基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程認知課程建設與思考

呂慶功，秦 子，許文婧

（北京科技大學 高等工程師學院，北京 100083）

演進速度快、創新程度高是當前產業發展的時代特征，需要學生形成應對復雜工程問題的綜合能力和創新能力。為了達成解決復雜工程問題能力培養的目標，高等工程教育的人才培養理念需要從“知識配置觀”向“適變能力觀”轉變[1-3]。工程認知類課程具有啟蒙工程思維、激發學習興趣和引導專業志向的重要作用，可以激發學生求知和探索的主觀能動性，提升學生在大學階段知識學習和能力轉型的成功率和效率，是“適變能力觀”工程教育改革的重要環節。我校鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺是國家級虛擬仿真實驗教學中心，基于該平臺的工程實踐教學具有良好的工程背景和虛擬仿真教學資源條件[4]，呈現出實踐性、系統性、啟發性和趣味性，具備進行工程認知課程建設與改革的基礎條件。本文從課程定位、課程目標、課程內容、教學方式、考核方法、師生關系、資源支撐、持續改進等方面進行分析探討，旨在及時總結經驗、提高認識，提升工程實踐教學質量，促進工程實踐教學改革。

1 基于適變能力觀的課程定位

在基于“知識配置觀”的傳統教學模式下，學生在大學一、二年級學習基礎知識，在大學三年級或四年級進行基于行業和企業的工程實踐。而“適變能力觀”主張讓學生盡早接觸產業環境，建立工程意識。圖1 為兩種理念引發的兩種教學模式對比[5]?？梢钥闯?，在“適配能力觀”引發的教學實踐模式中，學生在大學期間接觸企業實踐的時間提前了。學生如果在低年級得到良好的工程啟蒙和啟發，那么在后續幾年的學習中將更傾向于自發地將理論與實踐相結合，從被動的知識消費者轉型為主動的知識建構者，進而提升知識學習與能力培養的效率。當然，這里的企業實踐并非一定是指去企業實地學習，而是要認識行業背景、感知企業環境、建立工程思維。

圖1 “適變能力觀”主張盡早接觸產業環境

在“適變能力觀”價值判斷理念下，激發學生的學習興趣和主動探索精神，養成發現問題和提出問題的習慣，培養分析問題和解決問題的能力，往往比學會具體技術知識更重要。學生在大學低年級階段接受工程認知引導，有利于盡早樹立專業志向和職業理想，將中學階段因長期應試教育形成的被動學習習慣轉變為大學所倡導的探究式學習和自主學習。因此，工程認知課程不僅要有行業背景和企業環境，而且還要有工程全局視野和多學科關聯視野，應重點關注激發學生的學習興趣和想象力，促進形成系統性思維。

根據以上理念，將基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程認知課程定位于面向低年級本科生設課，以培養解決復雜工程問題能力為導向，充分挖掘鋼鐵生產復雜工程系統中的工程技術要素，讓學生初步認識復雜工程問題的特性，感知工程思維的魅力，激發學生對工程的興趣，為學生后續的專業學習和工程實踐奠定基礎。

2 面向復雜工程問題的課程設計

解決復雜工程問題的能力是工程專業合格畢業生必須具備的最本質的素質或要求[6]。我國2016 年6 月2 日成為《華盛頓協議》正式締約成員，按照《華盛頓協議》的要求，通過工程教育認證的工程專業不僅要深入理解和把握復雜工程問題，更要按照國際實質等效原則培養學生解決復雜工程問題的能力。

2.1 兩層次課程目標

工程人才認知發展水平是影響其工程能力的重要因素，認知發展的復雜程度是高素質工程專家與新手的重要差別。處于高階認知發展階段的學生應展現出分析性思維、系統性思維、工程設計思維，以及重視理論聯系實際、重視項目的實際導向性等工程特色思維[7]。工程認知課程的教學目標不僅要考慮行業知識和工程知識的傳遞，更要包括工程認知發展層面的訴求，所以本課程的教學目標按照兩個層次進行設計（見表1）。第一層次目標比較具體，主要體現為知識積累和復雜生產系統認知；第二層次目標比較抽象，主要體現為復雜工程問題認知和工程思維養成。

表1 課程的兩層次目標

2.2 三維度課程內容

第一維度是鋼鐵生產全流程的各個生產系統，包括采礦、燒結、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、電爐煉鋼、LF精煉、板坯連鑄、方坯連鑄、中厚板、熱軋帶鋼、冷軋帶鋼、高速線材等。第二維度是生產系統中的6 個技術要素，包括工藝、設備、自動化、能源、環境、安全等。第三維度即為復雜工程問題的7 個特性[8]：①必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；②涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

在這三個維度中，第一維度是課程內容的主干和載體，第二維度代表不同的學科知識和專業方向，第三維度則是本課程的基本指向。第一、二維度共同支撐第一層次課程目標，第三維度則把課程目標提升到了第二層次，三個維度相輔相成。

由于學時所限，學生不可能學習三維框架中的所有內容，教師可以結合自身專業特長和學生的專業特點進行相應的內容選擇和調整，采取以點帶面的方式重點學習其中部分單元中的部分內容，但要始終圍繞課程目標開展教學活動。

2.3 問題中心教學方式

以問題為中心的教學方式是研究型教學的方式之一，而研究型教學的本質屬性就在于教學內容的“問題意識”和教學方法的“研究性”[9]。在教學過程中，教師能否有效地以問題的提出、思考、分析和解決為主線，引導學生在學習中學會發現問題、分析問題、解決問題，這是研究型教學的關鍵[10]。本課程基于鋼鐵生產虛擬仿真平臺，有良好的工程背景和教學環境，具備開展研究型教學的有利條件，在教學上采用“一主題、一主線、二轉變、三層次”的“1123”模式。

一主題即“鋼鐵是怎樣練成的？”。這是本課程教學內容的出發點和落腳點，也是激發學生選課興趣的原點問題。一主線即“情境導入→發現問題→提出問題→分析問題→解決問題”，是教學組織的基本思路和方法。在情境導入階段，教師基于虛擬仿真資源，以講解、演示等方式進行啟發引導，讓學生體會鋼鐵生產的背景和意義，激發學生的學習興趣。在發現問題和提出問題階段，可以由教師提前準備問題，也可以由學生在學習過程中自主發現問題，并鼓勵學生主動提出問題。由于本課程的目的重在啟發，所以在分析問題和解決問題環節，主要采取問答和研討方式進行教學，更多的是鼓勵暢想、開拓思路。

二轉變即教師角色和學生角色的轉變。第一，教師要從知識傳授者轉變為學生學習的引導者，引導的目的就是要激發學生學習和探究的內在動力。第二，學生要從知識接受者轉變為學習的積極參與者。學生作為學習的主體，應該有更多的自主學習與思考的空間和時間，真正成為學習的主人。

三層次即將所設計的問題按照難易程度劃分為三個層次[11]。第一層次是基礎知識性問題；第二層次是具有分析和啟發性質的思考性問題；第三層次是體現學科前沿的具有研究性的問題。對問題按難易程度進行分層，有助于循序漸進地組織教學，適應學生建構知識和能力的認知發展邏輯。

2.4 多元化考核方法

課程的考核方法包括學習日記、理論考核、仿真操作考核、課上陳述、學習總結、專題報告等。其中，學習日記、隨堂理論考核和仿真操作考核、課上口頭匯報可以作為平時成績，最后的學習總結以及集中理論考核和仿真操作考核可以作為考試成績。具體的考核方法由任課教師根據授課情況進行取舍，平時成績和考試成績在總成績中各占50%。

3 教學實踐與思考

基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程認知課程“鋼鐵生產虛擬仿真實踐B”（16 學時）于2017 年被列為高等工程師學院（工科試驗班）、能源與環境工程學院的專業選修課程。2019—2020 年，有來自采礦、冶金、材料、能源、機械、自動化等專業的119 名大二學生選修了該課程，3 名教師參加了教學工作。

3.1 關于課程定位和目標

大多數學生對本課程的學習效果給予了積極評價，比較典型的反饋為：

——通過鋼鐵生產虛擬仿真實踐的課程學習，開闊了思路，收獲了工業思維，對未來的專業學習及今后的職業生涯將有很大幫助。

——通過這門課程的學習，視野開闊了，系統、全面地學習了真實工廠中的鋼鐵生產工藝流程，除了知識上的收獲，也對將來的專業學習及就業方向等有了更清楚的規劃。

——總的來說，這是一門令人收獲頗豐的課程。對于真正專業上、細節上的問題可能還有很多疏忽，認識也較淺薄，但在這門課程的學習中，最大的收獲是在頭腦中構建了一個立體的鋼鐵生產工藝流程模型，鍛煉了獨立思考和獨立探索能力，這是不管多少理論知識都給不了的體驗。

很顯然，本課程對學生的專業方向認知、職業生涯規劃以及工程思維培養起到了引導和啟迪作用，符合本課程的基本定位和初衷，也大大激勵了教師繼續開課并不斷改進教學的信心。分層次設定課程目標的方式也對教師提升教學理念、改進教學方法起到了積極的促進作用，使教師在上課時不僅關注工程知識傳遞，還會有意激發學生發現問題和分析問題的主觀能動性。目前，本課程的學生基本為大二第二學期學生，從工程啟蒙的角度來看，時間仍有些偏晚，希望將來通過培養方案的調整讓學生在大一時即有機會選擇本課程。

3.2 關于以問題為中心的研究型教學

本課程以鋼鐵生產虛擬仿真教學資源和環境為支撐，基于“鋼鐵是怎樣練成的？”這個原點問題，以“復雜工程問題”認知為導向，把“情境導入→發現問題→分析問題→解決問題”作為教學主線，采用研討互動式教學方式，學生反饋良好。比較典型的學生反饋為：

——本課程最大的亮點就是互動環節，提問者需要尋找問題、發現問題，提高了提問者發現問題的能力，同時需要回答者靈活回答提問者所問出的問題，考驗了回答者的應變能力和知識整合能力。

——老師所教的研究問題的方法可以伴隨我們一生。在未來，會在做事的時候多思考，發現問題、提出問題，然后查閱資料解決問題，可能這就是這門課帶給我的最大收獲——提問的習慣。

結合上課情況和學生反饋，我們認為開展以問題為中心的研究型教學應注意以下幾點：①鼓勵學生自主發現問題并在課堂上陳述自己的問題，同時鼓勵其他學生回答問題，這樣可以很好地激發學生的學習主動性；②教師在情境導入中的作用非常關鍵，要利用虛擬仿真資源進行系統架構，在教學過程中結合學生的專業特點、實際生活等進行適當引導，激發學生的學習興趣；③在教學過程中教師要積極評價、及時反饋，及時與學生分享成功的喜悅；④面對不同類型不同層次的問題，不同回答方式對學生的支撐力度是不同的，例如直接回答、啟發式回答、反問式回答、研討式回答、請其他人回答等，需要教師根據課程進程和學生反應靈活掌握。

3.3 關于師生關系與角色定位

后現代教育理論認為，教育活動的本質是人與人之間的交往互動,離開了交互關系，也就不存在教師和學生的角色身份[12]。研究型教學過程即是教師與學生之間、學生與學生之間、教師彼此之間在尊重獨特性、欣賞差異性的過程中合作創造知識的過程[13]。在課程中，教師承擔教學主導角色，學生承擔學習主體角色，教師主導作用發揮得越充分，學生的主體地位也就體現得越充分，二者相輔相成。面對各種各樣的問題，教師不可能是萬能的解答者，在遇到回答不了的問題時，應真誠面對，與學生共同探討，或者請教其他教師和專家后再答復學生，這樣不僅不會引起學生反感，反而能贏得學生的尊重和信任，拉近師生之間的距離。

教師在教學中不僅要關注師生之間的互動，還要關注學生之間的互動，因為學生之間更容易發生共情效應，在相互觀察與交流中感受到課堂學習的快樂。正如學生在學習總結中所說：

——同學之間的互動讓課堂變得有趣起來，大家從起初提不出問題到提出一些基礎問題，再到提出一些專業問題，對課程的重視程度也大大提升了。

——有很多問題雖然自己沒有想到，但別的同學提出后自己也有了興趣，這樣的交流會讓我們迸發出更多靈感的火花。為了回答同學千奇百怪的問題，在聽的過程中也會格外專注，聽課效率大大提高。

——在課堂上的你問我答環節使我非常有收獲，同學們不同的見解和體會，啟發我有了更多的思路。

3.4 關于虛擬仿真資源的支撐作用

虛擬仿真資源對本課程的支撐作用是顯而易見的，主要表現在：①豐富的教學資源為教師備課提供了極大方便；②生動直觀的表達方式容易引起學生的學習興趣，提高了課堂教學效率；③可以支撐學生互動式自主學習甚至線上學習，也為學生自主發現和分析問題提供了有力支撐；④使學生可以近距離接觸生產線，甚至親自動手進行生產操作，大大增強了學習體驗感。

考慮以問題為中心的研究型教學方式，還應注意以下幾點：①教師在備課時，要特別關注虛擬仿真資源蘊含的案例、要素和問題，尤其要關注復雜工程問題的7 個特性和3 個層次，提前創設并形成問題清單；②在基于虛擬仿真資源進行情境導入時，要盡量結合案例和生活實際進行提示引導，充分利用共情心理激發學生的學習興趣；③鼓勵學生基于虛擬仿真資源自主發現問題，甚至對虛擬仿真資源挑毛病、提建議。我們認為，隨著國家虛擬仿真實驗教學項目建設與應用的不斷深入[14]，虛擬仿真教學資源將成為工程認知類課程的必備支撐條件。

3.5 關于持續改進路徑

持續改進是“新工科”教學的基本要求，也是現代高等工程教育的基本特征。本課程作為工程認知類課程，內容涉及鋼鐵生產全流程十多個生產系統，跨越多個學科，同時還需要深入理解復雜工程問題并將其融入教學，這些對教師具有很大的挑戰性。與此同時，這種復雜性和挑戰性也為教學實施提供了更大的改革與優化空間。本課程自開課以來一直秉持持續改進理念，在教學過程中堅持做到課內隨時改、課后及時改，形成了課內和課外兩條持續改進的閉環路徑（見圖2），取得了明顯效果。工程教育專業認證所倡導的“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”教育理念不是一句空話，我們在這門課程中積極踐行了這一理念。

圖2 課程的持續改進路徑

4 結語

基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程認知課程，以復雜工程系統和虛擬仿真資源環境為支撐，基于“適變能力觀”進行課程定位，按兩層次設定課程目標，依三維度構建教學內容，“以問題為中心”開展研究型教學，從課內和課外兩條路徑實施持續改進，取得了良好的教學效果?；仡櫿n程建設與實施過程，我們認為，工程認知課程的研究型教學改革應關注三個方面。首先，基于“適變能力觀”的教學改革絕不僅僅是一門工程認知課程的事情，而需要從工程實踐教學體系入手進行系統規劃；第二，良好的教學載體和教學資源對研究型教學方法的應用具有重要的支撐作用，應該重點建設并充分挖掘；第三，研究型教學對教師提出了更高要求，他們不僅要有扎實的專業功底和工程素養，還要掌握先進的教學理念和教學方法，同時需要與時俱進。