《材料成型计算机应用》课程教学方法研究与实践

康 丽，王 芳，王荣峰

（太原科技大学 材料学院，山西 太原 030024）

太原科技大学材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业目的是培养适应国家建设需要，掌握材料成型及控制工程领域的基础理论和专业知识，了解和掌握材料成型领域相关设备和工艺装备的设计制造方法，具备解决复杂工程技术问题的能力和一定的科学研究能力，能在铸造、塑性成形、模具技术、轧制工程等材料成型领域从事设计、技术开发、科学研究、问题分析、生产组织和经营管理等工作的复合型高级工程技术人才。

《材料成型计算机应用》课程是材料成型与控制工程的学科基础课，不仅要求学习好本课程的理论知识，而且要求学生能灵活应用本课程所学的实体造型思想、方法，结合生产实际进行产品的设计与开发[1-3]。近年来，随着计算机辅助设计和制造在工程领域的不断普及，熟练掌握、应用现代化信息技术工具也成为大部分毕业后继续在材料成型相关领域工作的学生的必备技能。

1 目前存在的问题

从日常的教学实践来看，《材料成型计算机应用》现有的教学模式，教学内容已经跟不上社会发展的要求。首先，现有的教学模式中，授课教师负责讲解操作命令以及当前知识点的相关案例，很少涉及工程应用，学生被动地接收到的都是一些割裂的脱离实际的内容，在这种模式下学生兴趣缺乏，主观能动性差，很难有效地掌握新知识新技能。其次，旧的教学大纲规定的教学内容都是具体的命令和操作方法，授课时，教师即使采用多媒体设备一步一步演示，也只是针对特定软件的操作，一旦换了一个软件换了一种界面，学生就感觉无从下手。而且，哪怕学生把所有的命令和操作都学会，还不足以达到课程教学目标提出的要求。

在太原科技大学2017 年《材料成型计算机应用》教学大纲中明确规定，通过本课程的课堂教学和上机练习学生应具备下列能力：

1）能够应用计算机CAD/CAM 理论知识和技能对于材料成型与控制工程专业方向相关模型的正确性进行论证并求解（对应课程目标1）；

2）能够应用计算机CAD/CAM 理论知识和技能设计满足成型与控制工程专业方向需求的工艺装备、部件和过程，并能够体现创新意识（对应课程目标2）；

3）了解材料成型与控制工程学科发展现状，能够在实践中初步掌握并使用计算机CAD/CAM 理论知识和技术；能够初步运用计算机CAD/CAM 理论知识和技能对材料成型与控制工程问题进行预测与模拟，并了解其局限性（对应课程目标3）.

表1 毕业要求与课程目标的对应关系

课程教学目标是要服务于毕业要求的，仔细分析毕业要求与课程目标的对应关系（见表1），可以发现，《材料成型计算机应用》课程对学生的实践创新能力提出了较高的要求，仅仅依靠课本上的固有的、孤立的知识和单一的、片面的练习远远不够。只有在系统地对复杂多样的实际生产过程进行分析、提炼、解决和总结的锻炼中才能满足培养目标对毕业生提出的要求。

2 基于工作过程教学法的《材料成型计算机应用》课程教学方法研究

为了提高教学质量，迎接新时代的挑战，将工作过程教学方法融入到《材料成型计算机应用》的教学中。何为工作过程呢？“在组织里为完成一件工作任务并获得工作成果而进行的一个完整的工作程序”这就是德国不莱梅大学Rauner 教授给出的定义。落实到这门《材料成型计算机应用》课程上，就是通过工程实例的解决过程，把知识点融入实际问题中，以工程实践中具有代表性的铸件的工艺设计为背景进行实训，包括实际生产中工艺设计的相关流程、设计内容、工艺习惯等。可以说，每一次学习都是计算机应用和专业知识融会贯通，综合应用的过程[4-5]。

2.1 基于工作过程教学法的《材料成型计算机应用》课程教学资源的收集和整理

通过对成型方向的用人单位，毕业校友，在读学生及代课教师问卷调查和座谈，对学生在《材料成型计算机应用》学习过程中遇到的问题，感兴趣的内容，社会的需求，对项目意见和建议等等进行收集整理和分析，以便于制定合理的教学内容，教学计划和教学方案。

教师在选择工艺案例时，一般要做到：务必进行充分的工程实践调研，要紧跟铸造行业的发展，制定合理的、有代表性的培训实例；考虑到学生一开始对工作过程并不熟悉，务必注意工艺案例的选取应由简到繁，由易到难，激发学生学习热情；应确保在解决工程实例的过程中，涵盖教学大纲规定的全部教学内容，对一些重点难点问题，教师要着重讲解，避免本末倒置，偏离教学计划。

2.2 基于工作过程教学法的《材料成型计算机应用》课程教学方法和手段的制定

工作过程教学法的载体是具体的工程实例，学生以工程实例为研究对象，组成项目小组，每个项目组，即要分工明确，又要团队配合。有人负责收集资料，有人负责造型和动画，有人负责模拟和分析，有人负责汇总，有人负责进行文字报告。而且每个项目组中学生个体的角色不是固定不变的，要随项目变化而变化，保证每个学生的能力都可以得到全方面的锻炼和提升。考虑到学生一开始对工作过程并不熟悉，务必注意工艺案例的选取应由简到繁，由易到难。学生通过解决一个项目一般要经过以下步骤：1）分析零件结构特征和技术要求，例如生产方式、铸件材质、化学成分等；2）进行零件和浇注系统的三维造型并实现CAD 模型数据向CAE 系统的合理准确传递；3）使用CAE 软件进行计算机辅助工艺设计，能实现砂型、金属型、压铸过程的充型流动、冷却凝固、充型换热仿真模拟；4）根据模拟结果，比如填充速度、凝固液相顺序、温度场分布等预测缺陷出现位置，判断工艺设计的合理性，改进和优化工艺。

表2 分别给出了两种教学模式下制定的《材料成型计算机应用》课程的教学进程计划（总授课时数32 小时，其中课堂教学学时24，上机学时8）.从表中可以看出，有别于传统教学模式，基于工作过程教学法的《材料成型计算机应用》课程伊始，教师主要演示如何完成一个完整的工作过程，学生以学习模仿为主。后期学生和老师的角色发生变化，学生占据主体地位，成为项目的完成者和管理者。教师起辅助作用，主要负责引导、答疑和评价。在这个过程中，教师的角色不再仅仅是向学生机械传授课本知识，而是要根据学生的发展实际及教育目标、要求，制定出符合成型专业铸造方向毕业生需求的教学计划，合理安排教学进程，整合编制工艺实例，保障项目的顺利实施。使学生在掌握基本知识点的同时，分析问题和解决问题的能力得到有效提高，成为真正帮助学生成长的人。

2.3 基于工程实例教学法的《材料成型计算机应用》课程教学效果评价体系的建立

原有课程考核方法采用上机操作成绩和平时综合成绩对学生进行考核，学生的最终成绩评定：上机操作（4 次上机综合）考核按60%，平时综合（出勤20%、课内提问10%、作业10%）按40%。按五级记分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）进行评定。其中：优秀标准是：上课积极回答问题、课后作业质量高、出勤为全勤、四次上机综合为优；良好标准是上课能回答问题、课后作业质量较高、出勤为缺课不超过两次、四次上机综合为良；中等标准是......这种考核方式看似公平，但实际上只要有一次缺勤就无法取得优异成绩，这无形中打击了学生的积极性。而且上机实验局限于对片面知识点的考查，无法真实地反应学生的学习水平。

基于工作过程教学法的《材料成型计算机应用》课程考核方法采用更加灵活、有效的方式，根据每个项目组对工程实例的解决过程，以及最终提交的结果给出评定等级。首先，将被考核题目的工作内容划分为相互独立的五个模块（零件的工艺分析、浇注系统设计、CAD 模型的建立、数学仿真和数据处理、缺陷预测和工艺改进），在每个模块中用明确的语言描述完成该模块任务相应的标准。同时，将标准分为五个等级选项“优、良、中、合格、不合格”，教师根据被考核同学的实际表现，对每个模块的完成情况进行评估，总成绩便为该同学的考核成绩。

除了采用期末考试的方式来评价学生的短期学习效果，还可对教学效果持续考核论证：一方面对比分析采用与否教学方案的两类学生（《材料成型计算应用》也是成型专业锻压、模具方向学生的必修课）在课程设计和毕业设计中的完成情况，毕业用人单位的后续随访，对教学效果进行考核检验；另外还可依托本科大学生创新创业项目，全国大学生铸造工艺设计大赛等实践项目，在接受社会检验的同时，激发学生的竞争意识和挑战意识。

表2 《材料成型计算机应用》课程的教学进程表

3 实施过程中发现的问题

学生在学习软件时，有学会软件操作就实现课程目标的想法，要注意引导学生转变这种思想。使学生明白每一次设计都要以铸造方向专业课基本理论、基础知识为依据进行工艺分析和设计，另外教师在授课时要对案例涉及的知识点（基础知识和专业知识）讲解透彻，明了。

不可否认的是，目前的本科教学以及铸造专业课的讲解主要还是以课堂教学为主，学生是被动的，而且接触到的主要是书本、文字、图表，给知识的掌握带来很大的难度。因此学校和教师要尽力创造更多的现场实践教学机会，使学生更多了解零部件的实际工艺过程。比如，可以在《特种铸造》、《铸造工艺与设备》、《传输原理》等课程教学过程中，有意穿插计算机辅助设计内容，通过哪怕一次机房上机实验或者课后作业的形式，这样既能让学生更好得掌握计算机辅助设计的技能，也是对当前课程的一次有益深化探讨，何乐而不为呢？

4 结论

当前，计算机辅助设计技术迅速发展，使得企业对掌握和了解相关知识的铸造成型专业人才需求迫切，教师如何在专业课学时不断压缩的前提下，充实教学内容，促进应用型人才的培养，是高校教师面临的一个重要课题[6-7]。教学实践表明，将工作过程教学法应用于铸造专业的课程教学中，本着课堂教学为辅，实践教学为主的思路，对计算机应用技能结合铸造成型理论、工艺等难点和重点内容进行讲解，可以取得良好的教学效果。表现在学生对课本知识有了更全面的认识和把握，增加了知识的系统性；学生对铸造工艺设计、铸造缺陷分析、铸造工艺优化均加深了理解；激发了学生对专业知识的学习兴趣，使其专注听讲、主动积极提问，互相协作，对教师也起到了激励作用。