应用型本科材料专业的开放性实验课程设计

吴甜甜　李瑞锋　李长江　郑玉船　徐宝和

摘 要

针对应用型本科高校的教学要求，结合黄山学院材料科学与工程专业实际情况，提出了针对本专业开设陶瓷材料注浆成型的开放性实验课程设计。通过泥浆制备、注浆成型、开模、修坯、施釉、烧结等完整生产工艺的设计，扩展学生通过该实验所获得的基础理论知识，了解和掌握上述工艺对陶瓷材料相关性能的影响，极大提高学生的自主创新能力和学习的兴趣，该课程受到学生的欢迎，取得良好的效果。

关键词

开放性;注浆成型;实验教学;陶瓷材料

中图分类号： J527                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 10 . 31

材料科学与工程属于工学学科门类，是以材料科学实验性理论为教学基础的一门综合性学科。进一步提高实验教学的质量对于学生的综合能力培养至关重要，实验教学需要在使得学生快速获得基础知识的同时培养和提高学生的自主动手创新能力和积极参与科技实践创新的精神、以激发其学习的积极性和兴趣[1]。黄山学院材料科学与工程专业开设了《陶瓷注浆成型工艺设计》综合开放性实验项目，包括泥浆制备、注漿成型、开模、修坯、施釉、烧成等为主线的一系列实验教学内容。本文介绍了黄山学院材料科学与工程专业的陶瓷材料注浆成型工艺设计实验项目，该项目紧密联系材料科学内容与发展以及高等教育科研和教学的实际需要，贯彻落实黄山学院“应用型、地方性”的办学理念和培养应用型人才目标的需求。该综合开放性实验项目开设以来受到学生的欢迎，取得了良好的学习效果。

1 综合开放性实验设计的作用

传统基础实验课程的项目多为验证型实验，传统验证性实验存在的问题和缺陷已有广泛共识：实验操作步骤机械化、学生对教学内容印象不深刻、积极性和主动性不高、从中收获的知识也有限等。传统验证性实验不利于教师对实验课成绩的评价，学生分析解决问题的能力和创新思维均得不到引导[2-4]。《陶瓷注浆成型工艺设计》采用开放性实验的技术思路，结合实验目的、实验原理、实验步骤以及实验所要用到的设备及材料等方面进行探讨，分析陶瓷泥浆制备、注浆成型、修坯、施釉、烧成成品完整的陶瓷生产工艺流程的工作要领，以及对产品性能的影响。

2 综合开放性实验设计的内容

2.1 实验设计目的

了解和帮助学生掌握常用陶瓷材料的常用注浆成型的原理与其方法;了解和掌握常用陶瓷材料注浆成型的基本技术与工艺;了解和分析各种陶瓷制品的成型过程和工艺性能的特征以及影响主要因素;通过陶瓷工艺综合开放性实验，使学生对陶瓷生产工艺和陶瓷产品有一个全面了解。同时学生可以利用课本所学的陶瓷工艺知识，亲自动手，利用各种陶瓷生产原设计料制作各种陶瓷产品，完成陶瓷试样配方计算、配料、研磨、成型、施釉、烧成等过程。本实验将生产实践与陶瓷工艺理论课程内容相紧密结合，培养了学生亲自动手、独立设计和分析、解决技术性问题的意识和能力，同时也为今后的工作和大四毕业论文的环节作奠定良好的基础。

2.2 实验设计原理

注浆成型方法是一种古老和应用比较传统的陶瓷坯体成型法，应用极为广泛。这种成型方法是一种利用良好吸水性的石膏模具，先将陶瓷粉料添加适当的反絮凝剂配制成的具有一定流动性的泥浆，然后将泥浆注入石膏模内。随后逐渐在石膏模具内壁形成具有一定厚度的均匀泥层，厚度一定时倒出多余泥浆，巩固后再进行脱模得到陶瓷坯体。凡是各种形状复杂、不规则的、壁薄的、体积大且对尺寸要求不严的陶瓷器物都可以采用这种注浆法成型[5]。

2.3 实验设计准备

（1）原料：陈设艺术瓷用注浆泥料、艺术瓷注浆坯体;长石、石英、高岭土、粘土、铅丹等。

（2）工具与设备：电子天平、游标卡尺、石膏成型模具，橡皮筋、修坯刀具、烘箱、高温电窑、研钵、优质尼龙板刷、尖嘴勺、尼龙毛水彩油画笔、烧杯、电子称、电动搅拌机、球磨机。

2.4 实验设计内容

2.4.1 浆料的调制

为适应陶瓷材料注浆成型工艺的要求，必须将陶瓷粉料配制成具有流动性、符合注浆成型工艺性能的泥浆。

注浆成型的陶瓷泥浆有确定性质的粘土和矿物颗粒组成，必须达到一定的颗粒细度和解凝度[6]。泥浆的性能对于整个注浆成型工艺的影响非常大的，必须严格准确把握泥浆的流动性、稳定性和悬浮性，泥浆的比重一般控制在1.70-1.75之间。如果流动性差，陶瓷坯体表面的粗糙，可适当添加些稀释剂;如果悬浮性不好，应加入悬浮剂，否则容易造成坯体沉淀，底部厚，上部薄，甚至无法成型。另外，如果泥浆中存在大量的气泡，会影响坯体的致密度，且在烧制过程中因气孔排出而形成蜂窝式的凹面，影响器物的美观，成为残品。可以通过匀速搅拌泥浆，排出气泡。

2.4.2 注浆成型

（1）注浆 。先将准备好的石膏模具用尼龙刷、海绵清理干净，用橡皮筋固定捆扎好，然后缓慢且匀速将泥浆垂直注入模具内。

（2）添浆。石膏模具有一定的吸水性，随着时间的延长连续性的吸收泥浆内的水分，使泥浆水平位置不断下降，需要及时添浆，直到放浆。否则浆料低于添浆口的最低处，造成坯体局部过薄。

（3）放浆。石膏模具内壁逐渐形成均匀泥层，注意把握好吃浆时间，然后将多于泥浆轻轻摇动后倒出。内壁泥层的厚度就是陶瓷坯体厚度，一般注浆件在4-7mm厚左右。注意放浆速度不宜太快，避免负压而使坯体过早脱离模型造成坯体变形或塌落[7]。放浆之后将模具倒扣，保证坯体的内壁光滑，无泥头或乳头状泥钉。

（4）脱模。放浆后不应立即进行脱模，坯体强度太低需继续排出水分即为巩固。待坯体脱水巩固后，便可开模取出坯体。要注意的是巩固时间太短，坯体太软易造成塌陷;巩固时间太长，石膏模具会限制坯体收缩易使坯体开裂。

（5）修坯。当坯体硬化脱模后将坯体轻放至平整光滑的托盘上，待其七成干后便可进行修坯，这是修坯的最佳时段。修坯时要手法轻盈，力度适中，工具合适。

2.4.3 坯体施釉

将修坯后的坯体采用浸釉与刷釉相结合的工艺方式进行施釉，一般釉层厚度1.5mm左右为宜。特别注意：坯体施釉时要保证釉层上厚下薄，底部不施釉。

2.4.4 烧结

陶瓷产品最关键的工艺就是高温烧成，坯体和釉料在高温下经过一系列物理化学的变化，获得具有特定组织结构和特定组成的陶瓷致密体，而釉料则经过高温熔融后形成各种颜色和不同艺术效果的玻璃层。将施釉的坯体干燥后放置于高温电窑中烧成。烧成制度确定为室温到500℃，保温1h，500℃升温至最高温度1100 ℃，保温2h，最高温度随炉冷却至室温，取出陶瓷制品。

3 综合开放性实验过程要求

在开实验课前两周内，由老师布置实验的具体内容和要求，实验的学生分组，3-5个学生编成一个实验小组。首先实验小组成员根据实验任务要求，结合自己所学的专业知识和个人兴趣爱好，通过查阅有关文献资料，让实验小组初步了解实验内容后讨论确定本次实验的设计方案。最后，每一个实验小组协作共同完成实验内容。在实施方案，即从组成设计到最终陶瓷成品的制作全过程，均以学生为主体，实验教师主要针对学生在实验中遇到的问题与学生交流和讨论，然后给予讲解。试验完成后，每位同学应提交一份实验报告和一个注浆成型的陶瓷工艺品。在教学实践过程中，由于实验方案和实验内容相对独立、灵活性强，很难用同一尺度来对学生进行考核。因此，在综合性实验的成绩评定更注重实验的过程。实验成绩的评定方式：出勤10分+实验平时表现30分+实验陶瓷工艺成品30分+实验报告30分，力争较全面的考查学生的综合能力和科研素质。

4 实验教学效果

经过本次综合开放性实验的教学，发现同学们参与的积极性明显提高，气氛更加活跃。学生通过查阅文献、小组讨论和合作、亲自动手操作，不仅收获了生动的知识并将理论知识应用于实践过程中。通过本次的实验同学们学会了将理论知识融会贯通，极大地提高了全体学生的课堂学习效率和兴趣，同时锻炼了学生自主动手的能力。

5 结语

结合本校材料科学与工程专业实验教学手段，为培养与时俱进的高素质创新应用型材料类领军人才。《陶瓷注浆成型工艺设计》开放性实验开设是一个较好的尝试。综合开放性实驗显著提高了学生的学习兴趣和学习的积极性，保障了原有的实验教学目标实现的同时激发了学生在其中产生更多的联想和创造性。

参考文献

[1]张冠英.电工学实验课程的教学改革与探索[J].实验室科学，2012，15（2）：19-21.

[2]朱洪波.水泥基材料开发性实验课程设计[J].实验室研究与探索，2018，37（6）：188-191.

[3]刘丽娜，傅深渊，戴进峰，吴强，刘晓欢，宋平安.功能高分子材料开放性实验的课程设计[J].广州化工，2019，47（7）：144-146.

[4]姚西媛，王永欣，卢艳丽.材料科学与工程开放综合创新实验的教学改革探索[J].教育现代化，2019，6（95）：43-44.

[5]同继锋.现代建筑卫生陶瓷技术手册[M].北京：中国建材工业出版社，2010.

[6]赵帅雨.浅谈钧瓷注浆成型工艺流程[J].佛山陶瓷，2019，278（9）：47-49.

[7]李计元，马玉书.陶瓷注桨成型综合性实验设计.科技创新导报，2013，9.247-249.