提高《铸造成型基础及理论》课堂教学效果的探索

2014-01-21吴振卿孙玉福赵红亮潘继民赵靖宇

铸造设备与工艺 2014年3期

吴振卿，孙玉福，赵红亮，潘继民，赵靖宇

（郑州大学材料学院，河南郑州 450052）

本人担任《材料成型基础及理论》“铸造部分”的授课任务，课时32学时，除去课程实验及节假日，实际授课时数更少，为了在有限的课堂教学中尽量发挥课堂教学的作用，在和课程组其他老师共同研讨的基础上，对教学内容和教学方法方面进行了一些探索，在此进行了简单的总结，以供各位同行参考。

1 通过介绍中国古代悠久灿烂的铸造史，提高学生对铸造的感性认识和兴趣

《材料成型基础及理论》在大三第一学期进行，学生此时只是通过认识实习对铸造有了一些简单的了解，由于认识实习条件的限制，认识实习后，学生对铸造生产的印象较差。为了提高学生对铸造专业学习的兴趣，同时进一步增加学生对铸造生产过程的感性认识，特地将首堂课内容设置为中国铸造史。为此在课前先播放从网上下载的“永乐大钟”的视频，该视频详细介绍了永乐大钟的铸造工艺和该大钟的特点，引起学生对铸造工艺的兴趣。

1）首先讲解了中国古代钱币的代表——“制钱”的铸造工艺演化过程，从一个到四个，再到一次性浇注将近500个“制钱”的“立式叠铸”铸造工艺，最后总结了“制钱”对中国古代商品经济发展的促进也即对中国古代文明发展的促进作用。

2）通过大量的古代的大型铸件图片，介绍了中国古代在大型铸件方面取得的成就，然后介绍了重达40 t多的“沧州铁狮子王”的“泥范法造型，明浇法分段铸接”工艺，并对比介绍了本世纪初某厂家仿制该产品前两次失败，第三次才成功的实例，说明我们祖先在铸造工艺方面的创新和严谨精细的工作作风。

3）介绍了中国历史博物馆的镇馆之宝“后母戊大方鼎”铸造工艺和有关该文物在抗战和解放战中的传奇故事，又对前面视频中播放的“永乐大钟”的铸造工艺进行了简单的总结，说明了铸造在中华文明所占的重要地位。

4）结合一些旅游景点优美的工艺品如“曾侯乙铜尊”和颐和园的“龙凤鹿鹤”等对古代的失蜡铸造工艺进行了介绍，说明了铸造工艺在实际生活中的应用。

5）对中国古代铸造材料的开发也进行了介绍，重点介绍了春秋时期《考工记》中记述的不同配比的铜锡合金用于制造各种工器具和“河南巩县铁生沟西汉铁䦆头”的球墨铸铁组织，该球墨铸铁的出现比西方早了两千多年，说明了我国古代在铸造材料的开发方面也曾处于世界领先水平。

6）在该堂课的最后也对中国近现代铸造工艺及科技的落后进行了总结，同时也说明了当代中国铸造在改革开放春风的沐浴下正在迎头赶上世界先进水平，并列举了目前世界上560 t的最大铸件就是由学生下一年将要进行生产实习的洛阳中信重工生产的，同时在核电站和水轮发电机以及航空叶片等铸件生产方面，我国也基本处在世界领先水平，在铸造工艺和材料的开发方面学生将来大有可为，由此引导学生对铸造产生兴趣，提高从事铸造工作的自豪感。

2 采用启发诱导式教学，培养学生分析解决问题的能力

由于课时有限，为了在有限的时间内尽量发挥课堂教学的作用，采用了启发诱导式教学，以尽量培养学生分析解决问题的能力。

针对许多学生在解决一个问题时经常感觉无从下手这一现象，在每一节内容开始讲解前，首先向学生提出一个问题，即从那一个方面开始对问题进行研究，也即在研究问题之前，怎样找到研究分析的切入点，然后给学生短暂的思考时间，再开始讲解，以此提高学生分析解决问题的能力。

如在讲解晶体的生长时，首先假设如果是学生自己研究晶体的生长，学生应该怎样开始研究？经过短暂的停顿，再提示学生晶体生长的实质是什么？结论为原子从液体中向固体的迁移，这样学生很容易就联想到可以从研究原子如何从液态向固体中迁移来研究晶体的生长。再提问从何入手研究原子的迁移？引导学生设想原子在啥样的条件下才会迁移？以此引出金属凝固结晶的热力学条件，即在低于熔点的条件下，可实现个体原子从液体向固体中的转移，即开始结晶。

在前面分析讲解的基础上，再提示学生研究完一个原子后应该继续做什么？结论肯定是多个原子。研究多个原子怎么入手？提示学生多个原子在液固之间肯定要有一个什么东西将两者隔开？界面！由此引出通过研究液固界面来对晶体结晶过程进行研究。

在研究界面的时候首先问界面一般有什么特性：结论为平整和粗糙！还有？由此引出从原子尺度区分研究平整界面和粗糙界面的生长，并由此引出二维形核生长和螺型位错、旋转孪晶、反射孪晶生长。再提问学生界面除了平整和粗糙之外，一般还有什么特性？松散和密实！由此引出晶体的生长以密排面为生长界面的结论。

在前面讲解的基础上，再启发学生除了从原子角度研究晶体生长之外，还能够从哪些方面对晶体生长进行研究？提示学生前面的研究是以单独的一个界面进行研究的，实际上在结晶过程中，一般情况下结晶会仅仅是一个界面吗？结合学生在金属学中所学知识提示学生金属的晶体结构一般是多晶结构，由此引出从晶粒长大的角度研究分析晶体的生长，最后总结出晶粒的四种生长方式：平面生长、胞状生长、树枝晶状生长和内生生长。

这一章的最后，再将前面的分析介绍和铸造工艺联系起来，提问学生前面是从微观的角度研究了晶体的生长过程，那么铸件的凝固过程有什么特点？由此引出铸件的宏观凝固过程和组织特点，分析介绍典型的铸件宏观凝固组织：表面细晶区+中间柱状晶区+内部等轴晶区。

通过该章节的讲解分析，可以使学生了解在进行科学研究时如何开阔研究思路，提高学生分析问题和解决问题的能力。在本人的讲课实践中，始终将这一方法贯穿在自己的授课中，得到了学生的好评！

3 结合课堂教学内容，介绍科学研究的常用思路和方法

根据课堂教学内容，将部分章节转化成某个研究课题，再结合该课题，向学生介绍进行科学研究常用的一些方法和思路。如在接手一个研究课题后，研究工作一般分为以下几个阶段：调研、试验方案确定、试验、试验数据的整理和分析、研究报告的撰写等。

调研一般分为实地和文献查阅，结合课堂教学内容举了相当的例子说明文献查阅在科学研究中的重要作用。在此基础上结合教科书中有关内容介绍了如何制定试验方案，预测可能的试验结果并进行相关试验。试验完成后，如何对试验数据进行整理分析，得到有用的结论，剔除不合理数据，特殊数据的分析处理。最后结合课堂教学的有关章节内容，介绍分析了研究报告撰写的一些基本方法和技巧。

如在介绍试验结果整理分析时，说明图、表或数学公式三种表现方式各自的特点、适用范围和分析方法。当分析用图表示的试验结果时，一方面要重点分析图线所显示的变化趋势，另一方面要重点分析一些关键的点和区域，对于一些反常的数据或是不合常理的现象要给与特别的重视。如在讲解晶体的临界形核半径、原子集团平均半径和温度间的关系时，首先分析两者与温度间的关系，然后将两者合并到一个图上，这样就产生了一些交点，并将图分成了几个区域，分别交叉点和交点所分割的区域进行分析，最终得到了三者清晰明了的关系。

在讲到晶核半径与自由能变化的关系时，发现一个现象：晶核在形成过程中其自由能是增加的，这明显的违反了热力学定律，但在晶体降温的过程中晶核确实是形成了。如何解释这一现象？让学生思考这一问题，并对学生进行提问，加深学生的印象。最后提示学生前面讲解液态金属的结构一章中的内容：在液体中不是一个晶核，而是由多个原子集团组成，一个原子集团如长大其自由能是增加的，但如果相邻原子集团的尺寸是减小的，其自由能是降低的，这部分降低的自由能就可能贡献给了前面的原子集团，使其能够顺利形成临界晶核，这部分临界晶核形成后再继续长大，自由能大幅度降低，这部分降低的自由能，又可以贡献给原来尺寸缩小的原子集团，使他们也能够迅速的达到临界形核半径，从而保证结晶过程的顺利进行。

4 让学生部分成为课堂教学的主角，调动学生学习的积极性

为了改变课堂上老师照本宣科，课后学生死记硬背的教学模式，本人通过各种方法提高学生对课堂教学的参与度。前面介绍的启发式教学即是一个十分有效的手段。另一个常用的方法即是将部分章节的课堂教学设想成学生的研究课题，让学生从思想上参与到课堂教学中来，以此来提高学生课堂教学注意力的集中和课堂教学效果的提高。

如针对目前相当一部分学生本科毕业后要进行研究生学习这一特点，假设“铸件热裂的研究”为学生上研究生后的研究论文题目，以此为主线来讲授该部分内容。

第一步是提示学生要进行文献查阅，在此基础上，提问学生如何切入该课题？提示学生从“热裂”这个词出发，可以从两方面入手：热和裂。“热”说明热裂的产生是在较高的温度下产生的。那么热裂具体是在什么温度下形成的？引导学生结合相图进行分析，将可能出现的热烈温度划分为：固相线附近，低于固相线到共析线，共析线一下三个温度范围，让学生考虑采用什么办法来确定具体的温度区间？

告诉学生在对一个问题进行研究时，常用的三种方法：查资料；理论分析；试验。具体研究时可对这三种研究方法进行对比，并确定最优研究方法。在研究热裂时，假设前人还没有对铸件的热裂进行过研究，此时可行的仅是采用试验的方法确定热裂产生的温度区间。

试验方法的确定也需要花费相当的精力，告诉学生可以通过上网、向老师或师兄请教，或是到图书馆查资料等方法来确定试验手段，最后通过同学们的辛勤工作，找到并确认了测量热裂产生温度区间的试验方法——X射线衍射照相方法。

试验方法确定后，进行大量试验，并总结试验结果，将相关数据整理到到铁碳相图上，观察后可以发现：“热裂”出现在固相线上下。对于这个现象，具体分析时可能出现三个结论：熔点以上、熔点以下以及熔点上下均可出现。对于该结论应该如何再进一步深入的分析？

提示相图中的固相线是在什么条件下得到的？平衡条件！铸件的实际凝固条件是什么样的？非平衡，结果是金属的实际熔点有可能下移。在提示学生除了冷却速度，还有什么会对熔点造成影响？结论是化学成份。如果在金属中存在低熔点元素，会出现什么情况？金属熔点被大大压低。这样就可以通过重点研究在远低于固相线温度出现热裂的铸件的化学成分来确定热裂产生的结晶区间。通过测量化学成分，发现在这些铸件中，大量存在可形成低熔点共晶的杂质元素：硫磷等，结果导致热裂产生温度大大降低，但热裂的出现温度还在完全凝固之前。

最终可以得到如下的结论：“热裂在固相线温度以上出现，即凝固没有完全结束的时候产生！”

试验结果出来后，说明研究取得了阶段性的成果，可以庆祝一下，或许还能得到导师的表扬，并有可能完成一篇学术论文发表。但科学研究是无止境的，对热裂的研究马上就面临下一个问题：热裂为什么会“在凝固没有完全结束的时候产生”？对这个问题怎么着手进行研究？

让学生简单思考后，提示学生裂纹是怎么产生的？前面从“热”进行了分析，另一个特点是：“裂”。之所以出现裂，是因为材料的强度极限低于所受的应力，因此完全可以以此入手对其进行进一步的研究--应力和强度。

应力方面，由于靠近固相线，所以在铸件中已经形成金属骨架，因此有可能产生应力，但由于金属处于塑性状态，应力应该非常小，此时要出现裂纹，金属的塑性和强度也应该非常低。具体情况是不是这样的？

首先以铝铜合金为例，采用试验方法确定金属材料的高温塑性，试验数据显示在固相线附近，合金的塑性和强度均非常低，接近于零，说明只要有应力就可能出现裂纹。此时距离研究的成功又近了一步！

在此基础上，又向学生介绍了铸造作为一门应用型的学科，可以借鉴其他学科的研究程果，提示学生除了进行试验，查资料也是一个十分有效地研究手段：通过查资料，也可以得到与前面试验结果相近的结论，并将这两种方法进行对比，说明查阅文献事半功倍的作用，是一个站在巨人肩膀上的方法。

将整个研究总结一下：在金属形成晶体骨架后，继续冷却金属骨架收缩，出现应力，由于此时的高温强度非常低，塑性非常差，相当于一碰就碎，因此采用强度理论可以很好的解释热裂的产生。

到了这一步，可以进行研究生论文的写作了！以幽默的口气告诉学生，写出来的论文肯定可以得到优秀论文的荣誉！将整个论文整理一下，可以在高质量的学术期刊上发表几篇高质量的学术论文。最后，通过一些实例说明如何妙笔生花，使论文上升层次。如前面提到：“铸件热裂是在固相线以上即凝固完全结束前产生的”，这句话在论文写作中非常拗口，同时也不十分准确，怎么办？可以引入一个新的名词：“有效结晶温度区间”，其定义为：“在溶液中形成晶体骨架的温度区间，上限为线收缩开始的温度，其下限为凝固结束的固相线温度”。引入该名词后，即可将试验结果表述为：“热裂是在有效结晶温度区间”产生的，既清晰简练，同时也提高了论文写作的档次。

为了进一步开阔学生的思路，在本章的教学中，又向学生提出了这样一个问题：根据强度理论，由于金属材料的高温强度非常低，塑性非常差，在实际生产中，铸件应该大量出现热裂，但现实是铸件只有在一些特殊的情况下才会出现热裂，理论和实践之间为什么会出现这一问题，说明强度理论本身存在一定的缺陷。在此基础上引出了分析热裂的另外两种理论：“液膜理论”和“裂纹形成功”理论，这两种理论较好的克服了前述强度理论的不足，让学生理解学术研究的百家争鸣和百花齐放的特点。

5 结合课堂教学，适当类比介绍相关社会现象，提高课堂教学的趣味性

在课堂教学中，适当类比介绍一些社会现象，可以有效地提高课堂教学的趣味性。如在讲解晶体凝固这一部分基础理论时，与诺贝尔奖的颁奖时间基本一致，在诺贝尔奖公布的时间介绍由于研究晶体而获得诺贝尔奖的科学家，并提示学生诺贝尔奖距离我们并不遥远，希望在他们之中也能出现中国的诺贝尔奖获得者，提高学生学习的积极性。再者如讲到柱状晶的生长时，提出“物竞天择，适者生存”这一自然界的法则，在自然科学的研究中也是适用的，同时鼓励学生好好学习，以免被社会所淘汰。另外在讲解前面提到的形核过程中自由能的变化违反热力学定律时，最后将该理论与邓小平的“让一部分人先富起来，然后共同致富”的理论进行对比，说明邓小平理论在现实中的可行性以及社会科学和自然科学之间的联系。在讲课的过程中还插入了中国古代科技著作如《天工开物》，《演繁露》、《齐民要术》、《梦溪笔谈》的内容，将现代科学与古代文明结合起来。这些都调动了学生课堂学习的积极性。