ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
D O I: 10.16791/jki.sjg.2021.02.034
实验技术与管理
E xperim ental T echnology and M anagem ent
第38卷第2期 202丨年2月
V ol.38 N o.2 Feb. 2021
吕庆功，秦子，许文婧
(北京科技大学高等工程师学院，北京100083 )
摘要：丁.程认知类课程具有启蒙T.程思维、激发学习兴趣、引导专业志向的重要作用基于钢铁生产虚拟 仿真的丁.程认知课程，具有良好的工程背景和虚拟仿真教学资源条件，有利于开展教学改革与创新。该认知 课程基于“适变能力观”进行课程定位，面向复杂工程问题进行课程设计，以问题为中心开展研究型 教学， 取得了良好教学效果，实践表明，在工程认知课程教学改革中，教学载体和教学资源是基础，教学理念和教 学方法是核心，教师是关键，持续改进是必由之路
关键词：T.程认知课程；研究型教学；复杂T.程问题；虚拟仿真；钢铁生产 中图分类号：G642.3
文献标识码： A
文章编号：1002-4956(2021)02-0159-04
Construction and thinking of engineering cognition course based on
virtual simulation of iron and steel production
LYU Qinggong , QIN Zi , XU Wenjing
(School of Advanced Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
A bstract: Engineering cognitive courses play an important role in enlightening engineering thinking, stimulating learning interest and guiding professional aspirations. The engineering cognition course
based on virtual simulation of iron and steel production has good engineering background and virtual simulation teaching resources, which is conducive to teaching reform and innovation. Based on the concept o f adaptability to change, this course is geared in the needs o f understanding complex engineering problems and carried out in the mode o f problem-centered research teaching, and good teaching effect is achieved. Practice shows that in the teaching refonn o f engineering cognition course, teaching carrier and teaching resources are the foundation, teaching ideas and teaching methods are the core, teachers are the key, and continuous improvement is the only way.
Key w ords: engineering cognition course; research teaching; complex engineering problems; virtual simulation; iron and steel production激光器芯片
演进速度快、创新程度高是当前产业发展的时代 特征，需要学生形成应对复杂工程问题的综合能力和 创新能力。为了达成解决复杂工程问题能力培养的目 标，高等工程教育的人才培养理念需要从“知识配置 观”向“适变能力观”转变[M ]。T ：程认知类课程具有 启蒙工程思维、激发学习兴趣和引导专业志向的重要 作用，可以激发学生求知和探索的主观能动性，提升 学生在大学阶段知识学习和能力转型的成功率和效 率，是“适变能力观”工程教育改革的重要环节。我 收稿日期：2020-08-04
基金项目：北京市人才培养共建项目（2017GJ01)；北京科技大学
蚀刻液再生2019年度本科教育教学改革项B ( JG2019M53 )
作者简介：吕庆功（1971—）男，山两文水，博上，高级工程师，副
院长，主要从事钢铁生产T 艺研究和丁.程实践教学T .作
E-mail:************
校钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台是国家级虚 拟仿真实验教学中心，基于该平台的工程实践教学具
有良好的T .程背景和虚拟仿真教学资源条件141，呈现出 实践性、系统性、启发性和趣味性，具备进行工程认 知课程建设与改革的基础条件。本文从课程定位、课 程目标、课程内容、教学方式、考核方法、师生关系、 资源支撑、持续改进等方面进行分析探讨，旨在及时 总结经验、提高认识，提升工程实践教学质量，促进 丁程实践教学改革。1
基于适变能力观的课程定位
在基于“知识配置观”的传统教学模式下，学生 在大学一、二年级学习基础知识，在大学三年级或四 年级进行基于行业和企业的工程实践。而“适变能力
160实验技术与管理
观”主张让学生尽早接触产业环境，建立工程意识。
图1为两种理念引发的两种教学模式对比[51。可以看
出，在“适配能力观”引发的教学实践模式中，学生
在大学期间接触企业实践的时间提前了 ：学生如果在
低年级得到良好的T.程启蒙和启发，那么在后续几年
的学习中将更倾向于0发地将理论与实践相结合，从
被动的知识消费者转型为主动的知识建构者，进而提
升知识学习与能力培养的效率。当然，这里的企业实
践并非一定是指去企业实地学习，而是要认识行业背
景、感知企业环境、建立丁程思维,：
时间/年
企业实践
(断层）
专业知识体系
基础知识
“知识配置观”引发
的教学实践模式时间/月
企业实践
基础
知识
专业
知识
体系
‘适变能力观’’引发
的教学实践模式
微生物添加剂图1“适变能力观”主张尽早接触产业环境分析性思维、系统性思维、T程设计思维，以及重视 理论联系实际、重视项目的实际导向性等工程特思 维m。T程认知课程的教学目标不仅要考虑行业知识 和T程知识的传递，更要包括T.程认知发展层面的诉 求，所以本课程的教学目标按照两个层次进行设计（见表1 )。第一层次目标比较具体，主要体现为知识积累 和复杂生产系统认知；第二层次目标比较抽象，主要 体现为复杂工程问题认知和工程思维养成
表1课程的两层次目标
目标层次目标内容
第一S次①知道“钢铁是怎样练成的”，理解钢铁生产主体T.
序的T.艺原理，生产流程.设备结构等，建立钢铁
生产系统总体概念
②理解I：艺、设备、自动化、能源，环境、安全等各
技术要素的内涵及相互关联
第二层次①认识复杂丁程问题的特性
②提高发现问题和提出问题的自觉性，形成分析问题
和解决问题的T.程思维意识
在“适变能力观”价值判断理念下，激发学生的 学习兴趣和主动探索精神，养成发现问题和提出问题 的习惯，培养分析问题和解决问题的能力，往往比学 会具体技术知识更重要。学生在大学低年级阶段接受 丁程认知引导，有利于尽早树立专业志向和职业理想，将中学阶段因长期应试教育形成的被动学习习惯转变 为大学所倡导的探究式学习和自主学习。因此，工程 认知课程不仅要有行业背景和企业环境，而且还要有 工程全局视野和多学科关联视野，应重点关注激发学 生的学习兴趣和想象力，促进形成系统性思维。
根据以上理念，将基于钢铁生产虚拟仿真的T.程 认知课程定位于面向低年级本科生设课，以培养解决 复杂工程问题能力为导向，充分挖掘钢铁生产复杂工 程系统中的工程技术要素，让学生初步认识复杂丁程 问题的特性，感知丁程思维的魅力，激发学生对丁.程 的兴趣，为学生后续的专业学习和丁程实践奠定基础。
2面向复杂工程问题的课程设计
解决复杂工程问题的能力是工程专业合格毕业生 必须具备的最本质的素质或要求[6|。我国2016年6月2曰成为《华盛顿协议》正式缔约成员，按照《华盛 顿协议》的要求，通过工程教育认证的工程专业不仅 要深人理解和把握复杂工程问题，更要按照国际实质 等效原则培养学生解决复杂工程问题的能力。
2.1两层次课程目标
工程人才认知发展水平是影响其工程能力的重要 因素，认知发展的复杂程度是高素质工程专家与新手 的重要差别。处于高阶认知发展阶段的学生应展现出2.2三维度课程内容
第一维度是钢铁生产全流程的各个生产系统，包 括采矿、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢、电炉炼钢、LF 精炼、板坯连铸、方坯连铸、中厚板、热轧带钢、冷轧带钢、高速线材等。第二维度是生产系统中的
6个技术要素，包括T艺、设备、自动化、能源、环境、安全等。第三维度即为复杂工程问题的7个特性[8]:①必须运用深人的丁.程原理，经过分析才可能得到解 决；②涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能 相互有一定冲突；③需要通过建立合适的抽象模型才 能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④不是仅 靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素 可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中；
⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦具有较高的综合 性，包含多个相互关联的子问题。
在这三个维度中，第一维度是课程内容的主干和 载体，第二维度代表不同的学科知识和专业方向，第三维度则是本课程的基本指向。第一、二维度共同支 撑第一层次课程目标，第=维度则把课程目标提升到 了第二层次，三个维度相辅相成。
由于学时所限，学生不可能学习三维框架中的所 有内容，教师可以结合自身专业特长和学生的专业特 点进行相应的内容选择和调整，采取以点带面的方式 重点学习其中部分单元中的部分内容，但要始终围绕 课程目标开展教学活动。
2.3问题中心教学方式
以问题为中心的教学方式是研究型教学的方式之 一，而研究型教学的本质属性就在于教学内容的“问
吕庆功，等：基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程建设与思考161
题意识”和教学方法的“研究性” [9]。在教学过程中，教师能否有效地以问题的提出、思考、分析和解决为 主线，引导学生在学习中学会发现问题、分析问题、解决问题，这是研究型教学的关键|1()]。本课程基于钢 铁生产虚拟仿真平台，有良好的工程背景和教学环境，具备开展研究型教学的有利条件，在教学上采用“一 主题、一主线、二转变、三层次”的“1123”模式。
一主题即“钢铁是怎样练成的？”。这是本课程教 学内容的出发点和落脚点，也是激发学生选课兴趣的 原点问题。一主线即“情境导人—发现问题—提出问 题—分析问题—解决问题”，是教学组织的基本思路和 方法。在情境导人阶段，教师基于虚拟仿真资源，以讲解、演示等方式进行启发引导，让学生体会钢铁生 产的背景和意义，激发学生的学习兴趣。在发现问题 和提出问题阶段，可以由教师提前准备问题，也可以 由学生在学习过程中A主发现问题，并鼓励学生主动 提出问题。由于本课程的目的重在启发，所以在分析 问题和解决问题环节，主要采取问答和研讨方式进行 教学，更多的是鼓励畅想、开拓思路。
二转变即教师角和学生角的转变。第一，教 师要从知识传授者转变为学生学习的引导者，引导的 目的就是要激发学生学习和探究的内在动力。第二，学生要从知识接受者转变为学习的积极参与者。学生 作为学习的主体，应该有更多的自主学习与思考的空 间和时间，真正成为学习的主人。
三层次即将所设计的问题按照难易程度划分为三 个层次[11]。第一层次是基础知识性问题；第二层次是 具有分析和启发性质的思考性问题；第三层次是体现 学科前沿的具有研究性的问题。对问题按难易程度进 行分层，有助于循序渐进地组织教学，适应学生建构 知识和能力的认知发展逻辑。
2.4多元化考核方法
课程的考核方法包括学习日记、理论考核、仿真 操作考核、课上陈述、学习总结、专题报告等^其中，学习日记、随堂理论考核和仿真操作考核、课上口头 汇报可以作为平时成绩，最后的学习总结以及集中理 论考核和仿真操作考核可以作为考试成绩。具体的考 核方法由任课教师根据授课情况进行取舍，平时成绩 和考试成绩在总成绩中各占50%。
3教学实践与思考
环丙基硼酸基于钢铁生产虚拟仿真的T：程认知课程“钢铁生 产虚拟仿真实践B”（ 16学时）于2017年被列为高等 工程师学院（工科试验班）、能源与环境工程学院的专 业选修课程。2019—2020年，有来自采矿、冶金、材 料、能源、机械、自动化等专业的119名大二学生选修了该课程，3名教师参加了教学工作。
无骨花灯3.1关于课程定位和目标
大多数学生对本课程的学习效果给予了积极评 价，比较典型的反馈为：
—通过钢铁生产虚拟仿真实践的课程学习，开 阔了思路，收获了工业思维，对未来的专业学习及今
后的职业生涯将有很大帮助
—通过这门课程的学习，视野开阔了，系统、全面地学习了真实工厂中的钢铁生产工艺流程，除了 知识上的收获，也对将来的专业学习及就业方向等有
了更清楚的规划
—总的来说，这是一门令人收获颇丰的课程
对于真正专业上、细节上的问题可能还有很多疏忽，认识也较浅薄，但在这门课程的学习中，最大的收获
是在头脑中构建了一个立体的钢铁生产工艺流程模型，锻炼了独立思考和独立探索能力，这是不管多少
理论知识都给不了的体验.
芯棒很显然，本课程对学生的专业方向认知、职业生 涯规划以及工程思维培养起到了引导和启迪作用，符
合本课程的基本定位和初衷，也大大激励了教师继续 开课并不断改进教学的信心。分层次设定课程目标的 方式也对教师提升教学理念、改进教学方法起到了积 极的促进作用，使教师在上课时不仅关注工程知识传 递，还会有意激发学生发现问题和分析问题的主观能 动性。S前，本课程的学生基本为大二第二学期学生，从工程启蒙的角度来看，时间仍有些偏晚，希望将来 通过培养方案的调整让学生在大一时即有机会选择本 课程。
3.2关于以问题为中心的研究型教学
本课程以钢铁生产虚拟仿真教学资源和环境为支 撑，基于“钢铁是怎样练成的？”这个原点问题，以“复杂工程问题”认知为导向，把“情境导人—发现 问题->分析问题—解决问题”作为教学主线，采用研 讨互动式教学方式，学生反馈良好。比较典型的学生 反馈为：
—本课程最大的亮点就是互动环节，提问者需要寻问题、发现问题，提高了提问者发现问题的能力，同时需要回答者灵活回答提问者所问出的问题，考 验了回答者的应变能力和知识整合能力
—老师所教的研究问题的方法可以伴随我们一生在未来，会在做事的时候多思考，发现问题、提 出问题，然后查阅资料解决问题，可能这就是这门课带给我的最大收获—提问的习惯
结合上课情况和学生反馈，我们认为开展以问题 为中心的研究型教学应注意以下几点：①鼓励学生自 主发现问题并在课堂上陈述自己的问题，同时鼓励其
他学生回答问题，这样可以很好地激发学生的学习主 动性；②教师在情境导人中的作用非常关键，要利用 虚拟仿真资源进行系统架构，在教学过程中结合学生 的专业特点、实际生活等进行适当引导，激发学生的 学习兴趣；③在教学过程中教师要积极评价、及时反 馈，及时与学生分享成功的喜悦；④面对不同类型不 同层次的问题，不同间答方式对学生的支撑力度是不 同的，例如直接回答、启发式回答、反问式回答、研 讨式回答、请其他人冋答等，需要教师根据课程进程 和学生反应灵活掌握。
3.3关于师生关系与角定位
后现代教育理论认为，教育活动的本质是人与人 之间的交往互动，离开了交互关系，也就不存在教师和 学生的角身份[1'研究型教学过程即是教师与学生 之间、学生与学生之间、教师彼此之间在尊重独特性、欣赏差异性的过程中合作创造知识的过程[13]。在课程 中，教师承担教学主导角，学生承担学习主体角，教师主导作用发挥得越充分，学生的主体地位也就体 现得越充分，二者相辅相成。面对各种各样的问题，教师不可能是万能的解答者，在遇到M答不了的M题 时，应真诚面对，与学生共同探讨，或者请教其他教 师和专家后再答复学生，这样不仅不会引起学生反感，反而能嬴得学生的尊重和信任，拉近师生之间的距离。
教师在教学中不仅要关注师生之间的互动，还要 关注学生之间的互动，因为学生之间更容易发生共情 效应，在相互观察与交流中感受到课堂学习的快乐
正如学生在学习总结中所说：
—同学之间的互动让课堂变得有趣起来，大家 从起初提不出问题到提出一些基础问题，再到提出一 些专业问题，对课程的重视程度也大大提升了
—有很多问题虽然自己没有想到，但别的同学 提出后自己也有了兴趣，这样的交流会让我们迸发出 更多灵感的火花为了回答同学千奇百怪的问题，在听的过程中也会格外专注，听课效率大大提高—在课堂上的你问我答环节使我非常有收获，同学们不同的见解和体会，启发我有了更多的思路 3.4关于虚拟仿真资源的支撑作用
虚拟仿真资源对本课程的支撑作用是显而易见 的，主要表现在：①丰富的教学资源为教师备课提供 了极大方便；②生动直观的表达方式容易引起学生的 学习兴趣，提高了课堂教学效率；③可以支撑学生互 动式A主学习甚至线上学习，也为学生自主发现和分 析问题提供了有力支撑；④使学生可以近距离接触生 产线，甚至亲自动手进行生产操作，大大增强了学习 体验感
考虑以问题为中心的研究型教学方式，还应注意以下儿点：①教师在备课时，要特别关注虚拟仿真资 源蕴含的案例、要素和问题，尤其要关注复杂工程问 题的7个特性和3个层次，提前创设并形成问题清单；
②在基于虚拟仿真资源进行情境导入时，要尽量结合 案例和生活实际进行提示引导，充分利用共情心理激 发学生的学习兴趣；③鼓励学生基于虚拟仿真资源n
主发现问题，甚至对虚拟仿真资源挑毛病、提建议
我们认为，随着国家虚拟仿真实验教学项目建设与应 用的不断深人虚拟仿真教学资源将成为工程认知类课程的必备支撑条件。
3.5关于持续改进路径
持续改进是“新r.科”教学的基本要求，也是现 代高等丁.程教育的基本特征3本课程作为丁.程认知类 课程，内容涉及钢铁生产全流程十多个生产系统，跨 越多个学科，同时还需要深入理解复杂工程问题并将 其融人教学，这些对教师具有很大的挑战性。与此同 时，这种复杂性和挑战性也为教学实施提供了更大的 改革与优化空间。本课程自开课以来一直秉持持续改 进理念，在教学过程中坚持做到课内随时改、课后及 时改，形成了课内和课外两条持续改进的闭环路径（阽图2)，取得了明显效果工程教育专业认证所倡导的 “以学生为中心、以产出为导向、持续改进”教育理 念不是一句空话，我们在这门课程中积极践行了这一 理念。
图2课程的持续改进路径
4结语
基于钢铁生产虚拟仿真的工程认知课程，以复杂 工程系统和虚拟仿真资源环境为支撑，基于“适变能 力观”进行课程定位，按两层次设定课程目标，依三 维度构建教学内容，“以问题为中心”开展研究型教学，从课内和课外两条路径实施持续改进，取得了良好的 教学效果。回顾课程建设与实施过程，我们认为，工 程认知课程的研究型教学改革应关注三个方面。首先，基于“适变能力观”的教学改革绝不仅仅是一门丁程 认知课程的事情，而需要从工程实践教学体系人手进 行系统规划；第二，良好的教学载体和教学资源对研 究型教学方法的应用具有重要的支撑作用，应该重点
(下转第184页
）
仪器的使用方法，并且从思想上打破传统，培养创新
研究能力。实践证明，该实验激发了学生对创新研究
型实验的热情，得到了学生的广泛好评，为他们今后
从事石油化学相关专业的科学研究工作奠定了基础。
参考文献（References)
[1] 顾秉林，王大中，汪劲松，等.创新性实践教育：苺于高水
平学科建设的创新人才培养之路m.清华大学•教育研究，
2010, 31(1): 1-5.
[2]刘春英，柳云骐，罗立文.化学化T-专业本科生科研能力的
培养[J].石油教育，2011，（4): 93-95.
[3]肖丽萍，吕萍，王彦广.化学专业本科生创新能力培养的探
索与实践[J].大学化学，2009, 24(2): 24-26.
[4]靳明，王献玲，韦丽红，等.基于本科生科研创新能力的探
究型实验设计与实践m.实验技术与管理，2019, 36( 1): 213-216. [5]杨学军.加强实践动手能力培养改革创新人才培养模式[J].
高等教育研究学报，2013, 36(1): 4-7.
[6]王秀文，陈文艺，邹恺.润滑油基•础油结构组成与性能关系
研究进展[J].应用化丨:，2014, 43(3): 539-542.[7]张景A，翟庆阁，史顺祥，等.润滑油基础油技术及添加剂
发展现状[J].云南化工，2019,46(8): 130-132.
[8]郭国进，陈芝茂.影响液压油抗乳化性能原因分析[J].润滑
油，2011,26(1): 21-24.
[9] 聂时#，王国金.润滑油的破乳及其影响因素[J].润滑1J密
封，2000,（5): 22-24.
[10]孙厚林，吕涯.油水比对液FK油抗乳化性能的影响研究[J].
1：海化r., 2016, 41(9): 20—24.
[11]杨爱萍，沈培玲，沈浩.润滑油抗乳化性能测试结果影响因
素考察[J]•石油商技，2008, 26(3): 74-78.
[12]张晓.润滑油抗乳化性能的评价及优化P].上海：华东理丁.
大学，2013.
[13]燕友果，张燕，王攀，等.双子表面活性剂自组装及黏度特
性实验设计[J].实验技术与管理，2017, 34(9): 30-33.
[14] KIM Y H, WASAN D T, BREEN P J. A study of dynamic
interfacial mechanisms for demulsification of water-in-oil
emulsions[J]. Colloids and Surfaces, 1995(95): 235-247.
[15] EOW J S, GHADIRI M, SHARIF A. Deformation and break-up
of aqueous drops in dielectric liquids in high electric field [J].
Journal of Electrostatics, 2001(51): 463-469.
(上接第162页）
建设并充分挖掘；第三，研究型教学对教师提出了更 高要求，他们不仅要有扎实的专业功底和工程素养，还要掌握先进的教学理念和教学方法，同时需要与时 俱进。
参考文献（References)
[1]纪阳，吴振宇，P长川.适变能力、工程认知~敏捷教改[J].
高等工程教育研究，2018(6): 139-144.
[2]朱伟文，李亚东.M1T “项U中心课程”人才培养模式解析及
启示[J].高等丁程教育研究，2019(1): 158-164.
[3]肖风翔，覃丽麻ft'理I：学院新丁.程教育改笮的形成.内
容及内在逻辑m.高等T.程教育研究，2018(2): 45-51.
[4]吕庆功，牟仁玲，许文婧，等.钢铁生产全流程虚拟仿真实
践教学平台的迮设与应用[•)].实验室研究U探索，2019,
38(7): 83-87, 93.
[5] RUTH G. The global state of the art in engineering education
[EB/OL]. [2020-08-03]. neet.mit.edu/wp-content/uploads/
2018/03/MIT_NEETGlobalEngineeringEducation2018.pdf.
[6]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的
培养[J]•中国大学教学，2016(11): 27-30, 84.
[7]朱佳斌，刘.刘少雪，等.T程教育改革背景下T.科学
生认知发展现状与影响因素研究[J].高等T程教育研究，
2019(6): 58-64.
[8] 林健•如何理解和解决复杂T.程问题：基于《华盛顿协议》
的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016(5): 17-26, 38.
[9] 陈小鸿.高校研究性教学的内涵、评价与管理[J].高教与经
济，2008(3): 7-11.
[10]佘远富，王庆丨:.高校研究性教学评价体系的构建m.高等
工程教育研究，2011(6): 111-115.
[11]刘建清，李克武，郑伦楚.研究墦教学：探索与实践[M].武
汉：华中师范大学出版社，2012.
[12]胡金平.后现代精神观照下教师角的重新审视[J].南京师
大学报（社会科学版），2003(4): 83-88.
[13]夏锦文，程晓樵.研究性教学的理论内涵与实践要求m.中
[司大学教学，2009(12): 25-28.
[14]熊宏齐家虚拟仿真实验教学项丨丨的新时代教学特征[J].
实验技术与管理，2019,36(9): 1-4.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议