基于新工科建设的“铸造工艺学”课程改革探索

摘 要：近年来铸造产业向着信息化智能化方向迅猛发展，铸造企业高技术人才缺口越来越大，而高校传统铸造工艺教学内容相对陈旧，教学内容、教学方法和教学模式难以适应企业需求。為了满足“新工科”建设要求，培养适应传统铸造行业改造升级的新型工程科技人才，本文结合江苏大学材料成型及控制工程专业铸造方向人才培养的实际情况，分析铸造工艺课程教学面临的普遍突出问题，并从“线上线下”相结合的教学模式、构建铸造工艺虚拟教学平台、将教学内容与课外实践相结合、建立合理的评价体系四个方面，详细阐述了江苏大学对“铸造工艺学”课程进行的改革探索，旨在提高学生的积极主动性，有效地理解和掌握铸造工艺设计理论知识，提升学生工艺设计实践能力，为学生学好这门课程提供积极探索并积累有益经验。

关键词：铸造工艺学;教学探讨;材料成型

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】]A

铸造工艺学是目前国内高校材料成型及控制工程专业普遍开设的一门专业课程，其教学目标是为了使学生了解和掌握铸造工艺设计的基本理论、方法和原则，培养学生独立解决铸造工艺设计问题的能力[1]。因此，铸造工艺学是一门既具有一定理论性又具有很强的工程性与实践性的课程。该课程包括了三部分：金属-铸型界面作用;造型材料与造型工艺;铸造工艺与工装。铸造工艺学课程是成型专业铸造方向学生掌握铸造基本原理方法，进行铸造工艺设计的基础[2]。但是，该课程内容繁杂，单纯的课堂教学效果差，且教学内容较为陈旧，难以适应新工科建设要求。

一、教学过程中存在的问题

长期以来，铸造工艺学课程始终以课堂教学为主，随着多媒体教学的兴起，视频、动画等多媒体教学方式逐步取代了板书[3]，在一定程度上帮助学生更清晰的认识铸造工艺方法及其内在原理。但是，教学效果仍不理想，特别是新工科建设要求提出后，铸造工艺学作为一门重要的专业课程，必须做出适当调整以适应新一轮科技革命与产业变革的战略行动对铸造人才的需求。具体而言，铸造工艺学课程教学中存在如下问题：

（1）教学内容多而且较为陈旧

目前，大多数高校仍以1998年机械工业出版社出版的《铸造工艺学》作为授课教材，教材内容主要围绕砂型铸造进行介绍，尽管内容全面，基础理论介绍系统。但是，教材内容中铸造工艺设计相关内容以抽象的公式和参数选择为主，学生不易理解。且目前实际生产中铸造工艺多依靠数值模拟优化参数和工艺方案，教学内容与实际生产脱节。更重要的是，经过几十年的研究，铸造工艺及缺陷相关理论已有新的发展，教学内容不应当再拘泥于传统教材。

（2）教学模式较为单一枯燥

目前课堂教学已基本由PPT 多媒体教学代替了原来板书教学模式，以视频和动画的形式解释铸造过程及相关原理，在一定程度上丰富了教学形式。但是，在多媒体技术快速发展的今天，上述形式已经难以调动学生学习兴趣。此外，多媒体教学还存在放映速度太快的问题。教师在使用多媒体进行课堂教学过程中，往往以自己的讲解节奏进行，而PPT 放映结束后，学生再无法看到相应内容，难以避免部分知识点学生来不及理解或记录笔记。

（3）学生主动性差

铸造工艺学很多教学内容与工程实际紧密相关，但是学生在学习本课程时还未进行生产实习，对实际铸造生产过程缺乏认识。所有铸造工艺相关概念只能从书本上获得，尽管课堂教学中可以展示部分真是照片和视频，但是整体缺乏现场感。这使得铸造工艺课程以教师主动讲授学生被动接受为主。而教师授课多从专业工程角度出发，与学生思维方式有很大差别，难免使学生对教学内容失去兴趣。

二、教学改革的思考

（1）建立线上线下相结合的教学模式

传统课堂教学模式难以激发学生学习兴趣，教学效果差，借助线上线下相结合的教学模式可以有效解决这一问题。线下教学以关键的基本知识点为主，通过案例的方式引入问题，带领学生从凝固原理的角度思考解决问题，进而加深学生对铸造工艺设计的理解。此外，线下教学也可以借助现有教学平台，如“雨课堂”等，在课堂教学中加入手机互动环节。给线下课堂教学增添活力，并彻底解决“手机”带来的课堂教学问题;而线上教学作为线下教学的补充，可以丰富学生知识结构，开拓学生视野，激发学生进行主动学习和研究。互联网技术的飞速发展，网络上新鲜事物层出不穷，很容易激发学生的好奇心和兴趣。可以借助学生的这种心理特点，引导学生主动学习。建立线上学习资源，一方面老师可以以视频或图片形式上传课程关键知识点讲解剖析，铸造或者凝固相关的科学现象与学习资料，特别是国内外铸造工艺相关研究的前沿成果，并且提供线讨论交流的渠道。另一方面，学生可以通过贴吧的形式，针对铸造工艺相关问题进行发帖提问和跟帖讨论，进而加强学生与学生之间、学生与老师之间的沟通，培养学生对铸造工艺的学习和研究兴趣。

近年来，铸造行业自动化水平不断提升，制芯、造型、浇注、清理、检验等各个铸造工艺流程中大量人力被替代。原有铸造工艺学课本教学内容与实际现场差别较大，很多工艺方法和思路已经被新的工艺方法所替代。线上教学还可以帮助学生多了解铸造方向国际发展前沿，学习认识铸造新方法、新装备，特别是欧洲发达国家的高自动化水平铸造生产线。从而转变学生对铸造行业脏乱差的认识。

（2）建立铸造工艺虚拟教学平台

铸造工艺过程复杂，熔炼、每个工艺细节都有可能影响最终铸件质量，如何让学生理解其中的机理和内在联系，进而基于此进行工艺设计，是工艺学课程的教学难点和重点。显然，让学生参与实际铸件的合金熔炼、造型材料选择、分型面设计、浇注系统设计、凝固顺序设计与控制等工艺流程，能够使其快速掌握铸造工艺设计的基本原理和方法。但是，受到种种条件制约，目前还无法实现实际现场教学，这使得构建虚拟教学平台显得尤为重要。

虚拟教学平台可以实现从工艺设计、熔炼、造型、浇注到铸件清理的铸造全过程的设计与实践，不但能够使学生掌握工艺设计必须的理论知识，还能够使学生熟悉各种铸造设备及其操作规范，了解设备适用范围，为今后实际工艺设计打下坚实的理论和实践基础。与此同时，虚拟教学平台可以充分发挥学生的自主性和创造性，使课本上的知识变得更加灵活。从而，进一步激发学生的学习兴趣，将被动学习变为主动学习。江苏大学材料成型及控制工程专业搭建了“高强韧铝基纳米复合材料成分设计与性能调控虚拟仿真实验”，该虚拟仿真实验平台包含了实验简介、课前预习、材料设计、工艺优化、组织性能分析、考核评价、学习交流、实验帮助共8个模块，实现学生在虚拟环境下对铝硅合金材料进行不同成分配比的探究，通过工艺优化得到最佳的材料性能，并了解不同材料成分对组织性能的影响。加深学生对材料和成型工艺之间内在联系的认识和理解，教学效果显著。

（3）将教学内容与课外实践相结合

生产实习是材料成型及控制工程专业学生的关键课外实践环节，也是学生接触生产实际的重要途径，但是目前，大部分教学与生产实习没有很好的结合。使学生在实习中不了解看到的是什么，为什么这么做，很难做到理论联系实习。因此，大部分实习环节变成了走马观花，学生对实习的印象不深刻，限制了实习对专业课学习的帮助效果[4]。教师在开展铸造工艺学课程前，要注意先了解实习中可能涉及到的工艺方法和铸造设备。在上课过程中，讲解到相关知识点，可以有选择的引用生产实习的实例，这样既能帮助学习理解知识点，又能加强生产实习效果，使生产实习变成铸造工艺学课程的延伸。

（4）建立合理的评价体系

铸造工艺学课程考核目前还是以试卷考察为主，主要考察学生对基本概念和基本原理的掌握情况。实际上，这些对于铸造工艺设计是远远不够的[5]。铸造工艺学需增加实践设计考察环节，要求学生独立完成铸件的整个工艺流程设计，包括合金的熔体处理、造型材料的选择、铸件浇注系统设计、分型面的选择、冒口冷铁设计等内容。需要学生综合利用“液态金属成形原理”、“铸造合金及其熔炼”、“造型材料”、“铸造工艺学”等多门课程知识。可以作为铸造工艺学课程学习后的总结。由于工作量较大，可以安排多个学生组成团队，以小组形式完成工艺设计，同时培养学生灵活运用专业知识的能力和团队合作意识。

全国铸造工艺设计大赛能够全面锻炼学生工艺设计能力[6]，同时使学生熟悉常用的工艺设计软件，如AutoCAD、UG、ProCAST等。经过大赛锻炼，学生基本能够独立完成铸造工艺设计，实践能力得到迅速提升。江蘇大学材料成型专业早在几年前就开始重视铸造工艺设计大赛，并在本科生培养环节中专门设置了实践学分，参加铸造工艺设计大赛并提交完整的作品是获得该实践学分的关键途径。从而将铸造工艺设计大赛变成了课堂教学的有力补充，且在提升学生实践能力方面效果明显。

此外，为了适应铸造信息化智能化的发展需求，还应鼓励学生采用包括特种铸造工艺在内的多种工艺方法进行工艺设计[7]，并对所用方法进行对比，分析各种方法的优势与缺点，掌握各种铸造方法的局限性和适用范围。评价体系要以培养学生创新能力为核心，提高学生利用新方法处理工艺设计问题的能力。如，利用制图软件对铸件进行三维建模来代替传统二维工艺图纸;利用数值模拟软件计算铸件充型流场和凝固温度场，并据此对浇注系统和冒口等进行优化设计，替代浇注系统和冒口的传统估算方法。在考察学生学习情况的过程中，使其了解目前铸造工艺设计的主流方法和流程。

三、结语

铸造工艺学课程既要求学生掌握基本原理，有要做到理论联系实际。针对目前该课程普遍存在的问题，本文提出了“线上线下”相结合、虚拟教学等新方法，以充分调动学生的主动性和创造性，提升教学效果。并且要做到课程学习与实践的紧密结合，才能加深学生对课程的认识和理解。

参考文献

[1]李吉林， 冯俊宁， 张小丽 等， 铸造设备与工艺[J]. 2018，（1）：57-59.

[2]韩富银， 张长江， 聂凯波 等， 中国铸造工艺装备与技术[J]. 2019，54（1）：53-56.

[3]龙威， 王辉虎， 夏露， 谢志雄， 黄晋. 基于成果导向的铸造工艺及装备设计课程教学设计与实践[J]. 教育教学论坛，2020（51）：281-282.

[4]李杨， 张尚洲. 新旧动能转换下的熔模铸造产学研合作新模式探索——以烟台大学核装备与核工程学院为例[J]. 教育教学论坛，2020（50）：250-251.

[5]马运， 汤彬， 邢小颖， 姚启明. 砂型铸造实践教学的改革与创新[J]. 铸造技术，2020，41（05）：498-500.

[6]张雅静.“大学生铸造工艺设计大赛”促进专业教师综合能力的提升[J]. 科教导刊，2021（05）：71-73.

[7]王伟春， 黄伟明， 潘东杰， 陈云祥. 浅谈人工智能背景下高职铸造专业的教学改革[J]. 铸造工程，2021，45（01）：61-66.

江苏大学 材料科学与工程学院 赵信毅