《材料成型技術(shù)》課程改革探索

1、    材料成型技術(shù)課程改革探索    白斌,徐秀玲摘要：在教學(xué)過程中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性是課程教學(xué)改革的關(guān)鍵。將具有沉浸感、人機(jī)交互功能的虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于材料成型技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革具有彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件不足、不受空間與時(shí)間限制和高仿真有利于積累加工經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)；該課程改革的主要措施是建立以案例教學(xué)為核心的課程內(nèi)容體系，依托于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建高仿真的虛擬加工平臺(tái)，采用以學(xué)生為主體、老師為主導(dǎo)的探索式教學(xué)模式。關(guān)鍵詞：課程改革；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；案例教學(xué)；自主學(xué)習(xí)：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a ：1674-9324（2014）10-0034-02

2、材料成型技術(shù)是機(jī)械類專業(yè)必修的一門綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課1。設(shè)置這門課的目的是期望學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握鑄造、壓力加工、焊接、塑料、橡膠、復(fù)合材料、粉末冶金等成形方法的特點(diǎn)、過程及基本原理，熟悉成形工藝中的各種成形設(shè)備，了解國內(nèi)外材料成形工藝技術(shù)最新進(jìn)展與研究熱點(diǎn)，擴(kuò)寬學(xué)生知識(shí)面、提高學(xué)生的實(shí)踐能力，為學(xué)生在校深造及畢業(yè)后從事各種材料加工方向的研究與設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。一、材料成型技術(shù)課程改革之關(guān)鍵材料成型技術(shù)是一門專業(yè)性較強(qiáng)、理論抽象、概念較多的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，教學(xué)難度大，對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的運(yùn)用要求較高，然而在實(shí)際教學(xué)中往往出現(xiàn)如下幾種問題：（1）只講理論，缺少相應(yīng)

3、的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，一些建校時(shí)間短、經(jīng)費(fèi)緊張的院校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)相對(duì)滯后，無力購買足夠的用于材料成形實(shí)踐教學(xué)的設(shè)備。另一方面是一些高校進(jìn)行人才模式改革和課程內(nèi)容整合后材料成型技術(shù)課程教學(xué)學(xué)時(shí)受到擠壓，大幅度削減學(xué)時(shí)，因此內(nèi)容多和學(xué)時(shí)少的矛盾凸顯。為節(jié)約學(xué)時(shí)，對(duì)課程的實(shí)踐環(huán)教學(xué)環(huán)節(jié)一再壓縮，甚至取消。（2）具備實(shí)踐教學(xué)條件，但理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。這種現(xiàn)象是受實(shí)踐教學(xué)場地、設(shè)備的數(shù)量等限制，無法將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)銜接，結(jié)果造成要么是沒有理論基礎(chǔ)就先進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)，要么是學(xué)過了理論，但理論與實(shí)踐教學(xué)時(shí)間不匹配，學(xué)生到實(shí)施實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)已對(duì)理論內(nèi)容遺忘

4、了。（3）實(shí)踐操作簡單模仿，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性喪失。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是出于操作性與安全性考慮。用于材料成型技術(shù)的很多設(shè)備是很昂貴的，設(shè)備調(diào)試非常復(fù)雜，學(xué)生缺少操作經(jīng)驗(yàn)，很容易造成設(shè)備故障甚至損壞，并具有一定危險(xiǎn)性。為了避免出現(xiàn)意外傷害事故和保障設(shè)備安全，一些院校對(duì)材料成型技術(shù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)讓學(xué)生完全模仿老師的操作動(dòng)作，進(jìn)而完成簡單產(chǎn)品的加工工藝過程，學(xué)生操作的每一步都受到嚴(yán)格的約束，其結(jié)果是學(xué)生感覺自己像木偶，完全沒有自由，久而久之勢(shì)必喪失學(xué)習(xí)的自主性，學(xué)習(xí)興趣蕩然無存。材料成型技術(shù)課程理論抽象，最佳的教學(xué)環(huán)境是在真實(shí)加工環(huán)境中進(jìn)行授課，邊實(shí)踐邊講解理論，通過對(duì)理論的學(xué)習(xí)指導(dǎo)實(shí)踐操作，反過

5、來通過親自操作、觀察來對(duì)深?yuàn)W的、抽象的理論加深理解。但這門課程的現(xiàn)實(shí)境遇是：實(shí)踐教學(xué)場所受到空間、環(huán)境的制約，無法進(jìn)行深入的理論教學(xué)，而進(jìn)行理論教學(xué)的教室又沒有辦法安置實(shí)踐用的各種設(shè)備，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)被人為割裂開來。各方面因素的綜合疊加造成學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到枯燥乏味，學(xué)習(xí)課程的效果較差。因此，如何在教學(xué)過程中引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)積極性，是該課程教學(xué)改革的關(guān)鍵2，3，4。二、將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于材料成形課程改革具有的優(yōu)勢(shì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)5是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出一個(gè)形象逼真的模型。人與該模型可以進(jìn)行交互，并產(chǎn)生與真實(shí)世界中相同的反饋信息，使人們獲得和真實(shí)世界中一樣的感受。將虛

6、擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與材料成形課程相結(jié)合有如下優(yōu)點(diǎn)：1.逼真的虛擬環(huán)境可提供良好的人機(jī)交互功能。對(duì)材料成型技術(shù)課堂教學(xué)引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，逼真的虛擬環(huán)境可提供良好的人機(jī)交互功能，在這個(gè)基礎(chǔ)上教學(xué)內(nèi)容的組織安排將特別強(qiáng)調(diào)由學(xué)生主動(dòng)參與來構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)，變學(xué)生的“被動(dòng)聽講”為“主動(dòng)學(xué)習(xí)”，由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。教學(xué)內(nèi)容外在形式的生動(dòng)化與內(nèi)在結(jié)構(gòu)的科學(xué)化將更緊密地結(jié)合起來。2.彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足。通過應(yīng)用成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，針對(duì)材料成型技術(shù)課程開發(fā)產(chǎn)品成形過程的虛擬操作環(huán)境及設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品成形加工的全過程，這樣將極大地降低設(shè)備成本，可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的低水平重復(fù)建設(shè)、儀器設(shè)備重復(fù)引進(jìn)以及消

7、耗材料的資金投入，有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)資源共享，為缺乏資金、無力購買足夠用于材料成型技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)各種設(shè)備的院校提供了一種理想的解決方案。3.不受空間與時(shí)間的限制。只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行材料成形虛擬加工，獲得與真實(shí)加工過程一樣的體會(huì)，從而豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。也就是說只要每人擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，材料成型技術(shù)課堂就可以做到邊實(shí)踐教學(xué)、邊理論教學(xué)，將兩種教學(xué)有機(jī)結(jié)合，形成互補(bǔ)，達(dá)到一加一大于二的教學(xué)效果。此外，課堂時(shí)間有限，一些學(xué)生對(duì)課堂上的內(nèi)容缺乏理解或?qū)δ骋怀尚畏椒?、過程特別感興趣，可以在課外任何時(shí)間重新體驗(yàn)虛擬的加工環(huán)境與加工

8、過程，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。4.虛擬設(shè)備的高仿真效果有利于積累加工經(jīng)驗(yàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬加工，在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以放心地去對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種操作，或做各種危險(xiǎn)的或危害人體的實(shí)驗(yàn)，而不必?fù)?dān)心損壞設(shè)備或出現(xiàn)人身安全事故。學(xué)生在這樣的環(huán)境中學(xué)習(xí)，具有完全的自主性，不受任何約束，通過虛擬加工過程，自己發(fā)現(xiàn)哪些操作是錯(cuò)誤的、哪些操作是危險(xiǎn)的，怎樣操作才是最合理、最安全的。由于虛擬設(shè)備的高仿真，學(xué)生在以后真實(shí)加工時(shí)，已經(jīng)具備了足夠的加工經(jīng)驗(yàn)，可以安全、順利地完成加工過程。三、材料成型技術(shù)課程改革的實(shí)施本次材料成型技術(shù)課程改革從課程內(nèi)容體系、教學(xué)手段、教學(xué)模式三面進(jìn)行改革。依托于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行案例教學(xué)，運(yùn)

9、用互動(dòng)式虛擬生產(chǎn)環(huán)境讓學(xué)生完成某一產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)工藝過程，并通過設(shè)置理論障礙的方式將理論知識(shí)融于其中，達(dá)到讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。 1.建立以案例教學(xué)為核心的課程內(nèi)容體系?，F(xiàn)有的材料成型技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容多是從理論的完備性角度進(jìn)行論述，將實(shí)踐性內(nèi)容穿插到理論知識(shí)之中，實(shí)踐知識(shí)的存在一方面是作為完整理論的一部分，另一方面則作為敘述、解析理論的一種手段，結(jié)果造成實(shí)踐知識(shí)是破碎的，斷續(xù)的。學(xué)生在學(xué)完某一成形技術(shù)后，對(duì)該技術(shù)原理等理論性內(nèi)容很熟悉，理解較深，但對(duì)產(chǎn)品完整的加工過程、各工序中設(shè)備、工具的使用及操作方法等實(shí)踐知識(shí)是模糊的甚至是陌生的。此外，為配合理論敘述而講解的實(shí)踐知識(shí)，通常都是理想狀態(tài)下的情

10、況，而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中由于有很多實(shí)際條件的約束與限制，與理想狀態(tài)相差巨大，為達(dá)到要求，需采用很多技巧與工具，而這些都是現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中所沒有的。針對(duì)現(xiàn)有材料成型技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容只突出理論性而對(duì)實(shí)用性、技術(shù)性重視不足的特點(diǎn)，為進(jìn)一步提升該課程中各成形工藝的真實(shí)性與完整性，采用以典型產(chǎn)品為核心，產(chǎn)品成形工藝過程為主線的案例教學(xué)方式，將內(nèi)容分為安全培訓(xùn)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、輔助工藝（預(yù)處理工藝）、主加工工藝、后處理工藝、新技術(shù)新工藝六大主體部分，并將理論知識(shí)融入工藝過程各環(huán)節(jié)，突出課程的技術(shù)性、實(shí)用性。2.引入高仿真的虛擬教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)手段的改革是鑒于網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)W(xué)生的吸引力，基于學(xué)生興趣開發(fā)，在教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)

11、技術(shù)，使學(xué)生在類似于玩網(wǎng)絡(luò)游戲的氛圍中進(jìn)行學(xué)習(xí)。教學(xué)用虛擬程序設(shè)計(jì)靈感來源于迷宮類網(wǎng)絡(luò)游戲，此類游戲需要玩家按特定的路徑，尋找到適合的工具，用指定的方法完成相應(yīng)的任務(wù)。虛擬程序設(shè)計(jì)借鑒這種游戲模式，依托于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以典型產(chǎn)品為核心，以該產(chǎn)品成形過程為主線，建立高仿真的生產(chǎn)設(shè)備、工具、原料及其他輔助裝置模型，模擬真實(shí)加工過程，并在程序中設(shè)立理論知識(shí)障礙，通過互動(dòng)式虛擬生產(chǎn)環(huán)境讓學(xué)生按真實(shí)的加工順序，選擇適合的設(shè)備、工具，采用正確的操作方法，跨越過理論知識(shí)障礙后，完成該產(chǎn)品的整個(gè)成型加工工藝過程，達(dá)到讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。以鑄造為例，據(jù)此開發(fā)的虛擬教學(xué)平臺(tái)界面如圖1所示。3.采用以學(xué)生為主體，

12、老師為主導(dǎo)的探索式教學(xué)模式。在采用案例教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料成型技術(shù)課程自身特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿魇浇虒W(xué)模式。傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，老師在講臺(tái)上講，學(xué)生在座位上聽，老師從自己的視角及思路出發(fā)來向?qū)W生輸出自己的觀點(diǎn)，學(xué)生無論愿意與否都是被動(dòng)接受的，學(xué)生在課程教學(xué)中收獲不到學(xué)習(xí)的滿足和愉悅，甚至?xí)驗(yàn)楸黄葘W(xué)習(xí)而導(dǎo)致反感和抵觸，這樣一來，學(xué)生在課堂上從老師那里得到的信息量就會(huì)逐漸減少，同時(shí)也沒法聽到其他同學(xué)的觀點(diǎn)，結(jié)果必然會(huì)造成學(xué)習(xí)結(jié)果的低效或無效。本次改革運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將課堂教學(xué)從以老師為主體、老師講學(xué)生聽的填鴨式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體、老師為主導(dǎo)的探索式教學(xué)模式，將句號(hào)課堂轉(zhuǎn)

13、變?yōu)閱柼?hào)課堂。學(xué)生像玩迷宮游戲一樣來完成虛擬加工任務(wù)，要自己帶著問題找答案，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。老師在課堂上只起導(dǎo)向與組織的作用，對(duì)一般性的理論及實(shí)踐知識(shí)，提供參考書籍的清單；對(duì)難度大或深?yuàn)W的理論與實(shí)踐知識(shí)，進(jìn)行講解；對(duì)有疑問、有爭議的理論問題、技術(shù)問題組織學(xué)生進(jìn)行討論和探討。學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，通過運(yùn)用已知知識(shí)與自主學(xué)習(xí)方式來理解與掌握新知識(shí)，或者與同伴合作交流去探索新知識(shí)。這種教學(xué)模式能夠很好地發(fā)揮學(xué)生的自主性和個(gè)性特長，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、歸納總結(jié)、合作交流的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，激發(fā)學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)興趣，將沉悶、封閉的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姟㈤_放的課堂，最大程度開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力并培養(yǎng)他們對(duì)新知識(shí)的興趣及其自學(xué)能力。通過上述課程教學(xué)改革的探索，課堂出勤率有了明顯提高，師生互動(dòng)顯著增多，課堂討論熱烈，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高漲，達(dá)到了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果的目的。通過互動(dòng)式虛擬加工平臺(tái)的建立，使學(xué)生在“玩”中學(xué)，通過打關(guān)的形式，由淺入深，隨著對(duì)某種成形方法理解的加深，將該種成形技術(shù)理論、成形工藝及所需設(shè)備、工具、操作技術(shù)較為牢固加以掌握。參考文獻(xiàn)：1湯酞?jiǎng)t.材料成形技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：清華大學(xué)出版社，2008.2張緒平，解輝軍.“材料成型原理”課程建設(shè)j.煤炭高等教育，2007，25（4）：123-125.