.把课程思政融入实践教学[N].中国矿业报， 2021-08-31（4）.

[8]蔺旭鹏.深刻理解新时代课程思政的丰富内涵[N].中国社会科学报， 2022-01-18（10）.

[9]赵红军，朱玉茹，徐畅.课程思政建设价值内涵与实施路径[J].中国冶金教育，2022（5）：97-101.

[10]彭良贵，丁桦，赵忠，等.强化教师在实践教学中的作用探讨[J].教育教学论坛，2017（13）：26-28.