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机械类材料课程的教学改革

［摘要］在“工业4.0”和“中国制造2025”的强国目标下,工业企业对机械类毕业生的创新能力、设计能力和实践能力等综合素质提出了更高的要求,而校企合作作为一种有效模式,已成为世界高等教育发展的共同道路.高校可以基于企业的定位和作用,对校企合作教育下的机械类材料课程进行改革,主要方法有侧重案例元素的比例,采用模块化教学等.

［关键词］材料课程；校企合作教学；教学改革

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2018）04-0072-03

能源、材料和信息是现代社会和科学技术的三大支柱,尤其是“新工科”的说法提出后,学习并掌握材料的基础知识对于应用型本科学校机械类专业学生来说尤为重要.材料类课程主要阐述工程材料的结构、组织性能及其影响因素等基本理论和规律,包含金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等常用工程材料及其应用等方面.课程依专业不同涉及材料科学与工程基础、工程材料和材料科学基础等.课程与工程实践紧密联系,是一门重要的专业基础课程.但是该类课程内容较为庞杂,具有“三多一少”的特点,即内容头绪多、原理规律多,概念定义多,理论计算少；并且有些微观结构看不见、摸不到,内容抽象.教师如何教好,学生如何学好一直是其教学改革的重点.

校企合作教育模式作为提升工程教育集成性、实践性、创新性的重要工具,在课程改革中也发挥着重要作用.青岛职业技术学院旅游管理专业[1]在教学中改革创新,采取项目引领的教学方式,每学期安排一个教学项目,围绕项目设置项目工具课程、核心课程与非核心课程,学生组成项目小组完成项目任务,将学生项目成果与景区实际需要高度一致,为景区提供有效建议、成果和优秀管理人才,使学生、学校、景区取得共赢.湖南人文科技学院化学与材料科学系[2]将校企合作教育引入材料类专业,利用校企间不同的教育资源和教育环境,在材料类专业人才培养目标和课程体系方面与企业开展深度合作,培养出应用型、技能型高素质复合型人才.苏州大学沙钢钢铁学院[3]将实践教学引入专业课程教学汇总,进行校企协同育人机制下课程内实践教学的改革和时间,开创专业课程教学的“教学—实践”互促新模式.南京林业大学机械电子工程学院[4]通过江苏省机械工程虚拟仿真共享平台,将理论与实践、虚拟与现实、学校与企业深度融合,使学生参与案例分析,了解企业需求,完成产品仿真设计,在实验室/企业进行实体性能测试,修改完善设计,改变了长期以来存在的重理论知识,轻实践能力倾向,大大提升了教学效果.

一、德国工业4.0,中国制造2025和新工科

2013年4月,德国“工业4.0工作组”在全球国际工业博览会上公布了研究成果报告《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》（简称德国“工业4.0”）.2015年5月,中国政府发布了《中国制造2025》,有人称这是中国版的“工业4.0”规划.中国社会科学院数量经济与技术经济研究所的李金华教授[5]通过分析比较二者,提出“工业4.0”和“中国制造2025”在背景、框架、优先发展领域、行动目标和路径等方面都存在差异.二者虽均指向先进制造业,并具有相同的大背景,但“中国制造2025”强调行动的指导思想和基本原则,目标是制造领域信息化和工业化的深度融合,促成中国制造由大变强,没有提出第四次工业革命的概念.其确定了重点发展的10个领域,而不是生产模式、生产管理、生产安全等制造理念.而在路径上,“中国制造2025”更多地集中于市场准入制度、政策支持、技术转化、科技成果转化等需要政府支持的方面.中国可以借鉴德国“工业4.0”,构筑新生产模式下企业职工的培训和持续教育机制；引导构建制造企业联盟,搭建企业信息平台,推进新产品和制造技术的集成和开发,对接全球制造市场；建设适应先进制造业发展的配套基础设施体系,促进制造企业参与国际竞争.

“新工科”是教育部于2017年2月18日在复旦大学召开综合性高校会议上发布的共识[6].新工科建设是中国高校在世界各国相继提出制造业发展规划的工业大背景下,为满足中国经济发展提出的工程教育改革,旨在培养学生的创新能力和实践能力.目前工程教育发达国家大多通过校企合作的方式,是培养应用型本科人才的有效途径.

二、校企合作教育

校企合作涉及多个方面,这里专指校企合作教育.合作教育又称“产学合作教育”,是一种独特的教育模式,价值在于“知识+技能”类人才的培养.即充分利用学校与企业的不同教育资源和环境,通过产学结合全面培养具有实践能力和创新能力的学生.这里不应该单单是指以适合不同企业需求为导向,大学的最根本的目的是培养人.目前对高校进行了分类,而应用型本科院校卓越工程师的培养不能忽视工程科学基础的作用,如果过分强调专业技能和专用技术的教学,培养出来的人即使能够在企业里上手快一些,短期来说节约了企业的培训成本,但不等于说这些人将来一定能成为卓越的工程师.应用型本科院校不仅应培养具有即时性技术的毕业生,而应具有前瞻性的眼光,即培养高级技术型人才或初级、中级工程型人才.

校企合作可主要解决两个关键问题——理论教学与工程实践有机结合、提高学生工程意识和实践能力,因此成为培养应用型本科人才的有效途径.目前在校企合作教育方面,包括共建人才培养和培训基地模式、共建校企合作课程,企业家进学校讲座,专项基金形式.其中,企业能够具体参与的方面包含：

1.参与制定教学计划、编写教材,授课和指导实践环节教学.

2.专题讨论形式,由高校教师和企业代表共同根据专业内容提出具体问题,学生组成小组共同讨论,并且采用口头报告形式在教师和企业代表面前展示解决方案.

3.项目形式的课程设计和毕业设计,由企业出题目,学生通过在实践中解决实际问题来解决.

4.企业内和跨企业培训.德国“双元制”中,学员通过企业内培训和跨企业培训一般每周在企业里接受3~4天实践教育.

应用型人才的创新素质表现在能够运用科学理论和方法来综合分析、解决现实问题,并能够不断学习,应用新知识、新技术,创造性地分析新情况、发现新问题、解决新问题.因此应平衡专业技能、专业技术和工程科学基础的关系,应用型本科院校卓越工程师的培养不能忽视工程科学基础的作用.

三、课程改革设想

（一）课程中侧重案例元素的比例

目前案例收集途径有：教师个人工程实践,社会调查收集；通过网络、电视等媒体收集,通过报纸、杂志、书籍等资料收集.其中通过企业收集案例是最佳途径,有效解决了案例本土化的问题.

教学案例应简化和有选择性,一个案例说明一个问题,围绕一个核心问题,一个难题.即首先考虑它说明了一个什么理论,因为“每一个案例都需要理论”,另外案例应具有争议性,以便引发学生思考和开展辩论.最后需要强制学生做出自己的决定.哈佛大学肯尼迪学院设有专门的案例库和案例制作中心,是实施案例教学的坚实基础.

教师也可根据需要将企业提供的案例采用PBL（Problem?鄄BasedLearning,问题式学习）教学中,弥补了教师缺乏实践知识和缺乏真实驱动的劣势,解决问题的过程由教师和企业工程联合指导,甚至扩展到多个教师和多个企业工程师.学生在这个过程中不但能主动学习相关知识,还能在应用中不断深化到解决问题阶段.若给出方案能够实施更可检验学习成果,即使失败通过讨论不足之处也已完成学生深化理论知识,提升实践能力的目标.

案例式教学不同于简单的举例子,其对教师的要求非常高.初期在材料课程中如何利用案例可开发出介于举例子和案例教学之间的教学模式,在降低对教师要求的条件下也可以极大调动学生学习的积极性和创造性.学生需要首先是课前的认真准备,其次是课堂的积极表现,因此课堂参与应尽量占案例教学成绩50%左右的.第三是通过课后列出的一系列书单找到分析此案例的理论支持和必要知识.

（二）模块化教学

模块化教学模式由国际劳工组织于20世纪70年代初研发和提出的,它最早以岗位任务为依据确定模块,采用以现场教学为主,以技能培训为核心的一种教学模式.之后广泛应用于工程教育及其他高等教育领域,现在已经成为西方国家应用型大学的主要教学模式[7].

由于模块化教学以能力为导向,把若干相关知识模块进行组装,形成相对独立但模块之间又相互联系的教学单元,因此首先可根据学生能力和兴趣等,做到因材施教,且优化了课程体系,组合灵活,使教学更有针对性.再次,可实现同一模块内的基础理论和实际应用的一体化,做到“学以致用”.模块化教学是开放的,可变的,在教学内容灵活,真正的教学内容应该根据社会和企业实际工作岗位的需要而定.专业课不应该固定教材,可有参考书；在教学方式上也是多样的,可讲授、可讨论、可实训、可调研等；在实施地点上也不受限制,可在学校、企业或社会生活中.有效的校企合作是实施模块化教学的有力保障.

（三）利用“互联网+”模式

“互联网+”是2013年腾讯ＣＥＯ马化腾在一次发言中最早提出的.“互联网+”是指以互联网为主的一整套信息技术,包括移动互联网、物联网、云计算、大数据等.“互联网+”使工程教育的教学内容、方法、模式和教学管理体制机制发生深刻变化.MOOC、智慧教育、翻转课堂等模式都是互联网教育的一部分.

高校要充分利用“互联网+”对共享优质工程教育资源的服务,来提高工程教育教学质量.“互联网+”校企深度融合可以渗透至联合招生、共建专业、共培师资、协同教学和合作就业等人才培养的方方面面.通过校企共建远程互动课堂,实现打破时空限制的远程传输课堂,学生除可以进行听课、接受指导等活动之外,还可以实时观察到企业老师的真实工作场景,实时参与到企业先进生产过程中.这使得远程教育不再是以教师为中心,而是所有参与者之间的多向交互活动.英特尔曾经发布过一个“未来课堂”的视频,其中当学生反复尝试也无法做出符合承重要求的桥梁模型时,授课教师通过视频会议的方式和一个工程师现场连线,工程师直接参与到课堂中,对学生进行指导并最终获得成功.

“互联网+”使得传统意义上的学习从高校围墙之内拓展到围墙之外,形成Anytime（任何时间）、Anywhere（任何地点）、Anybody（任何人）、Anything（任何事情）的4A学习模式,学生可分考虑自己的兴趣爱好、职业诉求和价值取向选择学习内容,真正实现差异化个性需求教育.

（四）校企合作开发MOOC、微课等

以微课为例,微课是“微型视频网络课程”的简称,以视频为主要载体,通常用5～10分钟讲授某一个知识点（如重点、难点、疑点、考点等）或专题内容,应用型本科院校开发微课应注重实践驱动、项目驱动,培养学生的实践能力和创新能力.

校企合作开发备课,有利于运用情景化的教学模式,使学生身临其境,更有利于主动完成任务.另外微课使用移动终端等完成课程,帮助授课者突破空间实践限制完成知识传授的工作.在校企合作时,时空冲突是导致校企合作无法深入的一个原因,一方面学生不能随时进入企业,另一方面企业专家有自己本职的企业工作,不可能为学生随时提供指导,精力和时间都受到了限制.5~10分钟的微课很好地解决了这一矛盾.另外微课视频可用于企业自身员工培训,降低企业经营成本.在开发微课时要注意结合企业的实践需求,设置课程结构和内容,设计微课程中的教学知识,避免表面课程内容陈旧滞后和与实践脱节的缺点.

（五）主动实践

基于实验室提供的基础平台条件,学生可以自己选择选择对象和方法,进行设计制作,比传统的在教师设定的框架里流水线式地完成实验更能提高动手能力.在塑造大工程观方面,则可以自己选产品、自己拟定工艺路线,自己买原材料,自己安排生产岗位与任务,自己管理生产质量,自己销售产品.

中国工程院院士李培根[8]提到一种方式,由学生去探究企业生产一线的问题,先了解企业究竟需要什么,再去发挥学生自身的想象力去做课题,这样能助力企业,获得企业想要的甚至意想不到的东西,或对企业真正有用的东西.

四、结论

材料类课程是一门链接科学和技术、理论和实践的桥梁课程,该类课程通常知识点众多且分散,涉及材料性能、材料科学理论基础、具体材料知识和选材,需要对材料科学与工程、机械工程等学科很了解才能完全融会贯通.而实际上机械类专业的材料类课程开设得并不多,学生对相关知识了解甚少,觉得这些知识太抽象,不容易理解.

本文所讲的案例教学、模块化教学等教学模式均能有效解决激起学生的好奇心和兴趣,改变理论教学的枯燥,对培养创新型和实践型人才有积极作用.

［参考文献］

［1］倪虹.项目引领、校企共赢——旅游管理专业景区方向项目教学创新改革实践［Ｊ］.旅游纵览（下半月）,2016（10）:227-228.

［2］胡继林,刘鑫,颜智珠,等.应用型本科院校材料类专业校企合作教育的探索与实践［Ｊ］.山东化工,2014,43（12）：167-168＋171.

［3］许继芳,屈天鹏,吕凡,等.专业课程“教学-实践”互促新模式下教学评价体系的构建［DB/OL］.http://www.cnki.net/kcms/detail/13.9000.G.20170209.1517.020.html

［4］刘英,赵茂程.“中国制造2025”引领下的案例教学研究,机械设计与制造工程,2016,45（12）：100-103.

［5］李金华,德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示,中国地质大学学报（社会科学版）,2015,15（5）：71-79.