工程教育背景下的材料成型专业实验教学改革探索*——以铸造应力测试实验为例

王武孝 秦少勇 张忠明 邹军涛 葛利玲 张赛飞

(西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)

随着现代工业的不断进步和发展，铸造技术已广泛应用在汽车、船舶制造，航空航天、能源开发等诸多领域[1-3]，通过铸造成型的零部件被应用在各类机器设备中，然而在铸件凝固过程中，会经历液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段，若在凝固过程中收缩受到阻碍，就会产生铸造应力[4-5]。应力的存在严重影响铸件的质量，可以使铸件产生热裂、冷裂、挠曲变形，影响铸件尺寸精度，甚至使铸件报废，影响铸件的成品率[6-7]。通过铸造应力测试可判断出应力产生的时间及变化的过程，从而帮助铸造工程师分析应力产生的原因，最终提出减少或消除应力的方案，提高铸件成品率，降低生产成本。因此开展该项工作具有十分重要的意义，尤其在高校开展铸造应力测试实验的教学，既可以使学生对应力产生的过程有一个定量的认识，同时可以提高学生的动手能力，为培养工程应用型人才奠定良好的基础。

一、传统铸造应力测试实验教学的反思

铸造应力测试实验包括型砂准备、造型、浇注、应力测试等环节，其中应力测试的方法主要采用的是传统的机械测定法[8-9]。该法通常是要先浇注一个应力框，如图1所示。将浇注好的应力框试样用一定方法进行分割，此时残余应力被释放，铸件会发生变形，通过测定变形量，再应用弹性力学相关公式来计算残余应力，这种方法虽然简单便捷，但只能测定静态情况下的应力状况，并不知道应力何时产生，无法反映铸造应力产生的动态过程，这就使得应力测试实验存在很大的局限性。

受实验教学条件的限制，整个实验过程都是学生在实验教师的指导和帮助下完成，无法发挥学生的主观能动性，导致学生对实验的积极性不高，实验结果也是千篇一律，甚至与实际不符，这也就难以满足当前工程教育专业认证对学生的要求。因此开展铸造应力测试实验教学的改革意义重大。

二、铸造应力测试实验教学的改革

为了全面提升实验教学的质量，激发学生的学习热情，充分锻炼学生的动手实践能力，在借鉴了一些高校实践教学改革的经验后[10-11]，按照以学生为中心，以贴近工程应用为前提的思路，对铸造应力测试实验进行了一些改革探索。

(一)研制智能铸造动态应力仪

性能优异的实验设备是提高实验教学质量的关键，国内目前没有定型的应力测试仪器，因此在应力框(如图1(a)所示)的原理基础上，通过精心构思和反复试验，成功自制出了智能湿砂型铸造动态应力测试仪，其测试结构图如图2所示。

图1 几种常见的应力框

该设备主要由铸型、应力框、测力传感器，数据采集记录仪等组成，横梁上连接三根测杆测头，测杆上安装测力传感器组成E字形结构，由铸造模板、专用砂箱造型完成的铸型组成反E字形，通过测头螺钉把E字形与反E字型连接起来，铸型型腔中杆所在位置装上测温热电偶，当液态金属充满铸型后将构成刚性应力框，应力框中间杆粗，两侧杆细，因此应力框冷却过程中就会产生热应力[12-13]，此时三杆上测力传感器分别会向智能记录显示单元输出电信号，经过模数转换送入智能单元的微处理器进行分析处理、储存数据、显示记录曲线，完成应力测试。利用自制的设备测试了ZL102合金的铸造应力，测试结果如图3所示，实验证明，该设备测试结果与应力产生分析完全吻合，数据重复率及精确性达到设计要求。

图2 合金铸造动态应力测试仪结构图

图3 ZL102合金凝固冷却曲线及铸造应力曲线

智能铸造应力仪的设计成功，改变了传统的应力测试方法，可自动测量动态应力，并具有记录、存储功能，可将铸造应力产生的瞬间，变化趋势准确地用曲线记录并存储下来，数据更加具备科学性。既能满足本科实验教学，也能为科研及实际生产提供科学的数据服务，为培养满足工程应用的人才创造了条件。

(二)优化实验流程

随着智能铸造应力仪在实验教学中被学生使用，同时配合工程认证的要求，实验室环境和配套设施得到了极大的改善，为了发挥“以学生为中心”的工程认证理念，我们将实验流程进行了改进和优化，图4所示为改进优化后的实验流程，改变了以前先浇注应力框，再进行切割、测量计算的实验流程，实现了人工湿砂型造型、数据自动采集、计算机软件数据处理与网络结果传输为一体的作业方式，使得传统工艺向数字化、网络化方向升级，从而极大程度上激发了学生的实验兴趣。在整个实验过程中，从型砂准备、造型协调合作，到浇注以及数据处理和传输，学生都是自主动手完成，老师辅助指导并对学生的疑难问题进行启发和解答。避免了以前只有个别学生动手，其余学生观望的现象，发挥了学生的主观能动性，可培养学生的实验设计能力、实验协作能力、数据处理能力等，满足了工程教育对学生的部分毕业要求。

图4 优化后的实验流程图

(三)改革教学方式

通过对实验室硬件设施全面升级改造后，改善了基本的实验条件，在应力测试实验的教学内容和方式上也做了进一步的探索，改进后的整个实验教学过程如下图5。

图5 改进后的实验教学过程

实验指导教师对铸造应力测试实验的原理，实验步骤以及实验设备、造型工具的用途、操作方法、注意事项等进行详细讲解。之后，按照学时数要求对学生进行分组，分组后组长负责一起讨论老师预留实验前的思考题，每组学生进行实验时，可对实验过程中各个环节进行合理分工，指导教师为学生提供不同类型的合金(铝合金、镁合金等)，每组可任选一种合金，学生结合所学专业知识自行设计工艺流程并造型，指导教师对造型结果审核，审核通过后开始进行实验，并在现场对每位学生的实验操作情况进行评估打分，实验结束后得到实验数据并处理，撰写并提交实验报告，同时在实验报告中反馈对本次实验的建议和心得体会，以便不断完善实验流程，达到学生满意。

本次教学手段的改革，始终以学生为主体，从实验方案的设计，实验过程的各项操作及实验数据处理都是学生自主完成，充分锻炼了学生的动手实践能力。同时也避免了千篇一律的实验结果，达到了实验的预期效果，增强了学生对专业知识的认知度。

(四)完善考核方式

实验课不同于理论课，实验教学更加注重培养学生的实践动手能力，因此仅通过实验报告去评估学生的实验成绩是不科学的，通过改革，将实验的考勤、造型工艺的设计、实验过程的操作、实验报告都纳入考核范围。其中，造型工艺的设计关系着实验能否顺利进行，比较关键，实验过程中各个环节的操作能反映出学生的动手实践能力，也是关系到实验能否成功的重要因素，因此把这两项作为考核实验成绩的重要依据，所占比重也最大。同时实验报告反映的是学生的数据处理与表述能力，对实验报告制定一套合理的评分标准，从实验预习，原理阐述，实验过程，数据处理，心得体会等全面评判实验报告，尤其是在实验报告中让学生反馈对本次实验的建议和心得体会，以便不断完善实验流程，达到学生满意。改革后的考核方式更加注重考核学生的动手能力，有利于激发学生的实验热情和创新意识。

三、结语

对铸造应力测试实验从硬件、软件方面进行全面的改革探索，改革后的应力测试实验实现了向数字化、网络化及绿色化的方向转变，激发了学生的学习热情，充分发挥了学生的主观能动性，提高了学生的动手实践能力，加强了他们理论联系实际的学习方法，达到了实验的预期效果，为工程教育专业认证奠定了良好的基础。由于本次实验的改革只是针对铸造方向的本科生，具有局限性，实验改革难免有不完善之处，希望有经验的专家学者提出更多宝贵意见，使铸造应力测试实验的教学质量得到进一步提高。