浅析工科高校材料成型与控制工程专业设计性实验的选题分析论文
材料成型与控制工程专业是材料科学、成型工艺与自动控制技术的综合与交叉，专业范围涵盖焊接、铸造和塑性加工内容，属于实践性较强的学科，社会对该专业人才的需求偏重于实践能力。实验教学是工科高校教育教学工作中的重要组成部分，通过实验，不仅可以培养学生的动手能力、分析和解决实际问题的能力，而且可以培养学生正确的思维方法及严谨的科学态度和工作方法等。实验教学中的设计性实验是介于基础教学实验和科学研究实验之间的教学实验，结合课程教学或独立于课程教学而进行的一种探索性实验。设计性实验利于和达到培养具有创新意识、创新精神和创新能力的应用型人才。因此材料成型与控制工程专业开展设计性实验是十分必要的。
而设计性实验中，实验项目的选题是否恰当是达到良好实验教学效果和学生能力培养的关键环节和前提条件。笔者根据多年材料成型与控制工程专业实验教学经验的改革探索，本着使学生能够巩固、提高所学理论知识，加深对本专业的认识，提高解决本专业工艺技术能力的教学目标，认为材料成型与控制工程专业的设计性实验选题应把握“五个原则，四个方向”。
一、设计性实验选题的“五个原则”
选择具体设计性实验项目时，要兼顾实验课的教学目的、任务、重点和要求，实验室的具体条件和学生的实际情况等因素。所谓设计性实验选题的“五个原则”，即在选择设计性实验题目与内容时，要把握综合性、创造性、应用性、自主性和灵活性原则。综合性原则就是为提高学生知识的综合运用能力，设计性实验题目所涉及的实验内容要尽可能地涵盖多方面的知识，使学生通过设计性实验，掌握和提高所学知识的综合、灵活应用。创造性原则是要使学生在实验过程中能够有创新和发展的空间，即使难度小的设计性实验，只要学生在实验过程中，通过学习，掌握知识的运用，在某方面有所创新，就达到了设计性实验的开设目的。应用性原则是实验选题要在一定程度上体现实际生产知识和氛围，避免学生在实验过程中产生“纸上谈兵”的感受。自主性原则就是要求在教师的指导下，实验选题涉及的内容学生要自主完成。该原则的前提是在教师的指导下，并不是学生获得自主学习和独立工作的机会后，具有充分的自主权和独立性，教师就可以不用管。因为学生在课堂上学习本专业知识后，往往对这些专业知识及其应用处于状态。为使学生更好地掌握、运用这些知识，就需要在设计性实验中充分发挥教师的主导作用，有计划、有目的地使学生在设计性实验中掌握相关专业知识并有所提高。这实际是对教师在业务和责任心方面提出了更高、更严格的要求。灵活性原则就是不要“因设计性实验而设设计性实验”。如果为顺应实验教学改革潮流，盲目地开设设计性实验，不但会将一些对学生专业知识有帮助的验证性实验去掉，还会造成不必要的人力和实验经费的浪费。
此外，设计性实验选题时，在把握综合性、创造性、应用性、自主性和灵活性这五个原则外，还要合理掌控学生专业知识结构、专业知识掌握程度及学生自主实验的'可操作性等方面。
二、设计性实验选题的“四个方向”
材料成型与控制工程专业设计性实验选题在把握“五个原则”的前提下，通常可通过“四个方向”来进行选题设立，即验证性实验转化为设计性实验、科研项目转化为设计性实验、生产项目转化为设计性实验和学生兴趣转化为设计性实验。
(一)验证性实验转化为设计性实验
验证性实验是为促使学生掌握并加深对专业基本理论、知识的理解，而按照实验教材的要求，由学生进行实验操作，并从实验结果验证所学的理论知识。由于实验结果在理论授课时已经涉及，因此学生实验的兴趣不浓，热情不高。但不要因为这些就抹杀验证性实验验证理论知识，加深学生对基本理论知识理解的独特作用。完全可以通过合理安排，将一些验证性实验转换为设计性实验。这样就可以激发学生的实验兴趣，提高学生的实验学习主动性、自主性。 例如，对长杆型坯料进行局部墩粗是模锻生产中经常采用的变形工序之一。因此，在《锻压工艺及模具设计》专业实验课中设立了“局部墩粗规则的验证’，这项验证性实验。该实验通过对不同长度试件，使用局部墩粗模进行墩粗，验证局部墩粗规则的正确性，观察和分析由于局部墩粗长度与直径比值的影响而出现的正常和不正常现象。由于是验证性实验，学生兴趣不高，往往抱着看热闹的心态参加实验，不能达到良好的教学效果，但该实验涉及内容是比较典型且在生产中常用到的。怎样保留并将其转换为学生感兴趣的设计性实验呢?这就需要转换思路，可将该实验内容转换为首先要求学生根据给定尺寸的不同试件，进行局部墩粗积聚工步计算，并绘制墩粗模模具图。当然，由于实验经费及加工时间的限制，学生设计的墩粗模并不需要制作出来，因为给定尺寸的试件，其局部墩粗模主要模具尺寸及工步是唯一的，可以采用原有的局部墩粗模进行实验和鉴定学生设计结果的准确性，这些需要教师在实验过程中灵活掌握。这样，通过对原有实验内容转换为设计性实验，可使学生根据给定的实验目的，自行设计实验方案并予以实施，对实验结果进行分析论证，一方面有力地提升学生的实验热情，巩固所学理论知识，提高解决本专业有关加工工艺问题的能力;另一方面增加的墩粗模设计又锻炼了学生的工程制图能力。
验证性实验转换为设计性实验，不但可以保留一些经过长期教学积淀总结的经典、原理性强的验证性实验内容，而且节约实验经费，还能提高学生的实验热情，达到良好的实验教学效果，有着“一举三得”的益处。当然，并不是所有验证性实验都能转换为设计性实验，对于这类实验项目，如果确实是经典、原理性强的验证实验项目，只要集思广益，通过合理安排，完全可以将验证性实验穿插在设计性实验项目中，以增加学生的学习主动性。这些都需要在设计性实验选题中拓宽思路，灵活安排。
(二)科研项目转化为设计性实验
科研项目转化为设计性实验，就是将专业教师的科研课题或科研成果转化为设计性实验。随着科学技术的快速发展，新材料、新技术和新知识不断出现，而且高校材料成型与控制工程的教师学历较高，多为博士毕业，且积累了具有一定水平的科研成果。把科研课题或科研成果涉及的新技术和新知识转化为设计性实验，是培养学生创新意识、创新精神和创新能力的最佳途径。根据调查，学生大多数对专业课老师所从事的科研项目及内容具有极大的兴趣和关注，此举能够有力地提高学生实验学习的积极性和兴趣，利于实现加强学生专业素质与实践应用能力培养的教学目的。例如，教师科研项目涉及到的过共晶合金在航空航天、军工、汽车等领域中应用前景广阔，已成为国内外十分重视研究开发的先进复合材料，但铸态过共晶合金的力学性能较差。因此，可将该科研项目涉及内容转化为“原位自生复合材料力学性能的改善”设计性实验，要求学生针对铸态原位自生过共晶复合材料力学性能差的特点，设计并实施改善力学性能的方法，并撰写分析报告。该设计性实验所涉及的在专业课中虽未能涉及，但铝硅合金熔炼等相关知识在理论课和实验课上已涉及并掌握，因此学生进行该项实验有一定的理论和实践基础。学生首先要查找相关资料，理解并掌握“原位自生过共晶复合材料”的相关知识，在保证合金成分为过共晶Mg2Si的条件下，自主选择、计算合金成分配比。然后根据计算结果进行配料、熔炼、除气，并根据前期选择的不同方法对合金熔液或浇注试件进行处理，最后进行拉伸测试及金相观察，检验设计方案的正确性，并对结果进行理论分析。该设计性实验虽然由科研课题转化，但涉及材料成型与控制工程专业知识中应掌握的合金设计、合金配料、合金熔炼、合金处理及热处理工艺等，较好地将专业知识系统、综合地链接在一起，使学生能够接受系统的工程实训，不仅能够培养学生的创新能力，而且加深其对所学专业的认识和提高解决所学专业涉及工艺问题的能力，树立正确的思维方法及严谨的科学态度和工作方法等。
科研项目转化为设计性实验时，不可盲目地将科研内容或部分内容一成不变地照搬过来，必须要考虑学生的所学专业知识和专业能力，如果研究内容过于狭窄、难度较大或实验内容过于生僻，不仅达不到提高学生实验兴趣和教学效果的目的，反而会使学生产生抵触情绪，这就从根本上违背了开展设计性实验的初衷。因此，采用科研项目转化为设计性实验时，一定要密切结合学生专业知识、实验能力等方面，保证学生能够以饱满的热情投入到设计性实验的工作中。
(三)生产项目转化为设计性实验
材料成型与控制工程是实践性较强的专业，因此在设计性实验选题时要力求接近、结合实际生产项目，将其合理转化为设计性实验内容。通过这种设计性实验的训练，能够有针对性地促使学生在解决实际生产问题时应用、加强、拓展所学的专业理论知识。这种实际生产项目转化的设计性实验，不但能培养学生的工程设计意识和实践能力，而且能显著提高学生的专业综合能力。
例如，以W18Cr4V为代表的高速钢广泛应用于实际生产中的切削工具和冷变形模具中，其内部的合金元素与碳形成复杂的碳化物，分布在基体金属上，降低了材料的机械性能。而锻造是实际生产中改变高速钢中碳化物分布状态的重要方法。因此，可将该生产项目转化为设计性实验“改善高速钢铸件中碳化物分布的锻造工艺设计与实施”。该实验内容包括铸造和锻造两大部分，铸造部分要求学生自主选择、设计高速钢铸件成分，并根据设计成分采用中频炉进行熔炼、浇注小型铸件，然后对铸件进行碳化物偏析分析，根据偏析分析结果，合理设计锻造工艺并利用自由锻机实施，最后再进行偏析检测，以检验设计的锻造方案是否正确。这个设计性实验有机地将铸造和锻压两个专业方向结合，符合实际生产流程，使学生能够系统地学习、实践和掌握企业所需要的知识，有利于应用型人才的培养。
(四)学生兴趣转化为设计性实验
学生的兴趣是实验教学达到预期目标和效果的动力，因此，如将学生普遍感兴趣的问题转化为设计性实验，就能激发学生对设计性实验的关注和探索，从而促使学生在实验中运用已学的知识、技术去自主发现、探索和总结规律，达到培养学生熟练运用所学专业知识，提高专业素质、创新意识和实践能力的目的。
例如，精密铸造是用精密造型方法获得精确铸件的工艺，是铸造行业在高新领域的代表，很多铸造企业对精密铸造工艺的应用需求很大。如果开设精密铸造相关的设计性实验，要求学生采用精密铸造法制备小型零件，学生并不是普遍感兴趣，达不到预期的教学效果。怎样才能使学生都感兴趣呢?这里可以将精密铸造制备小型零件变为艺术铸造，因为艺术铸造采用的熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造等的工艺与工厂生产的精密铸造零件工艺及原理是相通的，而要求学生采用精密铸造技术设计并制作小型铸造工艺品，会极大地调动学生的兴趣和参与实验的热情，学生会在实验过程中潜移默化地掌握、提高精密铸造相关知识及工艺。
三、结语
随着教学改革的深入，材料成型与控制工程专业的设计性实验越来越受到重视。实际教学中，我们本着“五个原则，四个方向”来制定设计性实验项目的选题，同时力求使实验内容、实验形式不断更新、完善，充分调动了学生的实验学习积极性，为培养学生科技、工程能力的应用与创新创造良好的前提条件，取得了良好的教学效果。
在以“五个原则，四个方向”制定的设计性实验项目中，学生能够真正地综合运用多门学科的知识、方法和技能来设计实验方案，并在实验过程中运用所掌握的知识去发现、分析和解决问题，提高了专业技术水平，积累了在企事业单位和生产一线解决实际问题的知识、素质和能力。
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