引言

以智能制造为主导的“工业4.0”与“中国制造2025”战略正深刻重塑全球制造业的格局。金属凝固成形技术作为先进材料高端制造的基石，技术范式正从依赖经验的传统模式，向基于模型与数据的数字化、智能化模式转变。其中数值模拟、机器学习等技术与教学和应用实践的融合，使现代液态金属成形过程可实现精准预测、在线监控与智能优化。这一趋势对材料成形领域的基础应用型人才培养提出了更高要求：材料成形加工领域高端人才不仅需要掌握传统铸造的原理，更需要具备仿真模型设计、仿真分析、数据驱动决策和机器学习等先进计算能力。

研究背景

对于国内高校金属凝固成形专业的传统课程体系，其固有的教学局限性日益凸显：其一，教学内容多停留在传统授课内容，数字化教学内容滞后于现代技术发展，教材与课程内容多聚焦于传统铸造和成形工艺的原理和设备操作介绍，对数字化设计软件、工艺仿真CAE、智能制造系统等前沿内容涉及不深，甚至部分缺失；其二，实践教学环节薄弱且侧重点不合理，高端材料成形装备成本高、能耗大、存在安全风险，因此本科生动手操作的机会十分有限，“理论学习多，实践操作少”的现象普遍存在。同时，不同高校之间的资源差异较大、侧重点不同，导致实践教学水平参差不齐。其三，本硕培养体系衔接不畅，本科阶段侧重基础理论学习、科研实操经验不足，硕士阶段要求具备初步的科研和创新能力，两者的课程通常存在内容重复或侧重点断层，缺乏以数字化和实践能力为手段、循序渐进的知识传授路径。其四，学生创新能力不足，传统教学方法培养学生解决复杂工程应用问题的系统思维和跨学科整合能力存在一定短板，学生亟需通过数字化分析工具进行工艺创新与优化，进一步提升解决实际问题能力。

本研究中教学数字化和实践相结合的理念，即引入模拟仿真、数字孪生和大数据分析反馈等先进数字化技术辅助课堂教学，进一步设置一定学时现场观摩与简单操作，培养学生运用数值模拟和机器学习等先进数字化技术，解决产业化端实际问题的能力。联合国教科文组织在《教育的未来》的研究报告中，进一步提出将数字化工具融入高等教育的课程学习和生产实践，以培养适应社会发展的高层次创新人才。本研究在调研大量相关研究和高校教学实际情况的基础上，提出以数字化工具和实践教学为核心工具，贯通本科和硕士阶段一体化培养的金属凝固成形课程教学改革模式，旨在综合提高专业技术人才培养质量，满足国家相关产业对高素质基础研究应用型人才的迫切需求。

研究方法

构建“数字化与实践学习相结合”的教学体系，核心方法是将数值模拟技术和实践应用作为主线教学，全面融入金属凝固成形专业本、硕课程的教学目标、大纲、方法与评价中，构建基于数字化和实践一体化的教学新体系。

教学目标重构

本硕课程的优化设置与贯通改革，是解决两个阶段学习内容断层、培养体系不连续的核心方法。本科阶段：掌握金属液态成形的基本原理与主要方法，熟练掌握1-2种主流CAD/CAE软件（如UG/NX, Deform）进行铸型设计与工艺分析；具备通过数值模拟仿真，完成典型零件浇注和凝固成形流程的规划与优化能力。硕士阶段：能够针对大型复杂/薄壁构件，运用多物理场耦合仿真进行深入工艺分析与缺陷预测；进一步理解数字孪生、机器学习技术在金属凝固成形中的应用理论，并具备初步的算法编程与应用实践能力；具备基于大数据驱动方法，进行工艺创新与系统集成的核心能力。

教学内容重组

形成“基础-创新-实践”三层次数字化课程的本研课程内容重构，基础认知层面（本科低年级）：在材料成形技术等课程中，嵌入三维动画、铸造模拟仿真，将抽象的熔体浇注与充型和金属凝固与补缩过程可视化、具象化。开设新课程材料成形数字化基础，讲授CAD三维建模、有限元基础及通用CAE软件操作等。应用创新层面（本科高年级-硕士入门）：开设液态金属凝固成形数值仿真技术等课程，系统学习Procast和MAGMA等铸造模拟仿真软件，以典型的应用案例（如汽车发动机铸造、飞机起落架）为教学内容，指导学生完成从三维建模、工艺参数设定、铸造缺陷分析到产品质量评估的全流程数字化和实践应用。创新研究层面（硕士阶段）：在先进材料凝固成形技术等课程中，引入数字孪生和机器学习等概念。要求学生基于导师科研项目或企业横向课题，进行先进材料特种凝固方案制定和参数优化探索性研究。

改革路径与实施策略

教学方法创新

打造“线上线下混合、虚实结合、校企协同”的教学新范式，引导学生通过铸造过程仿真和应用实践，解决企业铸件生产的实际问题。掌握线上线下混合的教学方法：利用慕课、超星学习通等网络教学平台，将理论知识讲授、软件操作讲解、仿真案例分析等教学资源线上化，供学生课前预习和课后复习。课堂教学重点聚焦难点答疑、专题研讨和互动学习，实现“以学生掌握知识为中心”的翻转课堂教学。虚实结合：建立“液态金属凝固成形虚拟仿真教学实验中心”。首先要求学生在模拟仿真软件中进行操作（如设置铸造参数），可以无风险、低成本地反复试错，使学生能够掌握实验参数与结果的相关性。当熟练掌握流程后，进入实验室，在老师和高年级博士生的现场教学过程中进行验证性实操，极大提高了实践操作的安全性与效率。校企协同：与铸造行业重点龙头企业（如中国航发、中车长客等）共建“数字化金属凝固成形联合实验室”与线上实验与教学平台。引入简单零件图纸、服役工况要求与质量检测标准作为课程设计课题来源。邀请企业总师和专家，通过远程视频或走进课堂，分享数字化模拟仿真在企业生产中的应用案例与技术痛点，使学生掌握产业前沿技术和理念。

教学资源建设

开发“一体化”的模拟仿真与实践教学平台和“开放式”的案例库，为学生线上线下学习和模拟实践生产提供良好的教学环境。一体化平台：整合商业铸造模拟软件与数字化模拟仿真教学工具，建立一个统一的在线实践操作门户。学生通过课后登录，使用学习所需的多种数字化工具。开放式案例库：围绕航空航天、新能源等国家重点领域，系统研发铸造工艺的数字化教学案例库。每个案例包含零件产品信息、浇注工艺参数、铸造技术难点、仿真任务书、典型铸造缺陷分析及企业的应用前景，并持续维护更新。

评价体系改革

建立“重过程性、能力导向、多元考察”的综合评价机制，逐步改变“一卷评定成绩”的单一考核模式，强调对数字化和实践全流程核心能力的考察。过程性评价（占50%）：记录学生在线上平台的学习和作业达成情况、模拟仿真实验的完成度与准确性、在专题研讨中的合作成效。能力和成果评价（占40%）：以研究报告、仿真分析报告、实践经验分享等作为主要考核依据，重点评价模型构建的合理性、缺陷分析准确度、实施方案创新性及文档规范性。多元主体考察（占10%）：在课程设计答辩中，邀请企业导师或行业专家进行线上线下评审，从产业视角对数值模拟和实践方案的可行性与应用价值给予评价。

实践成效与经验

经过一个学年的教学数字化和实践转型，该教学模式在本校和兄弟院校材料加工工程专业的本硕教学取得良好成效，学生的数字化能力素养显著提升，通过理论知识解决实际问题的积极性显著提高，其中，Procast、ProE和Anycasting等铸造模拟软件的掌握程度和使用率显著提升。调查结果显示：绝大多数本科生和研究生认为，模拟仿真和实践相结合的教学模式激发了学生的学习热情和知识掌握效果。这一教学改革方法对于提高学生创新能力和工程能力效果显著：参与“大一年度项目”和“中国大学生机械工程创新创意大赛”等竞赛项目热情空前高涨，获奖团队数量和名次显著提高。多名硕士生基于所掌握的模拟仿真技术和实践经验，高质量完成了国家重点企业的科研课题，提出了数字化技术解决生产难题的创新方法，减少了铸造缺陷，提高了铸件的成形质量和精度，获得了包括中国航发哈尔滨东安和航天海鹰（哈尔滨）钛业等企业的高度评价。

在教学改革过程中，同时存在一些挑战和反思。首先数字化仿真技术迭代与教师培训的压力：由于近年来金属凝固成形数字化技术发展迅猛，要求教师团队必须持续学习，紧跟科技发展步伐，需要建立常态化的教师仿真软件培训和能力考核机制。同时初期投入与持续维护成本压力：高端铸造模拟仿真软件、VR/AR硬件及平台开发维护需要持续的教学经费投入与专业人员，因此，对学校的支持力度提出了更高要求。新评价体系的推进和精准定位：如何更科学、量化地评估学生在数字化和实践教学过程中的学习成效，对学生展现的系统思维、创新素养等隐性能力的评价与认定，仍需进一步探索。

结论与展望

本研究面向金属凝固成形学科对具有数字化技术素养高端人才的迫切需求，提出并建立了以数字化工具和实践教学为主线的、贯穿本硕课程教学内容和衔接的课程改革新模式。通过对本硕课程教学目标和教学大纲进行优化，结合数字化教学方法和教学案例数据库，对教学内容和评价方式进行持续改进，实现了本硕阶段专业课程的无缝衔接，显著提高了金属凝固成形相关课程的授课效果，学生对铸造模拟仿真软件的掌握和工程应用水平大幅提升。

在后续的教学工作和改革研究中，将围绕以下几个方面进行：第一，基于数据的反馈机制，引入机器学习和先进算法，探索数字化技术与铸造生产工艺深度融合的教学方法，研发更智能的数字化辅助教学平台；第二，进一步拓展铸造数字化技术的工程应用场景，改变传统仅用于单个铸造工艺优化，向一体化、全生命周期的教学与数字化实践场景拓展；第三，推动高校间和专业间数字化和实践教学合作机制研究，实现优势资源的共享，共同推动我国新工科背景的材料加工工程专业教学数字化转型和实践改革的新局面。

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