基于科教融合的“材料成形力学”教学课程体系建设与教学模式改进.pdf

972023 年/第 21 期/7 月基于科教融合的“材料成形力学”教学课程体系建设与教学模式改进丁敬国，邸洪双，骆宗安，李长生（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110819）摘要为解决“材料成形力学”授课过程中，学生自主学习的选择性不够和获得感不强的问题，文章对教学课程体系采用科教融合的方法进行改进。在教学过程中，突出以“教师为主导，学生为主体”的教学原则，让学生以听课为主变为自主学习，提高学生主动学习的意识。基于授课教师的科研成果，对教学内容持续进行更新，通过课程体系的创新，将科研成果融入科研教学，使教学内容保持先进性和前沿性，培养学生解决复杂工程问题的能力以及创新精神、实践能力和终身学习的能力。关键词科教融合；教学质量；能力评价；课程思政中图分类号：G424文献标识码：ADOI:10.16400/ki.kjdk.2023.21.030The Construction of Curriculum System and Improvement of Teaching Mode ofMaterial Forming Mechanics Based on the Integration of Science and EducationDING Jingguo,DI Hongshuang,LUO Zongan,LI Changsheng(State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang,Liaoning 110819)AbstractIn order to solve the problem of insufficient selectivity and weak sense of achievement in studentsautonomous learning during the teaching process of Material Forming Mechanics,the article improves the teachingcurriculum system and adopts the method of integrating science and education.In the teaching process,the teachingprinciple of teacher led and student centered should be emphasized,allowing students to focus on listening andbecome autonomous learners,and improving their awareness of active learning.Based on the scientific researchachievements of the teachers,the teaching content is continuously updated.Through the innovation of the curriculumsystem,the scientific research achievements are integrated into the scientific research teaching,so that the teachingcontent remains progressiveness and cutting-edge,and students ability to solvecomplex engineeringproblems,as wellas their innovative spirit,practical ability and lifelong learning ability are cultivated.Keywordsintegrationofscienceand education;teachingquality;ability evaluation;curriculum ideology andpolitics本文根据一流专业建设标准和工程教育认证标准，以工程教育专业认证、卓越工程师培养计划、本科教学审核评估和国家一流专业建设为契机1，探索东北大学材料成型及控制工程专业内涵建设的新思路，进行新工科背景下多元化、个性化人才培养模式、人才培养方案的探索与实践2。金属材料的成形方式主要包括轧制、挤压、拉拔、锻造等，这些成形方式的控制过程均离不开材料成形力学的相关知识和理论。因此，本课程采用双语教学模式，从应力与应变的基本概念入手，建立求解材料成形过程的基本方程，结合材料成形实际，讲述主要解析方法，包括工程法、滑移线法和上界法，并给出很多具体的解析实例。材料成形力学是材料成型及控制工程专业的主干课程之一，根据本专业的毕业要求，本课程的目标是针对材料成形过程的力学问题，让学生掌握材料成形过程的基本力学理论和力能工艺参数的求解方法，能够运用所学的力学知识和数学模型建模方法分析专业的复杂工程问题，并进行比较和综合。同时还要能够掌握成形力学问题的基本解法并具备解决平面变形、轴对称变形等复杂工程问题的能力。课程教学982023 年/第 21 期/7 月1 课程建设发展历程东北大学金属压力加工专业是我国最早的金属压力加工专业，材料成形力学是主要的专业课程之一，课程中涵盖了应力与应变、变形力学方程、工程法、滑移线场理论、上界理论等多项关键专业知识点。王国栋院士于1985 年秋季学期开始使用英文原版教材为 1983 级本科生讲授材料成形力学双语课程，1998 年邸洪双教授从王院士手里接过接力棒。开设双语课的目的是使学生在学习专业基础知识的同时，掌握必要的专业词汇，提高专业英语的阅读能力和翻译技巧。材料成形力学课程于 2001年率先采用多媒体教学，于 2004 年被评为东北大学精品课和双语教学示范课，当年获得东北大学教学成果二等奖。2004 年金属压力加工专业变更为材料成型及控制工程专业，课程体系和教学方法也进行了相应的调整，课程将企业生产过程中涉及的材料成形力学现象制作成视频并展现在课堂上，促进学生对材料成型及控制工程专业的学习和理解，便于他们运用所学的专业知识解决轧制、挤压、拉拔、锻造等成形过程的力学问题。2011 年本专业进入卓越工程师培养计划、工程教育认证工作。基于以学生为中心，以成果为导向的工程认证教育理念，本课程对课程体系、考核方式等进行了改革。2019 年开展一流课程建设，课程教学团队在材料成形力学理论教学中将力学知识与企业工程实践相结合，深入挖掘材料成形力学基础理论与企业工程应用实践相结合过程中的思政教育元素，将课堂中的理论知识传授、企业应用案例详解与学生的价值观塑造紧密联系。2 课程体系建设针对“材料成形力学”课程的中英文双语教学特点，课程组设定了 4 个课程目标，支撑 3 个毕业要求指标点，通过该课程的学习，学生能掌握材料轧制成形过程所需的成形力学基本概念，能用相关知识和数学模型方法分析专业的复杂工程问题，并进行比较和综合。能够根据文献查阅与分析探索复杂工程问题的解决方案，应用工程科学的基本原理对与材料成型过程相关的复杂工程问题进行提炼、定义、建模、分析和评价。能够综合运用所学知识解决实际问题，在团队合作中，承担团队成员和负责组长的角色，具有团队合作精神。同时具有自主学习和终身学习的知识基础，掌握自主学习的方法，具有跟踪材料加工学科领域发展的能力和适应发展的能力。课程目标与毕业要求指标点如表 1 所示。在双语教学条件下，知识目标还要求学生能够熟练掌握材料成形力学的国外技术进展、塑性加工技术关键词汇、工程法的应用方式、极限原理的求解新方法等，了解轧制、挤压、拉拔、锻造等主流成形力学模型的工程应用场景。对于能力目标，确保学生能够在双语教学条件下，掌握各类材料成形工艺的力学边界条件和简化步骤，能够在轧制、锻造、挤压和拉拔等变形实践中学会多种类型的模型建立、简化和优化方法。对于素质目标，通过双语学习，提升个人的价值导向3，将“材料成形力学”课程的学习状态应用于个人素质的培养和提升。在钢铁行业转型和升级过程中，专业外语的需求非常大，这也是建立双语课程体系的目的。通过课程建设，以提高学生主动学习能力为主，增强专业英语能力为辅，构建出满足工程专业认证的课程标表 1课程目标及与毕业要求的关系课程目标毕业要求指标点课程目标 1：掌握从事专业工作所需的成形力学基本概念，具有分析应力、应变变化规律的基本能力。指标点 1.3：能用相关知识和数学模型方法分析专业的复杂工程问题，并进行比较和综合。课程目标 2：掌握成形力学基本塑性理论，具有分析与解决简单变形问题的能力。指标点 2.3：能够根据文献查阅与分析探索复杂工程问题的解决方案，应用工程科学的基本原理对与材料成型过程相关的复杂工程问题进行提炼、定义、建模、分析和评价。课程目标 3：掌握成形力学问题的基本解法和用于解决平面变形、轴对称变形等复杂工程问题的能力。指标点 1.3：能用相关知识和数学模型方法分析专业的复杂工程问题，并进行比较和综合。课程目标 4：掌握材料成形的力学基础知识和自主学习的方法。指标点 12.1：能够认识到自主学习和终身学习的必要性。992023 年/第 21 期/7 月准体系，形成具有专业特色的双语教学模式。使学生在学习专业基础知识的同时，掌握必要的材料成形过程与力学知识相关的专业词汇，提高专业英语的阅读能力和翻译技巧。同时，在双语教学中，引入国外教学案例，提高学生对于材料成形过程的力学分析、建模和求解能力4-5。3 教学模式改进3.1 教学方法改进突出以“教师为主导，学生为主体”的教学原则，通过因材施教和一人一策的教学模式，充分发挥学生的主体作用，让学生在学中练、练中学，让学生在获得职业技能的同时，培养学生的合作意识、团队精神和创新思维能力。在充分利用原版教材中的科研实例和工程应用的同时，建设多种融入思政元素的教学资源，包括教师撰写与课程随笔、任课教师科研视频和现场视频，编制图文并茂的“科学与工程材料成形力学”教学案例。在使用多媒体课件的同时，深入挖掘数字化教学和智能化教学的潜力，将更加先进新颖的方法（如有限元法、MATLAB 仿真、人工智能算法等）制作成材料成形过程仿真动画，直观地展示材料成形过程中这些方法的有效性及其作用过程。加强电子课件建设，力争多图解少文字，用图形去解释材料成形过程中力学知识点的演变过程，让学生既知其然又其所以然，激发学生的学习热情，轻松接受材料成形过程中的力学方程推导和模型建立，增强工程应用能力和创新意识。3.2 教学内容改进注重将科研与教学相融合，寓教于研。根据教学团队在国内各大企业的工程应用实践和授课过程中取得的科研成果，持续更新教学内容。在课程中为学生介绍国防、军工、交通、能源和基础建设等领域中所涉及的材料成形力学相关的应用实例。研发基于企业互动的学习方式，通过远程控制技术，将企业实时生产控制数据和操作过程同步展现在课堂上，使课堂教学与实际应用衔接更加紧密。课程依据企业调研、文献调研结果，将课程内容进行调整以更适应企业的用人需求。教学过程中，将最新的科研成果、先进的材料成形力学技术和前沿知识融入教学内容，例如宽厚板轧制过程中的力学机理模型协同数字孪生技术构建宽厚板 CPS 系统技术，板形控制过程中的残余应力精准控制技术等内容，保持教学内容的先进性，并与实际的工程案例紧密结合。课程教学采用多种多媒体教学方式，在使用多媒体课件的同时，增加企业在材料、试验、工程案例等研发方面的知识，形成一套科教融合的教学体系。3.3 课程思政改进党的二十大报告明确指出：“育人的根本在于立德。”落实好立德树人根本任务，回答好“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”这个根本问题，是当前高校思想政治教育工作的使命与挑战。全面推进课程思政就是提升新时代高校思想政治教育质量的关键一环，其与思政课程的协同互构既是教育生态的革新，也是育人智慧的升华。本课程通过润物细无声的教学方式，将思政教育渗透到材料成形力学的教学中，使学生加深对材料成形力学理论和工程应用背景的理解，激发学生的爱国热情和努力奋斗的精神，培养严谨的科研态度和文化自信。在充分利用原版教材中的科研实例和工程应用的同时，建设多种融入思政元素的教学资源，包括教师撰写课程随笔、任课教师科研视频和现场视频，编制图文并茂的“科学与工程材料成形力学”教学案例。将故事和案例引入课堂，例如，在学习上界定理开发热轧过程轧制力数学模型时，引入了建国初期鞍钢 1780mm 热连轧生产线通过人工经验估算轧制力和轧机弹跳来提高厚度控制精度的故事，让学生体会到科学知识就是科技发展的坚强基础和源泉。3.4 效果分析改进“材料成形力学”课程的授课效果评估根据考核方式、考核内容、评分标准和考核结果，对课程目标进行达成度评价。任课教师在每个学期结束后进行教学效果评价，并对课程教学目标的评估状况进行分析。某学生样本的单项目标达成度评价值=该生各项考核成绩（平时成绩、工程案例课堂讨论效果、大作业、期中考试成绩、期末考试成绩等）的加权平均值。通过教学持续改进，总体达到了预期的教学效果，课程目标 1、2、3 和 4 的平均达成度分别为0.99、0.81、0.91 和 0.84，如图 1（p100）所示。4 结语材料成形力学课程的教学理念是实现知识、能力和素质三位一体式的有机融合。在知识方面，通过课程体系的创新，将科研成果融入科研教学，使教学内容保持先进性和前沿性。在能力培养方面，培养学生解决复杂工程问题的能力，培养创新精神、实践能力和终身学习的能力。在价值塑造方面，培养学生的社会责任感，科学精神，团队合作精神，责任意识。通过课程改革可以解决课程内容与学课程教学1002023 年/第 21 期/7 月生知识、能力和素养塑造方面匹配的问题，以学生综合能力的提升为重点，提高学生主动学习的意识；重塑课程内容，创新教学方法，打破课堂沉默状态，发挥课堂教学主阵地的作用，解决学生自主学习的选择性不够，获得感不强的问题。基金项目：东北大学材料科学与工程学院教育教学改革项目“融研于教、学以致用提高 材料成形力学(双语)精品课程质量方法与实践”。参考文献1彭良贵,丁桦,赵宪明.基于能力要素评价的压力加工车间设计课程教学持续改进J.中国冶金教育,2020(6):1-3.2徐进友,穆浩志,李彬.基于成果导向教育的课程目标达成度评价方法研究及实践J.中国现代教育装备,2020(5):94-97.3陈凯旋,王自东,余万华.“材料成形过程质量性能控制”双语教学实践探索J.教育教学论坛.2023(9):100-103.4闫娜.新工科背景下 液压与气动技术 中英文双语教学改革研究J.液压气动与密封,2023(3):105-107.5张虎,常永勤,强文江,等.材料专业课全英文教学改革J.中国冶金教育,2016(4):18-20.（a）课程目标 1 达成度分布（b）课程目标 2 达成度分布（c）课程目标 3 达成度分布（d）课程目标 4 达成度分布图 1 52 名学生对课程目标达成情况散点图