材料成型工程設計課程教學與實踐

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摘要：文章首先分析了“材料成型工程設計”課程教學現狀，然后論述了基于工程教育專業認證的“材料成型工程設計”課程教學改革與實踐，包括精選工程設計題目，緊密結合工程應用；加強CAD在工程設計中的應用，鼓勵和支持自主創新；項目驅動，培養學生團隊協作與項目管理能力；企業深度參與指導，健全考核評價機制。

關鍵詞：“材料成型工程設計”課程教學；工程教育專業認證；CAD

作為一種國際通行的工程教育質量保障制度，工程教育專業認證是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。自2016年6月我國正式加入國際上最具影響力的工程教育互認協議———《華盛頓協議》以來，針對我國工程類專業的工程教育專業認證工作已全面展開，越來越多的工程類專業參與并通過了工程教育專業認證，極大地促進了工程類專業的教育改革[1-3]。但通過工程教育專業認證不意味著一勞永逸，而應該是專業發展新的起點和開始，工程教育專業認證更重要的目的是促進工程類專業建設的持續改進和人才培養質量的持續提高。2020年，筆者所在的西南石油大學新能源與材料學院材料成型及控制工程專業通過了工程教育專業認證，但在認證過程中，對照認證標準，很多課程仍然存在一些需要進一步改進和完善的問題。其中，“材料成型工程設計”課程是在學生完成通識教育課程、專業理論課程及大多數實踐類課程學習的基礎上開設的一門實踐類課程，對于培養學生面對材料成型復雜工程問題，能夠綜合利用所學專業知識，以及能夠將理論與實踐相結合并具備獨立分析和解決問題的能力具有重要意義。然而在進行材料成型工程設計過程中，會涉及材料、機械、力學、電氣、計算機等多學科知識的綜合應用，若教師不能合理地安排任務、有效地進行組織管理、有針對性地進行教學和輔導，學生設計往往會流于形式和表面化，難以達到工程教育專業認證的要求。因此，在工程教育專業認證背景下，結合不斷發展的教學理念和方法，以學生為中心，以目標為導向，進一步提高學生的工程師素養，保障我國應用型工程技術人才的培養質量，是該課程需要不斷關注和持續改進的問題[4-5]。

一、“材料成型工程設計”課程教學現狀

作為材料成型及控制工程專業一門重要的實踐課程，“材料成型工程設計”課程與實際工程應用的聯系十分緊密，能夠培養學生理論與實踐相結合、設計開發、團隊協作、項目管理等多方面的能力，但在工程教育專業認證過程中，筆者所在的課程組也發現了一些問題和不足，需要不斷改進和完善。

（一）設計題目與工程應用結合不緊密

一直以來，“材料成型工程設計”是教師結合材料成型及控制工程專業相關的一些典型產品或構件，擬定設計題目，明確設計任務，然后指導學生按照設計任務要求，綜合應用所學專業知識及文獻資料，完成比較完整的焊接、鑄造、鍛造、沖壓等方面的設計工作[6-7]。另外，在“材料成型工程設計”課程教學過程中，教師偏重于對學生在零件結構和成形工藝方面的基礎設計能力的培養，而在設計題目和任務的更新方面比較緩慢，尤其是一些設計題目比較陳舊，往往與企業生產實際脫節，不能與時俱進。在現代化工業和科學技術飛速發展的今天，社會對于人才的需求量不斷增加，對于人才素質和能力的要求也越來越高，而“材料成型工程設計”課程教學中，教師沒有緊跟行業發展步伐，與市場接軌，也沒有使設計題目與最新的工程應用緊密聯系起來，導致學生缺少進行工程設計的興趣和熱情，更沒有認真開展工程設計的積極性。

（二）設計方式單一，創新性不足

“材料成型工程設計”課程的學分為2個，考慮到工程設計所用到的專業知識較多，一般在第7學期期末集中安排2周完成。工程設計過程中，學生在教師的指導下按照對產品（零件）結構進行分析和設計、對成形工藝方案進行擬定、繪制圖紙、制作工藝卡、撰寫設計說明書等步驟按部就班地完成工程設計任務，但由于學生既要學習設計軟件，又要進行結構和工藝設計，加之設計周期短、設計任務重，且常常會與第二課堂等其他教學任務有一定沖突，導致學生在設計過程中往往根據相關資料生搬硬套，“仿其形而未得其意”。同時，學生對常規的計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）軟件還不能熟練掌握并有效地加以利用，更未能充分發揮現代化工具在工程設計中的應用。概括來說，學生雖然能夠完成工程設計基本能力的訓練，達到課程教學目標的要求，但設計方式仍然相對單一，且在設計過程中多是為了完成基本任務要求，沒有充足的時間和精力進行思考與優化，導致整體上圖紙繪制不夠規范、產品（零件）結構設計較為簡單、工藝方案制定不夠合理、設計總體創新性不足。

（三）學生團隊協作和項目管理能力體現不充分

對標工程教育專業認證要求，“材料成型工程設計”課程除了培養學生面對材料成型復雜工程問題時的分析、解決問題和設計開發能力，還要培養學生團隊協作、溝通交流和項目管理等方面的能力。在實際教學過程中，教師往往讓3～4個學生組成一個小組，要求每個小組共同完成一個設計題目，但是由于設計任務復雜、完成時間緊，學生缺乏項目管理的理論和實踐經驗，而教師課堂集中輔導有限，且更多地關注學生在設計方面遇到的專業和技能問題，對學生的任務分工和團隊協作的監管不夠，尤其在學生團隊協作、溝通交流和項目管理等方面能力的培養方面不夠重視，導致部分小組分工不夠合理、缺乏必要的溝通交流、相互協作配合不夠，最終致使工程設計任務不能很好地完成。

（四）企業參與不夠，考核評價機制不健全

基于工程教育專業認證背景，“材料成型工程設計”課程目標要求學生在設計過程中所提出的總體解決方案能夠兼顧社會、健康、安全、環境、法律、經濟等方面的要求。然而，由于學生的工程設計基本都是在學校完成的，缺乏企業指導教師的參與，同時教師往往對于工程實際應用產品設計所涉及的社會、經濟等方面的問題不夠敏感和明確，因此學生在設計過程中所提出的方案往往難以兼顧社會、健康、安全、環境、法律、經濟等方面的要求。同時，對于工程設計過程的考核主要依據平時的考勤和輔導答疑記錄，以及期末的設計說明書、圖紙、工藝卡和答辯等，雖然課程質量的評價重點關注了課程目標的達成情況，但對設計過程中所涉及的社會、健康、安全、環境、法律、經濟等方面的考核不夠明確，最終導致考核評價機制不健全。

二、基于工程教育專業認證的“材料成型工程設計”課程教學改革與實踐

（一）精選工程設計題目，緊密結合工程應用

在工程教育專業認證背景下，為了更好地培養學生的工程師素養和工程設計能力，并面向人才市場需求，與時俱進，筆者所在的課程組進一步對工程設計的題目進行精選，頻繁與企業溝通交流，了解企業在產品或構件方面的需求，及時更新工程設計題目，并盡量針對企業正在生產和開發的產品結構進行設計，如結合學生在四川川鍋鍋爐有限責任公司生產實習過程中對壓力容器結構特點和生產技術的了解與認識，擬定了不同工況要求的鍋爐汽包、集箱等產品的工程設計題目。同時，在保證完成課程目標要求的前提下，允許學生自主選題，如結合“永冠杯”中國大學生鑄造工藝設計大賽、全國大學生焊接創新大賽的題目進行設計，以求工程設計的任務能夠與實際應用緊密結合[8-9]。

（二）加強CAD在工程設計中的應用，鼓勵和支持自主創新

隨著計算機的發展和普及，計算機技術在企業工程設計中的應用越來越普遍，其中CAD已成為企業工程設計必不可少的手段。目前，CAD技術逐漸由二維繪圖向三維設計過渡，且集產品創新、模型構建、功能設計、結構分析、加工制造等于一體[10]。為適應現代化企業對于人才的需求，在材料成型工程設計過程中，引導學生借助計算機技術，應用先進軟件平臺完成設計任務，一直是“材料成型工程設計”課程教學持續改進的方向之一。然而，由于學生在前期開設的課程中對于CAD制圖及設計的實踐訓練不夠，導致多數學生在工程設計過程中對于常規二維CAD軟件的應用尚不熟練，能夠應用三維設計軟件的學生更是少數。如此，學生就需要在CAD軟件學習和操作訓練方面花費較多的時間，這會導致學生用在其他方面的時間比較緊張，沒有過多的精力去創新和思考。針對這種情況，在專業通過工程教育專業認證的基礎上，可從以下兩個方面加以解決。一方面，經專業討論和申請，將“材料成型工程設計”課程的時間安排進行調整，從原來的集中2周完成改成在7周內完成，給予學生充足的軟件學習和工程設計時間，期間，指導教師要根據具體情況不定期安排答疑輔導，以加強對學生在CAD制圖及設計方面的指導和訓練，引導學生將二維和三維設計軟件相結合完成相應的結構設計、圖紙繪制等。另一方面，秉承以學生為中心的思想，在保證達到工程設計任務要求的前提下，教師可設計開放式的項目，并允許學生結合實際工程應用和相關文獻資料自主命題，以鼓勵和支持學生自主創新設計，這樣學生不僅能夠完成工程設計的任務，同時還能夠利用教學實驗設備完成所設計的產品或構件模型的制作與分析，這樣可以充分發揮學生的主觀能動性，激發其創作熱情和動力。

（三）項目驅動，培養學生團隊協作與項目管理能力

基于工程教育專業認證持續改進的思想，為了進一步加強學生團隊協作、溝通交流和項目管理等方面能力的培養，針對“材料成型工程設計”課程教學組織和管理，工程設計任務從2周延長至7周，雖然設計時間更加充足，但拉長的任務周期對學生的團隊協作和項目管理能力提出了更高的要求。7周的時間如果不能合理安排和有效利用，學生依然不能很好地完成設計任務要求，因此筆者所在的課程組在之前分組完成任務的基礎上，基于項目驅動，按照項目管理方式，從分工合作、組織管理、過程控制等方面加強了對每個小組的監督和輔導。首先，指定每個小組的組長，在選定工程設計題目之后，及時明確各小組成員的任務分工和計劃方案，其中以組長負責統籌協調，小組成員相互配合協作，以保證工程設計任務順利實施和完成。其次，在實施過程中，指導教師要分階段檢查各組的工程設計實施進度，及時發現每個小組存在的問題并使其整改，同時督促小組成員之間加強溝通交流，以強化學生的團隊意識，保證每個學生的進度總體一致。最后，加強各小組工程項目管理方面的訓練，讓學生明確每個設計題目都是一個項目，要按照項目管理的基本流程分階段實施，從項目啟動、項目策劃、項目執行、項目監測和控制、項目收尾五個階段來管控自己的設計任務，以進一步提高學生的項目管理能力，并為學生獨立承擔、組織、開展項目奠定一定的實踐基礎。

（四）企業深度參與指導，健全考核評價機制

在工程教育專業認證背景下，為了培養出市場需要的高素質工程技術人才，企業參與生產實習、畢業設計等教學環節已經成為共識。但是，企業公參與這兩個實踐環節是遠遠不夠的，由于工程設計與企業產品的設計開發密切相關，因此企業也要參與這一實踐教學環節。比如，對于工程設計制圖的要求、工藝卡的制作、過程的管理控制，企業都有一套嚴格的制度和標準規范，且隨著現代化技術手段的進步，企業也在不斷引入現代化的設計手段和平臺。換言之，企業深度參與工程設計，有利于學生在設計過程中考慮得更加全面，并能夠兼顧社會、健康、安全、環境、法律、經濟等方面的要求。因此，為了進一步培養學生的工程師素養，提高學生的工程設計能力，“材料成型工程設計”課程要在面向工程教育認證標準的基礎上，從工程設計大綱修訂到課程的考核評價整個過程都進行持續改進，以便使企業能夠深度參與學生工程設計。①在修訂教學大綱時，積極與企業專家和工程技術人員進行溝通交流，討論并確定修訂方案。②在設計教學任務時，工程設計的題目和指導書要邀請企業專家共同確定、編寫。③在教學組織過程中，通過線上和線下相結合的方式安排企業專家為學生答疑、輔導。④在考核和評價環節，邀請企業專家參與確定考核方案。即課程總成績＝平時成績*0.3+期末成績*0.7，平時成績相較于之前的比例（0.2）有所提高。平時成績主要通過課堂討論情況、日常表現、進度安排、執行情況等進行評定，并制定出平時成績的評分標準。期末成績主要通過圖紙、工藝卡和答辯情況等進行評定，并制定出明確的評分標準，同時對標工程教育專業認證標準，明確考核內容所對應的課程目標和畢業要求，全面開展課程質量評價，對課程目標的達成情況進行評價和分析，并作為下一步持續改進的參考和依據。

三、結語

為進一步提高新工科人才培養質量，面向工程教育專業認證標準和理念，“材料成型工程設計”課程教師要針對目前教學存在的問題和不足，以學生為中心，以目標為導向，從工程設計的題目設計、教學組織、過程管理和考核評價等方面著手進行持續改進，以便通過精選設計題目、調整教學安排、鼓勵自主創新、加強綜合能力培養和企業深度參與等方式不斷提高教學質量，改進和完善課程的組織管理、過程控制和考核評價體系。當然，教學改革永無止境，“材料成型工程設計”課程必須緊跟最新的教育理念和時代發展變革，持續對教學方法和過程管控進行改進，才能滿足當前社會不斷更新的人才需求。

參考文獻：

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作者：王杰 黃本生 范舟 楊眉 單位：西南石油大學新能源與材料學院