高能束流加工技术的课程改革与实践

2020-04-27李晓鹏范霁康王克鸿冯曰海张德库

机械制造文摘(焊接分册) 2020年1期

李晓鹏，范霁康，王克鸿，冯曰海，张德库

(南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京210094)

0 前言

南京理工大学为双一流学科重点建设大学，长期服务于国防事业，从事军事产品的设计、研发和制造，是一所具有军工特色背景的高校，其具有4 个国防重点建设专业和4 个国防特色紧缺专业。材料成型与控制工程专业作为4 个国防重点建设专业的重要组成之一，为国家国防事业做出了突出贡献，培养了一大批献身国防的高素质人才。高能束流加工课程是面向材料科学与工程专业本科生开设的一门专业必修课。该课程主要讲述以电子束、激光、等离子为代表的高能束流加工的工艺与基础知识。通过该课程的学习可以让学生深入理解和控制材料的高能束流加工过程。该课程的开设对学生今后从事高能束流加工相关的设计开发和科学研究具有重要意义。高能束流加工技术，包括等离子加工、激光加工、电子束加工等技术，在航空［1-2］、航天［3］、舰船［4］、核能［5-6］领域具有广泛应用，其授课质量与学生未来从事相关工作时解决问题的能力密切相关。

从近两年的总结发现，南京理工大学材料成型及控制工程专业的高能束流加工技术课程授课过程中，存在以下两个问题:

(1)高能束流加工方法种类较多，具体分为3 类工艺、10 余种方法，而课程总学时仅为48 学时。如何响应教育部提出的“厚基础、宽口径”政策［7］，在有限的课时内使同学们掌握高能束流加工技术基础内容，并能融合材料凝固理论、材料加工工艺等其它专业基础课内容是需要解决的关键问题。

(2)基础知识与具体应用脱节，学生仅在表观上了解高能束流加工技术在国防领域有重要应用，但具体应用案例不明确，不能充分理解高能束流加工技术的特点及其在国防领域应用的原因，导致学生对专业、课程的自信度不足。

基于以上情况，利用学校在国防领域的科研优势，开展了高能束流加工技术的课程改革，可为高等院校开设新课程或课程改革提供参考。

1 教学改革内容

针对高能束流加工技术课程授课过程中存在问题，经文中相关作者的研讨，从以下3 个方面对教学课程进行了改革。

1.1 合理分配教学顺序，理论与实践结合

将原来的“讲课-试验”模式修改为“讲课-试验-讲课”模式。以高能束流加工技术中的激光焊为例说明课改内容。以往针对激光焊的教学为“讲课-试验”模式，从激光焊概述、激光焊原理、激光焊特点、激光焊应用、激光焊试验等方面展开，在统一完成激光焊基础内容教学后开展相关试验，通过试样金相照片观察了解焊缝成形情况及微观组织信息。但由于基础内容教学与试验分析间隔时间较长(2 周)、学生知识框架结构不完整，学生难以将试验结果与课堂基础知识有机结合。针对上述问题，开展“课程-试验-课程”模式教学，根据艾宾浩斯遗忘曲线，在学习完成激光焊相关基础知识(原理及特点)后，组织学生进行激光焊试验，了解激光焊流程并分析焊缝成形及组织特征，随后再次进行课堂讲解，融合焊接冶金、金属凝固理论等基础知识，让学生充分掌握激光焊原理、激光焊特点。

1.2 合理分配学时，以点带面

虽然高能束流加工技术包括多种方法与工艺，但每种方法和工艺的特点具有相似性，如所采用的电子束、激光、等离子热源均具有能量密度高、热输入小的特点。因此，为了响应教育部提出的“厚基础、宽口径”政策，通过调整课时分配，重点针对一种工艺展开教学，在掌握该工艺的基础上弃同即异，在剩余的课时内通过比较其它工艺与此工艺的不同点，进而通过比较法教学加深学生的认识，起到“以点带面”的效果。按照上述思路，将高能束流加工技术的各类工艺课时进行合理分配，如表1 所示。重点开展激光加工技术的讲解(24 课时)，在此基础上，通过比较法拓展到电子束加工技术(12 课时)及等离子束加工技术(12 课时)。

表1 高能束流加工技术的各类工艺课时分配情况课时

1.3 穿插专题讲座，提升专业自信

学生仅在表观上了解高能束流加工技术在国防领域有重要应用，但对具体应用案例并不明确，由此引发专业自信心不足。针对此问题，在授课过程中对每种工艺增加了2 课时的专题讲座。专题讲座有两种形式:①结合自身科研经历，整理相关网络公开背景，结合政治思想内容，讲解高能束流加工在国防领域相关部件的具体应用;②让学生以小组形式，自主查阅相关文献、数据、制作PPT，在课堂上分享查阅成果。例如，针对电子束加工技术部分内容，整理了题为“电子束在航空发动机中应用”的PPT，介绍了采用电子束焊接航空发动机中的机匣薄壁结构和转子可显著减小焊接变形量，使学生详细地了解了机匣类薄壁复杂结构焊接过程的难点和电子束焊接的优势，真正让学生做到了知其然并知所以然，取到了较好的反响。

2 教学改革效果

通过对教学顺序、教学模式的改革，增加了学生的参与感，改变了过往传统教学的模式，使学生更加积极主动的投入课程学习中。同时，关于背景应用的具体介绍，增加了学生对高能束流加工技术的认知及其就业方向感，真正让学生体会到国家的强大与学生自身学习息息相关。图1 为教学改革前后学生闭卷考试成绩情况。由图1 可以看出，改革前后多数学生成绩均分布于80 ～89 分，说明多数学生的学习效果较好。改革后位于80 ～89 分成绩区间的学生数量明显增多，由12 名增加至15 名，而位于70 ～79 分区间的学生数量明显减少，这说明教学课程改革后取得了明显的效果。位于90 分以上区间的学生数量也明显增加，说明课程改革可以让成绩处于中游水平的学生更加主动的投入到课程学习中。