以探索为导向的《焊接物理》课程的教学方法创新及实践

2021-09-10黄健康黄勇樊丁

电焊机 2021年3期

黄健康黄勇樊丁

摘要：《焊接物理》课程是兰州理工大学本科焊接技术与工程专业的一门专业基础必修课。为了培养更多满足工程需要的创新性人才，《焊接物理》课程的教学方法也应当与时俱进。以提高学生学习积极性为前提，通过焊接物理教材改革、能力培养、项目式教学和数值模拟相结合的教学方案，以探索为导向的《焊接物理》新的教学模式与教学理念，来培养焊接专业的高素质本科毕业生。

关键词：焊接物理;学习动机;探索;导向

中图分类号：G642;TG47 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）03-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.20

0 前言

《焊接物理》课程是兰州理工大学焊接技术与工程专业学生必修的一门基础专业课，被认为是焊接技术发展的理论基石[1]。该课程的主要目标是让学生了解焊接过程中相关的物理现象，阐述焊接过程所涉及的基本物理知识与现象。该课程的主要特点是覆盖面广、内容丰富、实践性强、理论知识抽象等;在学习本课程之前，学生需要对大学物理、高等数学等基础公共课程有一定的掌握。学好该课程对日后焊接研究或后续焊接相关的课程和实践都有极大的帮助。

作者在从事焊接技术与工程专业相关课程十几年的教学生涯中发现，学生对《焊接物理》的实践课程具有浓厚的兴趣，但是在基础知识的授课中，由于涉及大量的物理学知识和数学公式推导，学生对课程的兴趣会随着枯燥无味的公式大大削减，从而导致学生的理论知识薄弱，在开展后续相关的实践课程时很难进行下去。例如：在焊接专业的毕业答辩过程中，大多数学生的试验结果很好，具有很好的研究价值，试验流程清晰，但是许多结果分析都很浅薄，对相关问题也缺乏深入探讨。另外，据以往的焊接毕业生反映，《焊接物理》这门课程知识点多而杂，涉及学科范围较广，他们只知道一些简单的基本含义，很少有学生能理解物理现象产生的根本原因[2]。

为培养高水平、具备较强理论知识的本科毕业生以及具备科研和创新能力的研究生，就要求学生具备严谨的科研态度和充实的专业理论知识。从以往本专业毕业生的调查中发现，进入社会工作的学生缺乏扎实的理论知识和娴熟的实践能力。毕业后选择继续深造的学生，虽然拥有较好的专业基础知识，但是结合本科基础专业知识分析深度的科研成果还存在一定的难度。因此，本科期间专业基础课程的教学方式、学生接受知识的能力以及工程应用培养的方式显得尤为重要。以往的教学现象表明，焊接专业学生对于该课程的作用和价值不甚了解，对该课程的兴趣不高，导致理论基础学习薄弱，这无论是在日后的学习中还是将来的工作中都会对学生的发展形成一定的阻力[3]。因此，作者结合自己多年来的教学经验以及借鉴其他高校《焊接物理》课程授课内容和教学方法，就本校学生该课程的建议和学生的学习情况，针对性地提出了一些改革措施，对本课程课堂教学方法和实践课程以及授课教材作了新的探讨。

1 焊接物理的改革思路

1.1 焊接物理的重要性

焊接技术作为材料加工工艺的一种重要方法，在推动国家现代化建设和科学技术发展方面有着重要作用。据统计，美国50%以上的国民生产总值与焊接具有直接或者间接的关系。焊接是材料加工方法中最经济、最有效的材料永久性连接方法。

焊接技术已成为很多高校独立的一門学科。焊接尽管看起来简单，但所涉及的科学理论知识和可调节参数与其他加工工艺相比更复杂、更繁多，焊接过程中涉及大量复杂的物理现象，只有掌握了相关知识才能根据具体的应用情况选择合适的焊接方法和工艺。

1.2 学习动机理论的教学方法

学习动机理论的教学模式旨在激励学生的学习动力，是推动学生自主学习的内在因素。学生的学习动机是由多种因素引起的，如学业的需要、学生本身的兴趣爱好等，教师在制定教学方案时应当及时了解学生的学习动机，具有针对性的提出方案。在教学中，教师要及时调查学生的学习进度，对于一些情绪低落的学生及时了解情况并制定一系列鼓励措施，以便教师获得更好的教学效果。提升学生学习动机的目的在于让学生愿意花更多的时间在学习上。因此，提出以下鼓励措施以提高学生学习的主动性。

焊接作为材料连接的基本方法，无论在国家建设还是日常生活中都随处可见。比如：航空母舰对于国家的军事事业具有重大推动作用，航空母舰的建造大都依赖于焊接技术;日常生活中，许多电子器件的制造（如电子手表和手机芯片等）都会用到焊接技术[4]。《焊接物理》课程中涉及焊接技术最基本的理论知识，了解其应用需对其涉及基本的理论知识熟知。因此，《焊接物理》的重要性对焊接专业不言而喻，必须强调《焊接物理》的重要性。

教师在授课时应当根据学生的兴趣目的去挖掘新的教学方式，及时与学生探讨他们选择本专业的目的以及自己对于未来的规划。教师有必要在教学过程中了解学生对《焊接物理》课程感兴趣的地方，根据学生的兴趣所在不断扩大教学范围，通过开展相关的教学活动，将教材内容转化为学生可以接受的素材。在教学中要及时和学生沟通，了解学生们对课堂的理解程度，根据学生在课堂中出现的困难，老师在课后进一步帮助学生理解，在学完本课程后使学生明白在本课程中需要完成的基本目标;同时，教师在教学过程中也需对本课程表现出巨大的教学热情和学习动力，在学生中起到积极的带头作用。

教师在规划本课程时，对于可以增加学生理解和学习能力的意见，教师可以纳入教学规划中。其中最重要的是学生最感兴趣和有意义的主题等，增加学生们的参与感，提升学生的理解能力。焊接技术的应用在生活中随处可见，同时也与学生的兴趣联系紧密，教师可以结合学生们的兴趣爱好讲解课程，从焊接技术的广泛应用到焊接过程中出现的物理现象，对学生心中存在的疑惑进行解答。例如：许多学生都喜欢追求电子产品，如电子手表和手机等，但是精密度较高的电子手表和手机芯片的制造会用到焊接技术。提高学生学习的自主性，适当的给学生安排课后任务，根据他们的兴趣所在寻找相关的焊接物理知识，通过在课堂中讨论、互相交流的过程中理解焊接物理的相关知识，丰富学生的学习内容。

1.3 能力培养的教学方法

现阶段本科生的教学中，许多课程采用的教学方法还是传统的灌输式教学，学生对于学习的自主性很难提升[5]。传统单一的教学模式只能帮助学生完成简单的学业考试，但对于工程应用和科研很难有突破。而国内一些高校的学业考试有很大的迷惑性，学生会简单的根据自己的成绩高低来评估自己的学习结果，认为只要在考前稍加背诵就可以通过考试。但是在后续的学习中出现之前的知识时，他们仍然处于懵懂的状态。因此，在本课程的授课过程中，应当增加多元化的教学模式，充分体现出学生们各自的优点，注重个性发展，提高学生学习的主动性，采用能力培养模式下的启发式教学方法，鼓励学生积极参与到课程讲授过程和学习讨论中，而不是以往传统教学的简单继续。

2 《焊接物理》课程的具体改革措施

2.1 教材建设及教学方法

当前，全国所开设的焊接物理课程都是在讲义的基础上进行讲授，主要参考的文献为J.F.Lancaster出版的《The physics of welding》、安藤弘平所著的《焊接电弧现象》、杨春利教授的《焊接电弧基础》等，这些书籍要么为外国原版;要么难度系数较大，或者不能反映焊接物理课程的整体，所以急需该课程的配套教材。兰州理工大学《焊接物理》课程一直以来没有具体对应的教材，授课教师也在各个方面来弥补这一缺陷。因此，作者根据自己对于《焊接物理》课程十几年的教学经验以及结合自己多年的科研成果编著了《焊接物理基础》教材。该教材从简单的基础知识出发，从理论结合实践，再到具体的科研成果，以更全面、更具体的方式介绍了焊接过程中的物理现象。该教材主要包含焊接电弧、熔滴过渡和焊接熔池三大模块。通过对教材内容的改革，使学生更全面地认识焊接过程，以各种物理现象为研究对象，学习物理力学、传热传质等方面相关的物理规律，从而提升学生对本课程的学习热情。

2.2 探索新的教学实施方法

《焊接物理》课程中涵盖了很多的抽象概念和复杂公式，这对于没有相关基础、首次学习该课程的学生会觉得枯燥无味，而且繁琐的概念会降低学生的学习热情[6]。因此，教师要善于运用学生的好奇心，协助学生探索学习，使学生体会学习的乐趣，增强学生的学习动力。通过鼓励学生积极探索日常生活中焊接物理相关的知识，在课堂中善于与学生讨论探索。运用此方案既可以增加学生的兴趣爱好，又可以帮助学生理解专业知识。同时，课堂上教师与学生之间的互动程度可以提高课堂效率。学生与老师之间可通过以下方式提高互动质量：老师与学生之间保持沟通顺畅;教师鼓励学生课堂提问，并做出适当的回应;教师在授课过程中要擅长使用幽默、通俗易懂的授课方法，还可通过列举适当的案例供学生理解;教师还应当充分尊重学生的自主权。课堂上提高互动质量是为了让上课氛围更加浓厚，增进学生与老师之间的交流，激发学生更大的学习热情。

2.3 项目式教学

《焊接物理》课程仅凭课堂授课很难得到提升，焊接专业本是工程应用型专业，要理解地学习该门课程，就得多结合实践。通过与以往焊接专业的毕业生交谈中获得：焊接過程中出现的一些物理现象，他们单纯依靠老师的讲解是很难理解的，当经过简单的实践课程后，就会提升他们对复杂现象的理解。因此，为提升本课程的学习效果提出了以验证和探索相结合的项目式教学概念。项目式教学法是通过引导学生提出问题，并鼓励学生去试验探索与验证，完成该课程的研究进行实践教学活动的一种培训方式。在此教学模式的开展下，教师通过鼓励学生自主查找文献，以工程应用和科研创新为出发点，提出自己的项目名称和思路，教师核准后，学生开始撰写该项目的研究方法、研究目的、研究目标;并确保所确立的研究题目尽可能覆盖《焊接物理》课程的核心知识点;树立科学的研究方法，让学生明确定量研究在科学研究中的意义，建立所研究的各物理量的相关性。在基本操作过程中，教师根据班级人数将学生划分为多个小组，每组在项目题目核定后安排1名研究生跟踪指导，以确保实验安全，并指导学生撰写研究报告。对于项目式教学的成功检验，在结题时，学生以组为单位进行项目研究的汇报，同时邀请相关领导及参与项目的老师参加评审，教师对汇报结果给出评分并对本课程项目教学开展研讨，对于特别出色的研究，协助进行论文撰写并投稿。项目式教学可让本科生尽早的接触到科研，通过自己查找文献、拟定题目、确定试验方案、着手做实验、写小论文的模式，做到真正的活学活用[7]。在这样的教学模式下，既提高了学生对本课程的学习热情，同时还激发了学生对科研的热爱，促进学生后续的发展。

2.4 数值模拟在教学中的应用

随着科学技术的发展，科学研究构成了以试验、理论、数值模拟为三大手段的研究思路[8]。同样，焊接技术的发展也依赖于计算机技术的发展与进步。在《焊接物理》课程中，许多机制和现象不易在试验中观测与探索。同时，一些试验过程也无法观测，但为了反映或者研究该焊接物理过程，这时候就需要借助计算机来模拟，通过数值模拟的方法从而获得相应的试验结果。因此，在教学过程中将数值模拟运用到焊接物理教学中[9]。在所建立虚拟实验室中，教师对相应的模拟软件进行讲解，并通过给学生安排相应的案例，让学生熟悉相应的模拟软件及操作[10]。以此帮助学生理解焊接过程中复杂的物理现象。例如：焊接过程中，学生们仅凭教材中的热循环曲线很难理解焊接热过程，数值模拟可以对相应的焊接过程进行模拟，将焊接过程以动画的形式展示。学生们能够更直观地明白伴随着热源的移动，焊件上各区域的温度是如何变化的。如图1为钛合金和铝搭接焊，其焊缝处温度场的分布，图2是A、B、C三点处温度随时间的变化曲线。

数值模拟是焊接物理课程学习的一个拓新点，以计算机技术为纽带，结合《焊接物理》课程中的基础知识来探索求证焊接过程中的物理现象，并同时引导学生的学习兴趣、激发他们的求知欲。因此，通过对学生多方面的教学模式的切入，以《焊接物理》课程为纽带，对学生各方面综合专项提升，并服务于焊接技术与工程专业的其他课程，最终让学生形成自我学习的能力改变学习的习惯。

3 结论

《焊接物理》作为焊接专业的基本专业课程之一，在整个焊接领域的学习与研究中起着重要的作用。通过对教学方式和教材内容的改革，以激发学生的学习动机、项目式教学以及理论知识与数值模拟相结合的教学模式，做到在实践中学知识，在计算机模拟中充分利用知识，做到真正的活学活用，加深学生对本课程的认识。

参考文献：

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