基于工程案例的焊接结构教学实践与探讨

郭彦兵 陈云霞 张旺 陆斌锋

[摘 要] 在“新工科”教育理念和人才培养模式下，传统的焊接结构教学模式和实际焊接产业结合与实际工程需求存在一定的差距。从工程案例出发，对已有的课程体系进行相应的模块划分，针对每一个模块选取相应的典型工程案例，以工程小组的形式，通过线上与线下的混合教学模式展开教学实践。充分利用数值模拟的优点，对基于工程案例的焊接结构教学进行探索，为适应“新工科”背景下的焊接专业技术工程人才培养积累了一定的经验。

[关键词] 焊接结构;教学实践;工程案例

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0237-02    [收稿日期] 2019-10-22

焊接结构是将焊接技术应用于工业产品的手段与表现形式，其广泛应用于汽车、机械、海洋装备、航空航天、能源等工业领域[1]。焊接结构学作为应用型本科专业焊接技术与工程专业的专业基础课，对学生后期学习其他焊接专业知识及专业技能具有重要意义[2，3]。本门课程内容涉及传热学、金属材料学、材料力学、理论力学及机械结构设计等，是多个学科的综合与交叉，理论性和实践性都非常强[4]。传统教学模式中，因其各个章节内容相对独立，知识点分散且理论性较强，特别是焊接应力与变形及结构设计模块，很多教师迫于教学任务的压力，被迫采用填鸭式教学，学生学习意愿不强烈，达不到理想的育人效果[5]。本文从课程工程实踐性强这一特点出发，将焊接结构学的主要知识点模块化;结合工程案例与项目实践，将理论知识联系实际工程问题，从而对焊接结构课程的教学模式和方法进行有益的探索和讨论。

一、工程案例在焊接结构课程教学中的运用

工程案例教学方法目前在工科为主的课程教学中广泛被应用，其主要特点是针对实际的工程问题，将解决工程问题所需要的理论知识与实践相结合，老师布置、学生主动参与项目案例或模型，最终让学生掌握理论知识的同时，培养其解决工程问题的能力，达到教学目的。学生以小组形式选择教师，基于焊接结构的几个主要模块所设置的工程任务作业，在课前一到两周分配给每个小组，引导学生课前查阅资料，积极讨论，并利用校内已有的焊接数值模拟软件ABUQUS开展案例的计算与仿真分析，解决相应的工程案例作业问题，最后形成案例研究报告，纳入期末考核体系。

二、教学模块划分与工程案例设计

为了实现焊接结构课程的工程案例化的教学模式，必须在明确焊接结构课程体系的基础上进行相应的知识点模块划分，针对每一模块设置能够充分反映相应模块知识点并贴近工程应用的教学工程案例。

（一）教学模块划分

1.焊接热过程与温度场。该模块是焊接结构学的基础，焊接的热过程决定了焊接结构的质量和生产效率，因此本文设置该模块作为独立模块。

2.焊接过程中的应力应变场。焊接应力应变场的数值计算推导与理论基础。

3.焊接结构的设计。设置工字梁、桁架结构、简单压力容器几个典型的焊接结构。

4.焊接结构的数值模拟。典型焊接结构的焊接热过程和应力应变场的数值模拟分析。

（二）工程案例设计

1.焊接热源模型与模拟计算。以焊接传热学为基础，将典型的“高斯热源”等作为独立模块。

2.焊接过程中的实际应力与变形。设置刚性工作台中连接钢棒结构进行模拟焊接加热，分析焊接应力和变形。

3.板壳式换热器的接头和结构设计。设置桁架结构、压力容器等典型的焊接结构的工艺设计。

4.管板焊接数值模拟计算与实验验证。采用ABAQUS有限元分析软件构件管板焊接过程中的温度场和应力应变场。

三、基于工程任务的教学实践

（一）课程体系的改革

作为应用型本科课程的焊接结构主要研究如何将焊接传热学、焊接应力应变以及焊接结构设计三个教学模块有机结合起来。在理论授课前将相应教学模块的工程案例项目以项目小组的形式开展前期调研，让学生在课堂上充分抓住理论知识的重难点，激发学生的兴趣。授课完成后，以实践课的形式安排相应的教学模块实验，让学生实际动手操作。例如让学生利用焊接实验室的热电偶测量，并绘制不同材料和不同焊接接头在焊接过程中的热循环曲线，并思考曲线形成的原因，从而加深对焊接传热学的理解，形成“工程案例—理论学习—工程实践—学习反思—实际工程问题”闭环的课程体系和“新工科”人才培养模式。

（二）工程案例的实践教学

传统的焊接技术与工程专业的实践环节课程，如生产实习开设比较晚，与相关理论课程时间跨度较大，相关专业理论知识与工程实践连贯度不够。而通过基于工程实践的教学模式，就是在焊接结构课程刚开始就在教学班级形成工程案例小组，在课程学习过程中，以小组的形式解决老师在每一个教学模块布置的工程案例任务。

任务布置在上课前一周左右，学生自觉调研案例的知识背景，形成小组内部的讨论和学习机制，激发学生在理论课中的兴趣和专注力。每个教学模块完成后，小组相应的工程案例作业以PPT形式进行项目任务汇报。鼓励学生参与“全国焊接创新大赛”，充分利用国赛平台，检验学生的所学工程知识，提升学生实际工程问题的解决能力和创新能力。

四、结语

近几年来，通过在“新工科”建设背景下开展焊接结构课程的工程案例的教学实践，可以调动学生的学习积极性和主动性。在来源于生产实践的工程案例中抽取与理论结合度较高的模块，形成过程任务，激发了学生的学习热情和浓厚兴趣，以任务小组形式完成工程案例作业。在这一过程中，不但充分理解了课程中的理论知识，而且充分发挥了主观能动性和创新活力;工程案例小组分工明确，充分调动了学生最大的学习潜能;理论课模块与实践模块相结合、线下课程模块和线上课程模块相结合，实现了混合式教学，使课堂的理论课程与实践环节密切结合，为培养具有创新精神和工匠精神的新型高层次应用型工程人才提供了一种新思路。

参考文献

[1]方洪渊.焊接结构学[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]卢庆华.焊接结构教学模式改革探讨[J].中国冶金教育，2012（5）：32-34.

[3]蔡淑娟，李涌泉.“新工科”建设背景下的高等教育《焊接工程学》教学模式改革探索[J].山东化工，2019，48（5）：178-179.

[4]祝文沙.校企深度融合探索PBGS教学模式的应用型课堂——以《焊接结构生产》为例[J].课程教育研究，2019（27）：245-246.

[5]辛立军，陈明华，周岐，刘伟东.案例教学法在焊接结构课程教学中的应用[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019，21（01）：121-123.