唐正友 彭良貴 高彩茹 丁樺

摘要 為了持續(xù)提升材料成型及控制工程專業(yè)卓越班學(xué)生在軋制成形領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力和水平，教學(xué)中采用寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合。文章通過線下實(shí)驗(yàn)室參觀和線上仿真操作相結(jié)合的方式進(jìn)行工程實(shí)踐，有效地提高學(xué)生對(duì)軋制設(shè)備、軋制方法、材料研發(fā)手段的認(rèn)知水平，拓展了學(xué)生的工程視野。充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，引入課程思政元素，增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)自豪感和對(duì)專業(yè)社會(huì)價(jià)值的認(rèn)同感，激發(fā)了其專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情，促進(jìn)了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 工程實(shí)踐；虛擬仿真；課程思政；卓越計(jì)劃

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.023

自2012年起，東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)（簡(jiǎn)稱成型專業(yè)）實(shí)施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[1]。在項(xiàng)目初期，“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃班”（簡(jiǎn)稱卓越班）在大三下學(xué)期期末組建，學(xué)生工程實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)集中在大四上學(xué)期，培養(yǎng)時(shí)間短。經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐，自2017級(jí)本科生開始，在大一專業(yè)分流后即組建卓越班，并進(jìn)行為期三年的持續(xù)培養(yǎng)，同時(shí)安排具有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師獨(dú)立授課，承擔(dān)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)工作[2]，強(qiáng)化了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)。

工程實(shí)踐是成型專業(yè)卓越班在大二下學(xué)期開設(shè)的必修課程，主要教學(xué)形式為現(xiàn)場(chǎng)觀摩和場(chǎng)景交流。通過參觀先進(jìn)制造企業(yè)、科研院所及博物館，學(xué)生能夠獲得工程實(shí)踐知識(shí)，提高工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新精神。在參觀前，教師先進(jìn)行教學(xué)任務(wù)及要求的布置；在參觀過程中，學(xué)生聆聽企業(yè)導(dǎo)師的現(xiàn)場(chǎng)講解，積極提問和交流；在參觀后，學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和撰寫實(shí)踐報(bào)告。通過工程實(shí)踐，學(xué)生將了解本學(xué)科知識(shí)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，熟悉相關(guān)成形設(shè)備、制備方法、實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)手段，增強(qiáng)專業(yè)信心和運(yùn)用本學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

然而，自2020年起，由于客觀原因，實(shí)踐教學(xué)時(shí)常中斷和延期，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)課程對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的銜接與支撐作用不足，學(xué)生對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐認(rèn)知明顯滯后，不利于學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和理解。為此，專業(yè)和課程團(tuán)隊(duì)積極開展線上教學(xué)資源建設(shè)和能力建設(shè)[3]，挖掘校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室資源，基于融合教學(xué)模式，以確保工程實(shí)踐課程教學(xué)的順利進(jìn)行。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

為深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合[4-5]，專業(yè)申報(bào)了東北大學(xué)2020年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，并與北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司合作開展建設(shè)工作?！皩捄癜蹇刂栖堉婆c控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程在2020年12月獲批遼寧省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流本科課程。通過三維仿真技術(shù)，虛擬再現(xiàn)寬厚板軋制生產(chǎn)場(chǎng)景、組織觀察和力學(xué)性能檢測(cè)情境，如圖1所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要包括寬厚板軋制實(shí)驗(yàn)和組織性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，其中軋制實(shí)驗(yàn)由產(chǎn)品選擇、坯料準(zhǔn)備、粗軋寬度和厚度壓下率制訂，精軋厚度壓下率制訂、軋制溫度、軋制速度、軋制力和力矩等軋制規(guī)程參數(shù)計(jì)算，軋后冷卻工藝參數(shù)制訂等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成。在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)將提供相關(guān)生產(chǎn)視頻、示意性動(dòng)畫、軋鋼工藝知識(shí)點(diǎn)、計(jì)算公式等材料幫助學(xué)生加深對(duì)軋制實(shí)驗(yàn)的理解；組織性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要包括金相組織觀察、硬度檢測(cè)、拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)。

圖1寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生登錄后，可在車間內(nèi)漫游，熟悉虛擬的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)流程，了解典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇學(xué)習(xí)模式或考核模式，兩種模式都將經(jīng)歷所有實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)習(xí)模式下提供分析題作為練習(xí)題，以加深學(xué)生對(duì)寬厚板控制軋制與控制冷卻理論的理解，使學(xué)生對(duì)材料成分、工藝、組織和性能之間的關(guān)系有更清晰的認(rèn)識(shí)。考核模式下，提供客觀題和主觀題兩種題型?？己私Y(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交給指導(dǎo)教師進(jìn)行評(píng)閱。

寬厚板控制軋制與控制冷卻實(shí)驗(yàn)通過文字、圖片和動(dòng)畫展示產(chǎn)品、坯料、軋制設(shè)備和軋制工藝知識(shí)點(diǎn)。通過交互方式制訂粗軋和精軋壓下規(guī)程，通過報(bào)警形式給出軋制工藝的約束條件，從而以虛擬仿真的方式呈現(xiàn)實(shí)際寬厚板的軋制生產(chǎn)過程和組織性能控制過程。

2課程思政內(nèi)容建設(shè)

工程實(shí)踐課程不僅注重實(shí)踐基地建設(shè)，還不斷挖掘?qū)嵺`基地的成果、內(nèi)涵和文化，使學(xué)生拓寬視野、增強(qiáng)能力、塑造品格、樹立正確的三觀，從而達(dá)到立德樹人的目標(biāo)[6]。

專業(yè)依托的軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱RAL實(shí)驗(yàn)室），是我國軋制技術(shù)及其自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過20余年的發(fā)展，該實(shí)驗(yàn)室在承擔(dān)國家重大、重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目和國有大中型企業(yè)科研項(xiàng)目中取得了豐碩成果，推動(dòng)我國在軋制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的偉大飛躍。作為世界鋼鐵業(yè)中“中國理念”——“綠色制造、制造綠色”的主要倡導(dǎo)者和推動(dòng)者，豐富的科研成果為課程建設(shè)提供了許多高水平的工程實(shí)踐案例和令人信服的思想政治教育元素[7]。實(shí)驗(yàn)室“實(shí)干、實(shí)績(jī)、實(shí)效”的科研理念和“把論文寫在祖國大地上”的精神追求都在潛移默化地影響學(xué)生的理想信念、價(jià)值取向和社會(huì)責(zé)任等方面[8-9]。

在寬厚板軋制領(lǐng)域，RAL實(shí)驗(yàn)室在2005年和2014年分別憑借寬厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和連續(xù)輥式淬火關(guān)鍵技術(shù)兩次獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。2019年，實(shí)驗(yàn)室與企業(yè)合作在國內(nèi)首次建成難焊接特厚復(fù)合板生產(chǎn)線。2020年，實(shí)驗(yàn)室牽頭編制的《海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)用中錳鋼鋼板》（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB/T 38713-2020）國家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。寬厚板在國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)中占有重要的地位，獲得的榮譽(yù)和技術(shù)突破都讓學(xué)生對(duì)本專業(yè)教師產(chǎn)生敬佩之情，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)自豪感。學(xué)生通過感受專業(yè)教師的科研情懷和創(chuàng)新突破的使命擔(dān)當(dāng)，更有利于找到適合自己的發(fā)展方向和學(xué)習(xí)動(dòng)力，全身心投入學(xué)習(xí)，追求卓越。

3“線上+線下”開展工程實(shí)踐

工程實(shí)踐課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料成形產(chǎn)品用途和制備過程的直觀認(rèn)知，使學(xué)生理解和掌握在材料成型及控制工程相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)遵守的社會(huì)規(guī)則、應(yīng)具有的社會(huì)價(jià)值、應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生的工程視野，使學(xué)生掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新的協(xié)調(diào)關(guān)系。

本課程通過RAL實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)和線上寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)和虛擬仿真的結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生能夠了解各種軋制成形的方法和設(shè)備，認(rèn)知熱軋―冷軋―退火全工藝流程。在實(shí)習(xí)過程中，指導(dǎo)教師充分發(fā)揮實(shí)踐育人作用[10]，結(jié)合實(shí)物呈現(xiàn)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室各課題組的科研成果，激發(fā)學(xué)生參觀的興趣和好奇心，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、工程三者之間的結(jié)合，關(guān)注科學(xué)問題、技術(shù)問題、工程和管理問題，啟發(fā)學(xué)生思考如何在工程中創(chuàng)新。

為了讓學(xué)生更深入地了解軋制過程，課程利用“寬厚板控制軋制與控制冷卻的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行實(shí)踐操作。在指導(dǎo)教師簡(jiǎn)要介紹軟件開發(fā)背景、操作界面隱含的軋制工藝知識(shí)點(diǎn)、工藝約束和操作要求后，學(xué)生登錄賬號(hào)進(jìn)行寬厚板橫軋―縱軋、粗軋―精軋壓下率制訂操作實(shí)踐。具體包括產(chǎn)品選擇、坯料選擇，粗軋寬度和厚度壓下率制訂，精軋厚度壓下率制訂，查看系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的各道次軋制溫度、軋制速度、軋制力和軋制力矩等軋制規(guī)程參數(shù)及其變化。在系統(tǒng)對(duì)不正確設(shè)定不斷給出提示和報(bào)警中，學(xué)生逐漸加深對(duì)軋制過程的工藝?yán)斫狻?/p>

通過“線上+線下”的融合教學(xué)開展軋制成形工程實(shí)踐，學(xué)生可以更全面地了解金屬塑性加工領(lǐng)域的情況，增強(qiáng)運(yùn)用本學(xué)科知識(shí)解決相關(guān)實(shí)際問題的能力。這種教學(xué)方式不僅提高了學(xué)生對(duì)軋制成形過程的理解，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

“線上+線下”的融合教學(xué)模式，在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料成形產(chǎn)品用途和制備過程的直觀認(rèn)知方面取得了顯著成效。這種模式既讓學(xué)生在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中感受到軋制過程中的各種設(shè)備和操作，又使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深入了解軋制工藝，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力和理論素養(yǎng)。同時(shí)，通過參觀RAL實(shí)驗(yàn)室和學(xué)習(xí)相關(guān)科研成果，學(xué)生對(duì)本專業(yè)教師的科研情懷、創(chuàng)新突破的使命擔(dān)當(dāng)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，為今后的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“工程實(shí)踐”課程通過“線上+線下”融合教學(xué)模式，使學(xué)生能夠全面了解軋制成形工程實(shí)踐，提高他們運(yùn)用本學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。這種教學(xué)方式不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和理論素養(yǎng)，還有助于塑造學(xué)生的價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感。

4學(xué)生反饋

根據(jù)2018級(jí)、2019級(jí)和2020級(jí)三屆成型專業(yè)卓越班的課程調(diào)查表、課程答辯和工程實(shí)踐課程報(bào)告，學(xué)生提到，雖然客觀條件限制了去校外實(shí)習(xí)基地進(jìn)行工程實(shí)踐，但是他們通過“線上+線下”的方式，開展軋制成形實(shí)踐，仍然獲得了很強(qiáng)的成就感。在實(shí)驗(yàn)室參觀實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生看到了眾多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，拓寬了他們的專業(yè)視野，并感受到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的樂趣和材料學(xué)科的魅力。虛擬實(shí)驗(yàn)因?yàn)榫哂休^高的逼真度，能夠細(xì)膩地表現(xiàn)生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)設(shè)備、產(chǎn)品移動(dòng)以及參數(shù)變化，學(xué)生對(duì)板坯的加熱、軋件的變形和溫度的變化過程、設(shè)備和工藝的約束條件都有了新的認(rèn)知，同時(shí)加深了對(duì)金屬熱加工過程工程規(guī)范性和安全性的理解。

通過“線上+線下”開展軋制成形實(shí)踐，學(xué)生有了動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性明顯增強(qiáng)，通過反復(fù)操作練習(xí)，學(xué)生能夠真正理解和掌握所學(xué)的知識(shí)，并引發(fā)新的思考和自主學(xué)習(xí)。

5結(jié)語

基于東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)的科研優(yōu)勢(shì)、豐富的思政元素和虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果，開展工程實(shí)踐，能夠幫助學(xué)生進(jìn)行多維度、場(chǎng)景化和情景化的學(xué)習(xí)，拓寬其工程視野和科研視角。線上和線下相結(jié)合的實(shí)踐形式也增強(qiáng)了學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)樂趣，提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)的熱愛程度。通過工程實(shí)踐，有利于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，促進(jìn)創(chuàng)新能力和工程職業(yè)素養(yǎng)的提高。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51874088）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)（N2002015）；2020年度教育部國家級(jí)一流本科課程（線下一流課程）“材料成形金屬學(xué)”。

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